Summary
Süperiletken mikrodalga rezonatörler ışık, kuantum bilgi işlem uygulamaları ve malzeme karakterizasyonu tespiti için ilgi çekicidir. Bu çalışma imalat ve süperiletken mikrodalga rezonatör saçılma parametrelerinin karakterizasyonu için ayrıntılı bir prosedür sunar.
Abstract
Bir süper-iletken mikrodalga rezonatörler hafif Astrofiziksel imza tespiti için mikrodalga kinetik endüktans detektörleri (MKIDs) olarak kullanımları da dahil olmak üzere, hem de Kuantum işlem uygulamaları ve malzeme karakterizasyonu, geniş bir uygulama aralığı için ilgi çekmektedir. Bu yazıda, prosedürler ince film süperiletken mikrodalga Rezonatörlerin imalat ve karakterizasyonu için sunulmuştur. imalat yöntemi, bir atomik düz tek kristal silikon dielektrik her iki tarafında özellikleri ile iletim hattı rezonatörler süperiletken gerçekleştirilmesi için izin verir. Bu eser bir kriyojenik mikrodalga yatağıyla içine ve süperiletken geçiş sıcaklığının altında soğuma için rezonatör cihazlarının kurulumu için prosedürü açıklanmaktadır. kriyojenik mikrodalga yatağıyla set-up pr çıkarma sağlayan kimse bu rezonatör cihazlarının karmaşık mikrodalga iletimi dikkatli ölçümler yapmak için izin verirCihaz tasarımı ve performans için önemli olan süperiletken hatları ve dielektrik tabanın (örneğin, iç kalite faktörleri, kayıp ve kinetik indüktans fraksiyonların) 'nin zellikler.
Introduction
Astrofizik enstrümantasyon gelişmeler son zamanlarda kızılötesi ışık tespiti için süperiletken mikrodalga resonatöre girmiştik 1 -. 4 Bir süperiletken rezonatör enerji E kızılötesi radyasyon cevap verecek = hv> 2Δ (Δ olan h Planck sabiti, v radyasyon frekansı ve nerede süperiletken boşluk enerjisi). Rezonatör de süper-iletken kritik sıcaklığın altında bir sıcaklığa kadar soğutulur, bu gelen radyasyonun rezonans hacmi Cooper çiftleri kırar ve quasiparticle uyarımları oluşturur. quasiparticle zorlamalara yoğunluk artışı dolayısıyla süperiletken karmaşık yüzey empedansı kinetik endüktansı değiştirir ve. Bu optik cevap daha düşük frekansa rezonans frekansında bir değişim ve rezonatörün kalite faktörü bir azalma olarak görülmektedir. Bir mikrodalga kine için kanonik okuma-out şemadatlc endüktans dedektörü (MKID) rezonatör mikrodalga besleme hattı birleştirilir ve bir rezonans tek mikrodalga frekansı tonu bu besleme hattı boyunca, karmaşık iletim izler. Burada, optik cevap genlik ve iletim 5 (Şekil 1) aşamasında hem de bir değişiklik olarak görülür. Frekans alanı çoğullama düzenleri Rezonatörlerin binlerce dizileri dışında okuma yeteneğine sahiptirler. 6-7
başarılı bir şekilde tasarlamak ve süper-iletken-rezonatör tabanlı aletleri uygulamak için, bu rezonans yapıların özellikleri doğru ve verimli bir şekilde, özelliği gerekir. Örneğin, gürültü özelliklerinin hassas ölçümleri, kalite MKID cihaz fizik, 8 kuantum bilgisayar, 9 bağlamında ve düşük- belirlenmesinde istenen Q, (onların sıcaklık bağımlılığı dahil) rezonans frekansları ve süperiletken Rezonatörlerin optik cevap özelliklerini faktörleri temperature malzeme özellikleri. 10
