Fabricação e caracterização de supercondutores Resonators
Summary
Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para a detecção de, aplicações de computação quântica leves e caracterização de materiais. Este trabalho apresenta um procedimento detalhado para a fabricação e caracterização de parâmetros ressonador supercondutor de espalhamento de microondas.
Abstract
Supercondutores ressonadores de microondas são de interesse para uma larga gama de aplicações, incluindo para a sua utilização como detectores de microondas cinética de indução (MKIDs) para a detecção de assinaturas astrofísicas leves, bem como para aplicações de computação quântica e caracterização de materiais. Neste trabalho, os procedimentos são apresentados para a fabricação e caracterização de thin-film ressonadores supercondutores de microondas. A metodologia de fabricação permite a realização de supercondutores ressonadores de linha de transmissão com características de ambos os lados de um dielétrico único cristal de silício atomicamente lisa. Este trabalho descreve o procedimento para a instalação de dispositivos de ressonador em um testbed microondas criogênico e de arrefecimento abaixo da temperatura de transição supercondutora. O set-up do testbed microondas criogênico permite fazer medidas cuidadosas da transmissão de microondas complexo destes dispositivos ressonador, permitindo a extração do properties das linhas supercondutoras e substrato dielétrico (por exemplo, fatores internos de qualidade, perda e frações de indutância cinética), que são importantes para o projeto de dispositivos e desempenho.
Introduction
Os avanços na instrumentação astrophysical introduziram recentemente ressonadores de microondas supercondutores para a detecção de luz infravermelha 1 -. 4 Um supercondutor ressonador irá responder à radiação infravermelha de energia E = hv> 2Δ (em que h é a constante de Planck, v é a frequência de radiação e Δ é a energia gap supercondutor). Quando o ressonador é arrefecida para uma temperatura bem abaixo da temperatura crítica supercondutor, esta radiação incidente quebra pares de Cooper no volume ressonador e gera excitações quasiparticle. O aumento na densidade das excitações quasiparticle muda a indutância cinética e, portanto, a impedância complexa superfície do supercondutor. Esta resposta óptica é observada como uma mudança na frequência de ressonância para frequência mais baixa e uma redução no factor de qualidade do ressonador. No canônica esquema de leitura para um vacas microondasdetector de indutância tic (MKID), o ressonador é acoplado a uma linha de alimentação de microondas e um monitoriza a transmissão complexo através desta linha de alimentação de um único tom de frequência de microondas em ressonância. Aqui, a resposta óptica é observada como uma mudança, tanto na amplitude e fase de transmissão de velocidades 5 (Figura 1). Esquemas de multiplexação no domínio da frequência são capazes de ler as matrizes de milhares de ressonadores 6-7.
Para conceber e implementar a instrumentação baseada em supercondutor-ressonador com sucesso, as propriedades destas estruturas ressonantes precisam ser caracterizados com precisão e eficiência. Por exemplo, medições de precisão das propriedades de ruído, factores de qualidade Q, as frequências de ressonância (incluindo a sua dependência da temperatura) e propriedades de resposta ópticos ressonadores de supercondutores são desejados no contexto da MKID física do dispositivo, 8 computação de quantum, 9 e a determinação de baixa temateriais mperatura propriedades. 10
Em todos estes casos, é desejável a medição de parâmetros de difusão complexos de transmissão do circuito. Este trabalho concentra-se na determinação do coeficiente de transmissão do complexo do ressonador, S 21, cuja amplitude e de fase pode ser medido com um analisador de rede vector (VNA). Idealmente, o plano de referência VNA (ou porta de teste) seria ligado directamente ao dispositivo sob teste (DUT), mas uma configuração criogénico requer normalmente a utilização de estruturas de linha de transmissão adicional para realizar um corte térmico entre RT (~ 300 K) e a fase fria (~ 0,3 K neste trabalho, ver Fig ure 2). microondas componentes adicionais, tais como acopladores direcionais, circuladores, isoladores, amplificadores, atenuadores, e cabos de interconexão associados podem ser necessários para preparar adequadamente, excite, lidos e bias o dispositivo de interesse. oAs velocidades de fase e as dimensões destes componentes variam quando o arrefecimento da sala a temperaturas criogénicas, e, portanto, afectar a resposta observada no plano de calibração do dispositivo. Estes componentes intermediários entre o instrumento ea influência dispositivo plano de calibração do ganho complexo e precisa ser devidamente contabilizados na interpretação da resposta medida 11.
