Fremstilling og karakterisering af superledende Resonatorer
Summary
Superledende mikroovn resonatorer er af interesse til påvisning af lys, kvante computing applikationer og materialer karakterisering. Dette arbejde præsenterer en detaljeret procedure for fremstilling og karakterisering af superledende mikroovn resonator sprednings- parametre.
Abstract
Superledende mikroovn resonatorer er af interesse for en bred vifte af applikationer, herunder for deres anvendelse som mikrobølge kinetisk induktans detektorer (MKIDs) til påvisning af svage astrofysiske signaturer, samt for kvantecomputere applikationer og materialer karakterisering. I dette papir, er procedurer præsenteres for fremstilling og karakterisering af tynd-film superledende mikroovn resonatorer. Fremstillingen metode muliggør realiseringen af superledende transmission line resonatorer med træk på begge sider af et atomisk glat enkelt-krystal silicium dielektrikum. Dette arbejde beskriver proceduren for installation af resonator enheder i en kryogene mikrobølge testbænk og cool-down under superledende overgang temperatur. Opsætningen af den kryogene mikrobølge testbed tillader en at gøre omhyggelige målinger af komplekse mikrobølge transmission af disse resonator enheder og muliggøre ekstraktionen af properties af de superledende linjer og dielektriske substrat (fx interne kvalitet faktorer, tab og kinetiske induktans fraktioner), som er vigtige for enhedens design og ydeevne.
Introduction
Fremskridt inden astrofysiske instrumentering har for nylig indført superledende mikroovn resonatorer til påvisning af infrarødt lys 1 -. 4 En superledende resonator vil reagere på infrarød stråling med energi E = hv> 2Δ (hvor h er Plancks konstant, v er strålingen frekvens og Δ er den superledende kløften energi). Når resonatoren afkøles til en temperatur et godt stykke under superlederen kritiske temperatur, denne indfaldende stråling lejligheder Cooper par i resonator volumen og genererer kvasipartikel excitationer. Stigningen i tætheden af kvasipartikel excitationer ændrer den kinetiske induktans, og dermed den komplekse overflade impedans af superlederen. Denne optiske respons observeres som et skift i resonansfrekvensen til lavere frekvens og en reduktion i kvaliteten faktor resonatoren. I den kanoniske udlæsning ordning for en mikrobølgeovn Køertic induktans detektor (MKID), er resonatoren koblet til en mikrobølgeovn feedline og man overvåger komplekse transmission gennem denne feedline på et enkelt mikrobølge frekvens tone på resonans. Her er den optiske respons observeret som en ændring i både amplituden og fasen af transmissionen 5 (figur 1). Frekvens-domænet multiplexing ordninger er i stand til at udlæse arrays af tusindvis af resonatorer. 6-7
For at kunne designe og implementere superledende-resonator-baserede instrumentering, egenskaberne af disse resonant strukturer skal karakteriseres præcist og effektivt. For eksempel, præcision målinger af støj egenskaber, kvalitet faktorer Q, resonansfrekvenser (herunder deres temperaturafhængighed) og optiske respons egenskaber af superledende resonatorer ønskes i forbindelse med MKID enhed fysik, 8 kvantecomputere, 9 og bestemmelse af lav- temperature materialer egenskaber. 10
I alle disse tilfælde, ønskes måling af banens komplekse transmission sprednings- parametre. Dette arbejde er koncentreret om bestemmelsen af resonatoren komplekse transmissionskoefficient, S 21, hvis amplitude og fase kan måles med en vektor Network Analyzer (VNA). Ideelt set ville VNA referenceplanet (eller test-port) være direkte forbundet til enheden under test (DUT), men en kryogene indstilling kræver normalt anvendelse af yderligere transmission line strukturer til at realisere en termisk pause mellem RT (~ 300 K) og den kolde fase (~ 0,3 K i dette arbejde, se figur ure 2). Ekstra mikroovn komponenter såsom retningskoblere, cirkulationspumper, isolatorer, forstærkere, dæmpere og tilhørende indbyrdes forbundne kabler kan være nødvendige for korrekt forberede, ophidse, udlæses og partiskhed enheden af interesse. Detfasehastigheder og dimensioner af disse komponenter varierer når køling fra rum til kryogene temperaturer, og derfor de påvirker den observerede respons på enhedens kalibrering flyet. Disse mellemliggende komponenter mellem instrumentet og enheden kalibrering flyet indflydelse det komplekse gain og har brug for at være passende tegnede sig for i fortolkningen af den målte respons. 11
I teorien er behov for en ordning, der sætter målingen referenceplanet, identisk med den anvendt under kalibreringen, ved DUT. For at nå dette mål, kunne man måle kalibreringsstandarderne over flere seje-downs; Men dette udgør begrænsninger på stabiliteten af VNA og repeterbarheden af den kryogene instrument, som er vanskelige at nå. For at afbøde disse bekymringer, kunne man stille de nødvendige standarder i den afkølede testmiljøet og skifte mellem dem. Dette er for eksempel i lighed med hvad der er fundet i mikrobølgeovn sonde stationer, Hvor prøven og kalibrering standarder afkølet til 4 K ved en kontinuerlig flydende helium flow eller et lukket kredsløb kølesystem. 12 Denne metode blev demonstreret på sub-Kelvin temperaturer, men kræver en energibesparende, højtydende mikrobølge kontakten i test bånd af interesse. 13
En kalibreringsprocedure in situ ønskes derfor som tegner sig for den instrumentelle transmission reaktion mellem VNA referenceplanet og enheden kalibrering planet (fig ure 2), og som overvinder begrænsningerne ved de ovenfor beskrevne metoder. Denne kryogene kalibrering metode, præsenteres og diskuteres i detaljer i Cataldo et al. 11, tillader en at karakterisere flere resonatorer over et frekvensområde bred sammenlignet med resonator linje bredde og inter-resonator afstanden med en nøjagtighed på ~ 1%. Dette papir vil fokusere på detaljerne i prøven fabrikation og prepredelsen processer, eksperimentelle test set-up og målemetoder der anvendes til at karakterisere superledende mikroovn resonatorer med plane line geometrier. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Den fælles-flip fabrikationsproces tilvejebringer et middel til at realisere superledende resonatorer på begge sider af et tyndt 0,45-um enkelt-krystal Si substrat. Man kan være motiveret til at bruge en enkelt-krystal Si dielektrikum fordi den har mere end en størrelsesorden lavere tab end deponerede dielektrikum (såsom Si 3 N 4) med tab tangenter i 4,0-6,5-GHz <1 x 10 – fem. 23-24 evnen til mønsteret funktioner på begge sider af dette substrat tillader en at ansæt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender midler støtte fra National Aeronautics and Space Administration (NASA) 's roser og Apra programmer. GC anerkender også den universiteter Space Research Association til administration hans udnævnelse 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).