Tüm bu durumlarda ise, devrenin karmaşık iletim saçılma parametrelerinin ölçümü arzu edilir. Bu eser, rezonatör karmaşık iletim katsayısının belirlenmesi üzerinde yoğunlaşmaktadır olan genlik ve faz bir vektör ağ analizörü (VNA) ile ölçülebilir 21, S. İdeal olarak, VNA referans düzlemi (veya test noktası) doğrudan testi (DUT) altında cihaza bağlı olacak, ama bir kriyojenik ayar normalde RT arasında bir termal mola (~ 300 K) gerçekleştirmek için ek iletim hattı yapılarının kullanımını gerektirir ve soğuk aşaması (Bu çalışmada ~ 0.3 K; Şekil ure 2). Böyle yönlü kuplörler, sirkülatörler, izolatörler, amplifikatörler, zayıflatıcılar ve ilişkili birbirine kablolar gibi ek mikrodalga bileşenleri uygun hazırlamak, heyecanlandırmak, ilgi cihazı okumak ve önyargı gerekebilir.kriyojenik sıcaklıklara oda soğutma sırasında faz hızları ve bu bileşenlerin boyutları değişebilir ve bu nedenle cihazın kalibrasyon düzleminde gözlemlenen tepki etkiler. Alet ve cihaz kalibrasyon uçağı etkisi karmaşık kazanç arasındaki bu müdahale bileşenler uygun ölçülen tepki yorumlanmasında hesaba olması gerekir. 11
Teorik olarak, bir düzen DUT kalibrasyon sırasında kullanılan birine benzer ölçüm referans düzlemi, ayarlar gereklidir. Bu hedefe ulaşmak için, bir çoklu serin-çıkışlar üzerinde kalibrasyon standartları ölçebilir; Ancak, bu elde etmek zordur VNA istikrar ve kriyojenik enstrümanın tekrarlanabilirliği kısıtlamalar, pozlar. Bu kaygıları azaltmak için, bir soğutulmuş test ortamında gerekli standartları yerleştirmek ve aralarında geçiş olabilir. mikrodalga prob istasyonlarında bulunan ne buna benzer, örneğin, bir, Örnek ve kalibrasyon standartları 12 Bu yöntem, alt kelvin sıcaklıklarında gösterilmiştir. Sürekli sıvı helyum akımı veya kapalı devre soğutma sistemi tarafından 4 K soğutulmuş ama düşük güç, yüksek performanslı mikrodalga anahtarı gerektirir nerede Test ilgi bant. 13
Bir in-situ kalibrasyon prosedürü nedenle VNA referans düzlemine ve yukarıda tarif edilen yöntemlerden sınırlamalarının üstesinden cihazın kalibrasyon düzleminin (Şekil-2'de) arasında aracı iletim yanıt oluşturan arzulanan edilir. Bu kriyojenik kalibrasyon yöntemi, sunulan ve Cataldo ve ark., 11 ayrıntılı olarak ele bir geniş ~% 1 hassasiyetle rezonatör çizgi genişliği ve inter-rezonatör aralığına göre frekans aralığında birden rezonatörler karakterize etmesine olanak sağlar. Bu yazıda örnek üretim ve hazırlık detayları üzerinde durulacakpreparasyonu süreçleri, deneysel test set-up ve ölçüm prosedürleri düzlemsel hat geometrileri ile süperiletken mikrodalga rezonatörleri karakterize etmek için kullanılan. 11
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Mikroşerit Hat rezonatör Fabrikasyon 14 (Şekil 3)
- H 2 O 2 (3: 1) 10 dakika boyunca taze karışık H 2 SO 4 ile, 0.45 mikron kalınlığında silikon cihaz tabakası olan bir silikon üzerinde yalıtkan (SOI) gofret, temizleyin. Sonra bir azot tabancası ile, 10 dakika, kuru için deiyonize su içinde gofret yıkayın. HF (10: 1), daha sonra işleme hemen önce, H2O gofret daldırma 10 saniye ve 5 dakika boyunca iyonu giderilmiş su içinde durulayın.
