Tillverkning och karakterisering av supraledande resonatorer
Summary
Supraledande mikrovågsresonatorerna är av intresse för detektering av ljus, kvantdatorapplikationer och materialkarakterisering. Detta arbete presenterar ett detaljerat förfarande för tillverkning och karakterisering av supraledande mikrovågsugn resonator spridningsparametrar.
Abstract
Supraledande mikrovågsresonatorerna är av intresse för ett brett spektrum av tillämpningar, bland annat för deras användning som mikrovågsugn kinetisk induktans detektorer (MKIDs) för detektion av svaga astrofysiska signaturer, liksom för kvantdatorapplikationer och materialkarakterisering. I detta dokument är förfaranden presenteras för tillverkning och karakterisering av tunnfilmssupraledande mikrovågresonatorerna. Tillverkningen metodologi medger för förverkligandet av supraledande överföringslinje resonatorer med funktioner på båda sidor av ett atomiskt slät enda kristall kisel dielektrikum. Detta arbete beskriver förfarandet för installation av resonatorn enheter till en kryogen mikrovågsugn testbädd och nedkylningen under supraledande övergångstemperaturen. Utformningen av den kryogena mikrovågsugn testbädd gör att man kan göra noggranna mätningar av den komplexa mikrovågsöverföring av dessa resonator anordningar, som möjliggör utvinning av den properties hos den supraledande linjer och dielektriskt substrat (t.ex. interna kvalitetsfaktorer, förlust och kinetiska induktans fraktioner), som är viktiga för enheten design och prestanda.
Introduction
Framsteg inom astrofysiska instrumentering har nyligen infört supraledande mikrovågsresonatorer för detektering av infrarött ljus ett -. 4 En supraledande resonator kommer att svara på infraröd strålning av energi E = hv> 2Δ (där h är Plancks konstant, v är frekvensen strålning och Δ är det supraledande energigapet). När resonatorn kyles till en temperatur väl under supraledarens kritiska temperatur, bryter denna infallande strålning Cooper-par i resonatorn volymen och genererar kvasipartikel excitationer. Ökningen i densiteten för kvasipartikel excitationer ändrar kinetisk induktans, och sålunda den komplexa ytan impedansen hos supraledaren. Denna optiska effekt setts som ett skift i resonansfrekvensen till lägre frekvens och en minskning av kvalitetsfaktorn för resonatorn. I den kanoniska avläsningssystem för en mikrovågsugn kinetic induktans detektor (MKID) är resonator kopplad till en mikrovågsugn ledningen och en övervakar komplexa överföring genom detta feedline på en enda mikrovågsugn frekvenston på resonans. Här, är det optiska svaret observeras som en förändring i både amplituden och fasen hos transmissionen 5 (Figur 1). Frekvensdomän multiplexering system är i stånd att läsa ut grupper av tusentals resonatorer. 6-7
För att framgångsrikt utforma och genomföra supraledande-resonator baserad instrumentering, egenskaperna hos dessa resonansstrukturer måste karaktäriseras noggrant och effektivt. Till exempel, precisionsmätningar av brusegenskaper, faktorer kvalitet Q, resonansfrekvenser (inklusive deras temperaturberoende) och optiska svarsegenskaperna hos supraledande resonatorer önskas i samband med MKID komponentfysik, 8 kvantberäkning, 9 och fastställandet av låg- temperature material egenskaper. 10
I samtliga dessa fall är mätning av kretsens komplexa transmissionsspridningsparametrar önskas. Detta arbete är inriktat på bestämningen av resonatorn komplicerade transmissionskoefficienten, S 21, vars amplitud och fas kan mätas med en vektor nätverksanalysator (VNA). Helst skulle VNA referensplanet (eller testport) anslutas direkt till enheten under test (DUT), men en kryogen miljö kräver normalt användningen av ytterligare transmissionslinjestrukturer för att realisera en isolator mellan RT (~ 300 K) och den kalla steget (~ 0,3 K i detta arbete, se figur ure 2). Ytterligare mikrovågskomponenter, såsom riktningskopplare, cirkulatorer, isolatorer, förstärkare, dämpare, och tillhörande förbindelsekablar kan behövas för att på lämpligt sätt förbereda, excitera, läsa ut och förspänna enheten av intresse. Defas hastigheter och dimensioner av dessa komponenter varierar vid kylning från rum till låga temperaturer, och därför påverkar det observerade svaret vid enheten kalibreringsplanet. Dessa mellanliggande delar mellan instrumentet och enheten kalibreringsplanet påverkar komplexa förstärkning och måste ha lämpliga redovisas i tolkningen av den uppmätta svaret. 11
I teorin behövs ett system som sätter mätningsreferensplanet, identisk med den som användes under kalibreringen, vid DUT. För att nå detta mål, kan man mäta kalibreringsstandarder över flera cool-nedgångar; innebär dock detta begränsningar på stabiliteten i VNA och repeterbarheten av den kryogena instrumentet, som är svåra att uppnå. För att minska dessa problem, skulle man kunna placera nödvändiga standarder i den kylda testmiljön och växla mellan dem. Detta är till exempel, liknande det som finns i mikrovågsugn sondstationer, Där provet och kalibreringsstandarder kyls till 4 K av en kontinuerlig flytande helium flöde eller en sluten cykel kylsystem. 12 Denna metod demonstrerades vid under kelvin temperaturer, men kräver en låg effekt, högpresterande mikrovågsugn omkopplare i testband av intresse. 13
En in-situ kalibreringsproceduren är därför önskvärt som svarar för den instrumentella överföringssvars mellan VNA referensplanet och enheten kalibreringsplanet (fig ure 2) och som övervinner begränsningarna hos de ovan beskrivna metoderna. Detta kryogeniska kalibreringsmetod, presenteras och diskuteras i detalj i et al. Cataldo 11, gör att man kan karakterisera flera resonatorer över ett frekvensområde bred jämfört med resonator linjebredd och inter resonator avståndet med en noggrannhet på ~ 1%. Detta dokument kommer att fokusera på detaljerna i provtillverkning och prepdelser processer, experimentella provuppställning och mätning som används för att karakterisera supraledande mikrovågresonatorerna med plana linjegeometrier. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Den enkel flip tillverkningsprocessen ger ett medel för att realisera supraledande resonatorer på båda sidor av ett tunt 0,45-um enda kristall Si-substrat. Man kan motiveras att använda en enda kristall Si dielektrisk eftersom den har mer än en storleksordning lägre förlust än deponerade dielektrika (såsom Si 3 N 4) med förlustfaktorer i 4,0-6,5 GHz intervall <1 x 10 – 5. 23-24 förmågan att mönstret har på båda sidor av detta substrat gör att man kan använd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner finansieringsstöd från National Aeronautics and Space Administration (NASA) s RO och APRA program. GC erkänner också universitet Space Research Association för att administrera sin utnämning på 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).