Em teoria, um esquema é necessário que define o plano de referência de medição, idêntico ao utilizado durante a calibração, no DUT. Para alcançar este objectivo, pode-se medir os padrões de calibração ao longo de vários cool-baixos; No entanto, isto coloca restrições sobre a estabilidade do VNA e a repetibilidade do instrumento criogénico, que são difíceis de atingir. Para atenuar estas preocupações, pode-se colocar os padrões necessários no ambiente de teste arrefecidos e alternar entre elas. Este é, por exemplo, similar ao que é encontrado nas estações de sonda de microondas, Onde os padrões de amostra e de calibragem são arrefecidos a 4 K por um fluxo de hélio líquido contínua ou um sistema de ciclo fechado de refrigeração. 12 Este método foi demonstrada em temperaturas sub-kelvin, mas requer um baixo consumo de energia, interruptor de microondas de alta performance na teste de banda de interesse. 13
Um procedimento de calibração in situ, por conseguinte, é desejado que responde pela transmissão de resposta instrumental entre o plano de referência VNA e o plano de calibração do dispositivo (Fig ure 2) e que ultrapasse as limitações dos métodos acima descritos. Este método de calibração criogénico, apresentados e discutidos em detalhe em Cataldo et al. 11, permite que um para caracterizar vários ressoadores sobre uma vasta gama de frequências em comparação com a largura da linha do ressonador e o espaçamento inter-ressonador com uma precisão de aproximadamente 1%. Este artigo incidirá sobre os detalhes da fabricação de amostra e prepprocessos prepara-, teste de set-up e medição procedimentos experimentais utilizados para caracterizar ressonadores supercondutores de microondas com geometrias linha planar. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
O processo de fabricação-flip única fornece um meio para a realização de ressonadores supercondutores em ambos os lados de uma 0,45 mm substrato fina Si monocristalino. Uma pode ser motivado a usar um único cristal de Si dieléctrico porque tem mais do que uma ordem de grandeza menor do que a perda de dieléctricos depositados (tais como Si 3 N 4) com tangentes perda na gama de 4,0-6,5 GHz <1 x 10 – 5. 23-24 a capacidade de padrão apresenta em ambos os lados deste su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem apoio financeiro das rosas e dos programas APRA Aeronautics and Space Administration (NASA) 's. GC também reconhece a Universidades Espaço Research Association para administrar sua nomeação na NASA.
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
- Monfardini, A., et al. The Néel IRAM KID Arrays (NIKA). J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).
- Schlaerth, J. A., et al. The Status of Music: A Multicolor Sub/millimeter MKID Instrument. J. Low Temp. Phys. 167 (3-4), 347-353 (2012).
- Swenson, L. J., et al. MAKO: a pathfinder instrument for on-sky demonstration of low-cost 350 micron imaging arrays. Proc. SPIE. 8452, 84520P (2012).
- Mazin, B. A., Bumble, B., Meeker, S. R., O’Brien, K., McHugh, S., Langman, E. A superconducting focal plane array for ultraviolet, optical, and near-infrared astrophysics. Opt. Express. 20 (2), 1503-1511 (2012).
- Mazin, B. A. . Microwave Kinetic Inductance Detectors. , (2005).
- McHugh, S., et al. A readout for large arrays of Microwave Kinetic Inductance Detectors. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044702 (2012).
- Mazin, B. A., et al. ARCONS: A 2024 Pixel Optical through Near-IR Cryogenic Imaging Spectrophotometer. Publ. Astron. Soc. Pac. 123 (933), 1348-1361 (2013).
- Zmuidzinas, J. Superconducting Microresonators: Physics and Applications. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169-214 (2012).
- Vijay, R., Slichter, D. H., Siddiqi, I. Observation of Quantum Jumps in a Superconducting. Artificial Atom. Phys. Rev. Lett. 106 (11), 110502 (2011).
- Krupka, J., Derzakowski, K., Tobar, M., Hartnett, J., Geyer, R. G. Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures. Meas. Sci. Technology. 10 (5), 387-392 (1999).
- Cataldo, G., Wollack, E. J., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K. Analysis and calibration techniques for superconducting resonators. Rev. Sci. Instrum. 86 (1), 013103 (2015).
- Russell, D., Cleary, K., Reeves, R. Cryogenic probe station for on-wafer characterization of electrical devices. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044703 (2012).
- Ranzani, L., Spietz, L., Popovic, Z., Aumentado, J. Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures. Rev. Sci. Instrum. 84 (3), 034704 (2013).
- Patel, A., et al. Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (3), 2400404 (2013).
- Brown, A., Patel, A. High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique. , (2015).
- Laermer, F., Schlip, A. Method of anisotropically etching silicon. , (1996).
- Chen, D., Wang, Q., Shen, Z. A broadband microstrip-to-CPW transition. APMC 2005. Asian-Pac. Conf. Proc. 2 (4), (2005).
- Fano, U. Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d’arco. Il Nuovo Cimento. 12 (3), 154-161 (1935).
- Fano, U. Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts. Phys. Rev. 124 (6), 1866-1878 (1961).
- Marquezini, M. V., Kner, P., Bar-Ad, S., Tignon, J., Chemla, D. S. Density dependence of the spectral dielectric function across a Fano resonance. Phys. Rev. B. 57 (7), 3745-3748 (1998).
- Singh, R., Al-Naib, I., Cao, W., Rockstuhl, C., Koch, M., Zhang, W. The Fano Resonance in Symmetry Broken Terahertz Metamaterials. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3 (6), 820-826 (2013).
- Giannini, V., Francescano, Y., Amrania, H., Phillips, C. C., Maier, S. A. Fano Resonances in Nanoscale Plasmonic Systems: A Parameter-Free Modeling Approach. Nano Lett. 11 (7), 2835-2840 (2011).
- O’Connell, A. D., et al. Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and Millikelvin Temperatures. Appl. Phys. Lett. 92 (11), 112903 (2008).
- Weber, S. J., Murch, K. W., Slichter, D. H., Vijay, R., Siddiqi, I. Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime. Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510 (2011).
- Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy. Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).