- Bir germanyum (Ge) S-1811 olarak olumlu / fotorezist oluşan bir asansör-off maskesi Üretiyor. 15
- Spin-kat inceltilmiş pozitif fotorezist çift katlı (2 parça tiner-P: 1 kısım pozitif fotorezist) ile gofret 30 sn ve daha sonra elektron ışını mevduat Ge için 4000 rpm'de.
- İlk 1 dakika süreyle gofret ve heksametildisilazan (HMDS) uygulanması ve daha sonra 30 saniye için 3,000 rpm'de aşırı kapalı dönmeye fotoğraf-litografi kullanarak Desen Ge.
- spi30 saniye için 2.000 rpm'de ve 110 ° C de 1 dakika süre ile bir sıcak plaka üzerinde fırında n pozitif fotorezist (1 parçası pozitif fotorezist 2 parça ince-P) inceltilmiş. ışığa maruz ve bir tetrametil amonyum hidroksit bazlı solüsyon ile karşı geliştirmek sprey bir maske hizalama kullanın.
- Reaktif iyon fotorezist alttan ulaşmak için O 2 plazma ile ışığa yatan 70 W. Ash bir SF 6 / O 2 plazma ile Ge etch.
- 500 W ve 4 saat süreyle bir aseton dolu beher içine gofret yerleştirerek onu kaldırın argon 3.7 mT (Ar) ile DC-magnetron püskürtme ile mevduat niyobyum (Nb) toprak düzlemi.
- Spin-kaplama bisbenzocyclobutene (BCB) SOI gofretin Nb kaplı yüzey üzerine 30 saniye için 4000 rpm'de ve başka bir silikon göbeğin bir yüzeye. 200 ° C de basınç 3 bar ile birlikte, iki BCB kaplı yüzeylerin yapıştırılması.
- El ile ters çevirme gofret yığını SOI gofret ters işleme başlayacak.
- Bosch işlemini kullanarak derin reaktif iyon dağlama ardından Al 2 O 3 bulamaç kullanarak mekanik alıştırma ile silikon sap gofret etch 16 Asitli H2O ile gömülü SiO 2 kat:. HF (10: 1) 20 dakika boyunca.
- Deposit molibden nitrit W 700 ve 3.3 mT doğru akım manyetik reaktif saçma kullanılarak (Mo 2 N) (Ar: N2 kısmi basıncı = 7: 1). 30 saniye için 2.000 rpm'de: 30 saniye için 2.000 rpm'de eğirme ve bükme ve ardından 2 dakika boyunca 180 ° C 'de pişirme kalıbı rezonatörler pozitif fotorezist (1 parçası pozitif fotorezist 2 parça ince-P) inceltilmiş. reaktif iyon etcher bir tetrametil amonyum hidroksit tabanlı bir çözüm ve kül ışığa geliştirin. Fosforik asit bazlı solüsyon ile Mo 2 N etch.
- 2 dk elektron ışını dep ardından 30 saniye boyunca 5000 rpm'de polimetilmetakrilat (PMMA) üzerinde eğirme ve 180 ° C'de onu pişirme bir Ge / PMMA iki tabakalı oluşan bir asansör-off maske ÜretiyorGe konumumuzu. Nb iletim hatlarını kiralık Püskürtme ve aseton içinde kaldırın (pozitif fotorezist PMMA ile sübstitüe edilmiş olması dışında, 1.2 adım bakınız).
- Bazı düzenlemeler, radyo frekans (RF) pozitif fotorezist ile iplik SiO 2, desen it-mevduat sputter ve hidroflorik asit bazlı çözelti içinde etch. Adım 1.2 detaylı olarak Sonra, bir germanyum / pozitif fotorezist havalanış maskesi kullanarak bir püskürtme-yatırılır Nb ince film kaldırın.
Deney Paket Mikrodalga rezonatör Chip montajı için 2. Prosedür
- Tasarım ve makine altından teşekkül eden bir test paketi (Au) kaplı bakır boşluk rezonatörü çip boyutları, besleme hattı giriş ve çıkış yerleri uygundur (bir baz ve kapak ile birlikte). Not: yuva boşluğu boyutu ilgi bandının minimal parazitli bağlama ile tek-modlu çalışma destek belirtilmelidir.
