Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators
Summary
Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für die Erfassung von Licht, Quanten-Computing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. Diese Arbeit stellt ein detailliertes Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von supraleitenden Mikrowellenresonator Streuparameter.
Abstract
Superconducting Mikrowellenresonatoren sind von Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich für ihre Verwendung als Mikrowellen-kinetische Induktivität Detektoren (MKIDs) zum Nachweis von schwachen astrophysikalische Signaturen sowie für Quantencomputing-Anwendungen und Materialcharakterisierung. In dieser Arbeit werden Verfahren zur Herstellung und Charakterisierung von Dünnschichtsupraleitenden Mikrowellenresonatoren dargestellt. Die Herstellungsmethode ermöglicht die Realisierung von supraleitenden Übertragungsleitungsresonatoren mit Funktionen auf beiden Seiten eines atomar glatten einkristallinem Silizium Dielektrikums. Diese Arbeit beschreibt das Verfahren für die Installation von Resonatorbauelemente in einer kryogenen Mikrowelle Testbed und Abkühlphase unterhalb der Supraleitungsübergangstemperatur. Der Aufbau des kryogenen Mikrowelle Testbed ermöglicht eine sorgfältige Messungen des komplexen Mikrowellenübertragung dieser Resonatorbauelemente zu tun, um die Extraktion der pr ermöglichenoperties der supraleitenden Leitungen und dielektrischen Substrat (zB interne Qualitätsfaktoren, Verlust und kinetische Induktivität Fraktionen), die für Gerätedesign und Leistung wichtig sind.
Introduction
Advances in astrophysikalischen Instrumentierungs wurden kürzlich supraleitende Mikrowellenresonatoren für die Detektion von Infrarotlicht eingeführt . 1 – 4 Ein supraleitenden Resonator für Infrarotstrahlung Energie E reagieren = hv> 2Δ (wobei h die Plancksche Konstante, v ist die Strahlungsfrequenz und Δ ist die supraleitende Energielücke). Wenn der Resonator auf eine Temperatur deutlich unter dem Supraleiter kritische Temperatur abgekühlt wird, bricht diese einfallende Strahlung Cooper-Paare in dem Resonator Volumen und erzeugt Quasiteilchen-Anregungen. Die Erhöhung der Dichte der Quasiteilchen Anregungen ändert die kinetische Induktivität und damit die komplexe Oberflächenimpedanz des Supraleiters. Diese optische Antwort wird als eine Verschiebung in der Resonanzfrequenz auf niedrigere Frequenz und eine Verringerung des Gütefaktors des Resonators beobachtet. In der kanonischen Ausleseschema für eine Mikrowelle kinetic Induktivität Detektor (MKID) wird der Resonator mit einem Mikrowellenzuführungsleitung gekoppelt ist und eine überwacht die komplexe Übertragung durch diese Speiseleitung mit einer einzigen Mikrowellenfrequenz Ton auf Resonanz. Hier wird die optische Reaktion wird als Änderung beobachtet sowohl in der Amplitude und Phase des Getriebes 5 (Figur 1). Frequenz-Domain Multiplexing – Schemata sind in der Lage Arrays von Tausenden von Resonatoren Auslesens. 6-7
Um erfolgreich zu gestalten und supraleitenden Resonator-basierte Instrumente zu implementieren, müssen die Eigenschaften dieser resonanten Strukturen werden genau und effizient aus. Beispielsweise Präzisionsmessungen der Rauscheigenschaften, Qualitätsfaktoren Q, Resonanzfrequenzen (einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit) und optischen Antworteigenschaften von supraleitenden Resonatoren erwünscht sind im Rahmen der MKID Vorrichtung Physik, 8 Quantencomputing, 9 und die Bestimmung von nieder- temperatur Materialeigenschaften. 10
In allen diesen Fällen wird die Messung der komplexen Übertragungsstreuparameter der Schaltung gewünscht. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Bestimmung der komplexen Übertragungskoeffizienten des Resonators, S 21, dessen Amplitude und Phase kann mit einem Vektor – Netzwerkanalysator (VNA) gemessen werden. Idealerweise würde der VNA Bezugsebene (oder Prüfanschluss) direkt mit dem Gerät unter Test (DUT) verbunden werden, aber eine kryogene Einstellung erfordert normalerweise die Verwendung von zusätzlichen Strukturen Übertragungsleitung eine thermische Trennung zwischen RT (~ 300 K) zu erkennen, und die Kältestufe (~ 0,3 K in dieser Arbeit, siehe Abb ure 2). Zusätzliche Mikrowellenkomponenten wie Richtkoppler, Umwälzpumpen, Isolatoren, Verstärker, Dämpfungsglieder und dazugehörige Verbindungskabel können in geeigneter Weise benötigt werden, vorzubereiten, zu erregen, ausgelesen und vorspannen das Gerät von Interesse. DasPhasengeschwindigkeiten und Abmessungen dieser Komponenten variieren, wenn von Raum zu kryogenen Temperaturen Kühlung und damit beeinflussen sie die beobachtete Reaktion am Gerät Kalibrierungsebene. Diese dazwischenliegenden Komponenten zwischen dem Gerät und dem Gerätekalibrierung Ebene Einfluss auf die komplexe Verstärkung und müssen in geeigneter Weise für die Interpretation der gemessenen Reaktion berücksichtigt werden. 11
In der Theorie wird eine Regelung erforderlich, die die Messreferenzebene, identisch mit dem bei der Kalibrierung verwendet setzt, an der DUT. Um dieses Ziel zu erreichen, könnte man die Kalibrierungsstandards über mehrere kühl-downs messen; jedoch stellt dies Einschränkungen für die Stabilität des VNA und die Wiederholbarkeit des kryogenen Instrument, das nur schwer zu erreichen. Um diese Bedenken zu mildern, könnte man die erforderlichen Standards in der gekühlten Testumgebung platzieren und zwischen ihnen wechseln. Dies ist zum Beispiel ähnlich dem, was in Mikrowellensonde Stationen gefunden wird,, Wobei die Proben- und Eichstandards sind auf 4 K durch einen kontinuierlichen Flüssigheliumstrom oder einem geschlossenen Kreislauf Kühlsystem gekühlt. 12 dieses Verfahren bei Unter Kelvin Temperaturen gezeigt wurde, erfordert aber ein Low-Power – Hochleistungsmikrowellenschalter in der Testband von Interesse. 13
Ein in-situ Kalibrierprozedur ist daher erwünscht , die für die instrumentellen Transmissionsverhalten zwischen der VNA Referenzebene und der Vorrichtung Kalibrierungsebene (Fig ure 2) ausmacht und die die Beschränkungen der oben beschriebenen Verfahren überwindet. Diese kryogenen Kalibrierungsverfahren, dargestellt und im Detail in Cataldo et al. 11, ermöglicht es , mehrere Resonatoren über einen breiten Frequenzbereich im Vergleich zu dem Resonator Linienbreite und zwischen den Resonatoren Abstand mit einer Genauigkeit von ~ 1% zu charakterisieren. Dieses Papier konzentriert sich auf die Details der Probenherstellung und Vorbereitungreitung Prozesse, experimentelle Test – Set-up und Messverfahren verwendet , um supraleitenden Mikrowellenresonatoren mit planaren Liniengeometrien zu charakterisieren. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Single-Flip Herstellungsverfahren stellt ein Mittel zur Realisierung von supraleitenden Resonatoren auf beiden Seiten einer dünnen 0,45-um-Einkristall-Si-Substrat. Man kann motiviert werden , um eine einkristalline Si-Dielektrikum zu verwenden , weil es mehr als eine Größenordnung geringeren Verlust als abgeschieden Dielektrika (wie Si 3 N 4) mit Dielektrizitätsverlusten im 4,0-6,5-GHz – Bereich hat <1 x 10 – 5 23,24 . Die Fähigkeit, Muster kennzeichnet auf beiden …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen an finanzieller Unterstützung der National Aeronautics and Space Administration (NASA) 's ROSES und APRA-Programme. GC erkennt auch die Universities Space Research Association für seine Ernennung bei der NASA zu verwalten.
Materials
| Microposit S-1811 Photoresist | Shipley | ||
| BCB | Dow | 3022-35 | |
| SOI wafers | SOITec | Fabricated with SmartCutTM process | |
| Mo | Kamis | 99.99% | |
| Nb | Kamis | 99.95% (excludes Ta) | |
| E-6 metal etch w/AES | Fujifilm | CPG Grade | |
| Acetone | JT Baker | 9005-05 | CMOS Grade |
| HF dip (1:10) | JT Baker | 5397-03 | |
| PMMA | Microchem | 950 PMMA A2 | |
| GE 7031 | General Electric | Low-temperature adhesive | |
| Cryogenic Microwave Amplifier | MITEQ | AF S3-02000400-08-CR-4 | 2-4 GHz, gain ~30dB |
| NbTi Semi-rigid SMA cables | Coax. Co. | SC-086/50-NbTi-NbTi | |
| Circulator | PamTech | CTD1229K | return loss > -20 dB from 2-4 GHz |
| RF attenuator | Weinschel | Model-4M | 7 dB attenuation |
| Flexible SMA cables | Teledyne-Storm | R94-240 | ACCU-TEST |
| Vector Network Analyzer | Agilent | N5242A PNA-X | |
| Liquid He-4 cryogen | Praxair | ||
| Liquid N2 cryogen | Praxair |
References
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