- Tasarım ve kontrollü empedans mikrodalga fan ou imalyönlendirmek için t kurulu 17 çip ve Alt Minyatür versiyon A (SMA) konnektörleri arasındaki sinyaller.
- merkez iletken pimi ilgili fan-out kurulu temas pedi üzerinde hizada olacak şekilde deney paketi giriş ve çıkış içine SMA konnektörleri takın. kısaltmasına karşı korumak ve merkez iletken pimi bölgesinde lehim uygulamak için bir lehim maskesi uygulayın. lehim eritmek için ~ 5 dakika süreyle 200 ° C'ye bir sıcak plaka ve ısı paketi yerleştirin. soğumasını bekleyin ve ardından lehim maskesi çıkarın.
- Au kaplı bakır paket boşluğuna gibi on-chip besleme hattı çıkış ve giriş yastıkları ilgili fan-out kurulu koplanar yakın ve uyumlu olduklarını (CPW) hatları içine rezonatör çip monte edin. çipin köşelerinde kenarlarında temas bakır klipleri ile çip sabitleyin.
- iletişim yastıkları fan-out kartı arasında ve on-chip Al tel bağları süperiletken yerleştirin. Burada sunulan durumunda maksimum sayıda (~ 4 yerleştirin - bkz
- tel bağlama sonra, bir multimetre ile giriş ve çıkış konnektörleri merkezi pimleri arasındaki DC direnci kontrol ve merkez aksının ile toprak arasında, onaylamak için iki merkez pimleri arasında bir elektrik bağlantısı ve merkezi arasında açık bir bağlantı vardır çizgi ve zemin.
Bir Kriyojenik Helium-3 Mikrodalga yatağıyla Mikrodalga Resonator Kurulum için 3. Prosedür
- SMA kablolar bir dizi cihazın monte edilecektir 0.3-K, soğuk aşamaya RT iletilir ve Şekil 2'de gösterilen konfigürasyonda, olduğu gibi test yatağı monte edin.
- , Düşük mikrodalga kaybını sağlamak için, Şekil 2'de gösterildiği gibi, bakır (Cu) ve süper-iletken niyobyum-titanyum (NBTI) kablolarını veNBTI kabloları, düşük bir termal iletkenlik durumda. 2-K ve 0.3-K aşamaları arasında bir termal mola olarak NBTI kabloları kullanın.
- rezonatör cihazın bandında düşük gürültü amplifikasyonu için çıkış hattı üzerinde 2-K aşamada bir kriyojenik yüksek elektron hareketlilik transistör (HEMT) amplifikatör monte edin ve bir sirkülatör yükleyin.
- Bu amplifikatör giriş çıkış hattı üzerinde bir kriyojenik sirkülatör yerleştirin.
- 0.3-K soğuk aşamaya cıvatalı bir dirsek üzerine paketlenmiş rezonatör cihazları monte edin.
- eşleşti fesih sağlamak ve bu zayıflatıcı giriş ve paket çıkışına uygun SMA kablolarını bağlamak için paketin giriş tarafında bir mikrodalga zayıflatıcı bağlayın. Bu kontrollü empedans sonlandırmaları iyi eşleşti ve mümkün olduğunca test edilen cihaza yakın olduğundan emin olun - onlar "Cihaz Kalibrasyon düzlemini" define (bakınız Şekil 2).
- Kriyostat kadar yakın. Cihazı soğutmak için standart prosedürü izleyin0,3 K. s
Mikrodalga Rezonatörü Ölçümleri 4. Prosedürü
- Cihaz-under-testi tasarım frekanslarında - (burada kabul cihaz için, 8 GHz 10 MHz) geniş bir frekans bandı üzerinde tarama yapmak VNA ayarlayın. test edilen cihaza uygun seviyelere VNA güç seviyelerini ayarlayın (~ -30 dBm, burada ele aygıt için).
NOT: süperiletken mikrodalga rezonatör ve süperiletken besleme hattı kritik akım geçmeyecek şekilde giriş RF güç seviyesi yeterince düşük olduğundan emin olun. güç seviyesi yeterli bir sinyal-noyz oranının temin edilmesi için yeterince yüksek olmasını sağlamak. - VNA kılavuzunda bulunan VNA yazılım yönergeleri izleyerek, standart Kısa Açık Yük-Thru (SOLT) prosedürü izleyerek, esnek RF kabloları ayarlayın. Daha sonra girişine bağlanacak vektör ağ analizörü rota ve esnek kabloların her çıkışında, sonlandırıldı, kısa devre, açık ve standartlara sokmak eklemeölçümler için kriyostat. Bu kalibrasyon "alet referans düzlemini" tanımlar (örneğin, bakınız Şekil 2).
- Bu SOLT kalibrasyonu ardından, sokmak hattı ile iletim, S 21, VNA ile ölçülen şekilde bağlanmış onaylayarak kalibrasyon sadakat doğrulamak, düşük kalıntı hatalar var (yani, tepki ~ 0 dB seviyesinde ve S 11 ve S olan 22) ≤ -50 dB, örneğin, düşüktür.
- kriyostat giriş ve çıkış hatları esnek kabloları takın.
- Mikrodalga amplifikatör şirket tarafından sağlanan belgelerde belirtildiği gibi gerekli DC ön gerilim uygulanarak kriyojenik mikrodalga amplifikatörü açın.
- Birincisi, VNA bir geniş bant taraması (10 MHz - 8 GHz, burada ele aygıt için) tamamlamak S 21 temel yapısını gözlemlemek ve keskin yüksek Q bakmak için </ Em> mikrodalga Rezonatörlerin göstergesidir yapıları.
- Ardından, frekans aralığını (~ 2 - 4 GHz, burada ele aygıt için) dar ve rezonatör bant üzerinde tarama yapmak VNA arasında (burada ele cihaz için ~ 30.000) veri noktalarının sayısını ayarlayın. Bir in-situ kalibrasyonunu gerçekleştirmek için bu taban daha sonra uyuyor için yeterli bir temel yayılma sağlamak için yeterince geniş bir frekans bandı kullanın (Giriş tartışmaya bakınız).
NOT: gürültü seviyesine bağlı olarak, ortalamalar sayısını artırmak ya da sinyal-gürültü artırmak için IF bant genişliğini azaltır. - Sonrası ölçüm in-situ kalibrasyon, analiz ve kalite faktörleri ve rezonans frekansları çıkarılması için dosya karmaşık iletim verilerinin bu VNA veri taramaları kaydedin. 11
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
0.45 mikron tek kristal silisyum dielektrik fabrikasyon bir yarım dalga Mo 2 N rezonatör (Şekil 5) tepki bu metodoloji ile doğrulanmıştır. Bu durumda, bir Nb koplanar kuplaj (CPW) besleme hattı için Okuması rezonatörün açık uçlarından birinde bölgesi şeklinde "H", bir püskürtme-tevdi SiO2 dielektriğinden geçen kapasitif kuplaj ile elde edilir (bkz protokol bölüm 1.6). Diğer örneklerde, feedlines kapasitif kuplaj Nb zemin düzlemine bölgeleri çıkarılması ile elde edilmiştir. Şekil 5'te gösterilen rezonans sunulan imalat tekniği alt-tabaka yüzeyine pürüzlendirme olmadan gerçekleşecek bir ultra-ince tek kristal silikon tabakasının her iki yüzüne de mikroskopik süper-iletken devre için engel olmadığını göstermektedir. Bu rezonatörler bir MKID en kritik bileşeni temsil ve bu tekniğin iyi kontrol sağlarbunların bütünlüğü.
Açıklanan kriyojenik ölçüm yaklaşımı tek bir mikrodalga besleme hattı bağlanmış yedi Mo 2 N rezonatörler ile bir cihaza uygulandı. Şekil 6'da, bir frekans fonksiyonu olarak VNA referans düzlemine bu cihazda ölçülen iletim katsayısı büyüklüğü S 21 gösterilmiştir. Burada, bunların rezonans frekansları her RESONATOR'lerin mikrodalga güç birleştirme ve böylece iletim büyüklükte bir daldırma görülür. Karşılıklı rezonatörlerin etkileşimi, ve süreklilik ile etkileşimi bir Fano spektral tepki ile sonuçlanabilir 18 -. 22 Bu etki, aynı zamanda deneysel olarak nispeten geniş Fabry-Perot ile rezonatörler arasında bir etkileşim gözlenebilir sonucu yankılardan sistemde duran dalgalar. Bu tür yansımalar glikozu baskın spektral varyasyon üretmekBurada tarif edilen test yapılandırması için ved enstrüman temel. Bu yolla toplanan veriler ayrıntılı rezonatör ve ilgi elektromanyetik parametrelerinin bu etkileşimlerin etkilerini ortadan kaldırmak ve çıkarmak için bir in-situ kalibrasyon yöntemi izlenerek analiz edilebilir.
Bir rezonatör Şekil 1. spektral tepkisi. Siyah çizgi 0 f frekansta bir rezonans ile karanlıkta bir rezonatör iletim genliği gösterir. Quasiparticle yoğunluk artışı aynı anda sinyal (kesikli çizgi) genliğini değiştirirken., 0 -δ f f, daha düşük bir frekansa geçmek için f 0 rezonans neden büyük halini görmek için tıklayınızbu rakamın.
Deneysel set-up Şekil 2. şematik. Test edilen cihaz bağlantı kapasitörler, C a ile c mikrodalga Nb besleme hattı bağlanmış birden Mo 2 N Rezonatörlerin oluşmaktadır. Basamaklı empedans rezonatörler düşük ve yüksek empedans mikroşerit iletim hatlarından yapılmaktadır. Rezonatör minyatürünü ve uzak onun temel rezonans frekansı onun harmonik rezonans frekansları artırmak için tasarlanmıştır 11. besleme hattı boyunca transmisyon yanıtı kabloları ve diğer bileşenler ile DUT bağlı bir VNA ölçülür. Cataldo ve ark. 11 Modifiye bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
: Keep-together.within-page = "1"> 
Şekil 3. mikroşerit rezonatör üretim akışı. Bu şematik Bu işlem, bir ultra-ince tek kristal silikon dielektrik tabakanın her iki tarafına da süper-iletken devre imal etmek için bir araç sağlar Protokol 1 'de özetlenmiştir imalat süreci gösterilmektedir. Patel ve ark., 14 modifiye bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Pakette monte rezonatör çip bir ucunun Şekil 4. Mikrografik. Çip üzerinde CPW Nb besleme hattı ve bir off-çip fan-out kartı arasında Al tel bağ bağlantıları görülebilir.4large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Okuması için Nb besleme hattı bağlanmış Mo 2 N mikro mikrodalga rezonatörün Şekil 5. Mikrografı. CPW besleme hattı H-şekilli birleştirme bölgesi şeklin üst kısmında yer alır ve bir oksit tabakasının üzerinde yer almaktadır. Şeklin alt kısmında bulunan Y biçimli yapının bir mikro iletim hattına gofret diğer cihazlarda rezonatörlerin bazı bağlanması için kullanılır. Rezonatör tasarımı hakkında daha fazla detay ve ark Cataldo ve ark. 11 ve Patel bulunabilir. 14 bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Frekansın bir fonksiyonu olarak Şekil 6. Ölçülen iletim, S 21, (genlik sadece) tek bir mikrodalga besleme hattı bağlanmış 7 Mo 2 N rezonatörler gösteren. Bu veriler bir VNA kullanarak 0.3 K kriyojenik yatağıyla alınmıştır. Için tıklayınız Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
tek çevirme fabrikasyon işlemi ince 0.45 mikron tek kristal Si alt-tabakanın her iki tarafına da süper-iletken rezonatörler gerçekleştirmek için bir araç sağlar. Biri 1 x 10 4,0-6,5 GHz frekans aralığında <kaybı teğet ile (örneğin Si 3 N 4 gibi) yatırılan dielektrikler daha büyüklüğünü daha düşük kayıp bir sipariş daha var, çünkü tek kristal Si dielektrik kullanmak için motive olabilir - Bu alt-tabaka, bir ışık ve düşük rezonans-to-rezonatörün karışma saptırır iyi bir bağışıklık sağlayan bir Mikroşerit rezonans tasarım kullanmasına izin vermektedir desen 5. 23-24 yeteneği her iki tarafta bulunmaktadır. Yüzeyinin herhangi bir pürüzlendirme süperiletken Nb ince film desen sırasında oluşur tarif fırlatma tekniği, Si yüzeyin bütünlüğünün muhafaza edilmesini sağlar. 15 Bu üretim işlemi, bir süper-iletken Mikroşerit yapısına sahip yapıların çeşitli için kullanılabilir ve beklenen future uygulamaları uzak kızılötesi spektrometre için kullanmayı içerir. 25 Ana sınırlama yüzeylerde tutkal kullanılan BCB birlikte işleme sıcaklığında (~ 250 ° C) bir üst limit koyar olmasıdır.
Protokol bölümünde tarif edildiği gibi, bu rezonans aygıtları kompleks iletim kriyojenik ölçümleri, bir süper-iletken ve dielektrik alt-tabaka malzemeleri için temel malzeme parametreleri ayıklamak için ve / veya uzak kızılötesi ışığa kendi yanıtını izlemek için. Ancak test set-up kalibrasyon ve hazırlık bu maddi parametrelerin kesin çekimi yapmak için yeteneği çok önemlidir. Standart bir SOLT kalibrasyon yöntemi kriyostat girişine VNA esnek SMA kablolar yoluyla iletim kalibre etmek için kullanıldı. Cihaz girişindeki RF zayıflatıcı varlığı ve cihaz çıkışındaki sirkülasyon eşleşti sonlandırma sağlamak için gereklidir. Post-ölçüm kalibrasyonu carri olabilired dışarı Cataldo et al in-situ kalibrasyon prosedürü izleyerek. 11 Bu in-situ kalibrasyon prosedürü (Şekil. 2 "cihaz kalibrasyon düzlemi" etiketli) cihaz giriş ve çıkışına referans düzlemini taşır. Protokol bölüm 4 Adım 6'da, veri noktalarının optimal spektral aralık ve sayı yeterli dar rezonatör yapılarının örnekleme değil, aynı zamanda bazal sağlamak için rezonatörler ötesinde bir yayılma hem de sağlayan, kayıt altına alınmalıdır dikkat edilmelidir doğru kaldırılacak. Uzakta Rezonatörlerin gelen, bazal böylece gözlenen tepki türetilen parametreler hata azaltarak, tarafsız bir genlik kalibrasyonu ulaşmak için yeterince Bağlamadan olur.
In-situ VNA verilerini kalibre etmek için, aşağıdaki adımlar gerçekleştirilir: Fiziksel bazal yanıt motive analitik modeli ile karmaşık taban 1) Fit; 2) Normalizauzak Rezonatörlerin dan birine eşit olması için iletim genliği zorlayarak Şanzımanın gerçek ve hayali parça tion; Karmaşık bazal uyum dışarı bölerek DUT de kazanç ve referans düzleminin taşınması varyasyonları için 3) Düzeltme.
Bu kalibrasyon adımları ayrıntıları Sec bulunabilir. Cataldo ve ark. Veri kalibre edildikten sonra 11 IV, rezonatörler iki yoldan biriyle örnek alınabilir. İlk olarak, fiziksel olarak gerçekleşebilir rasyonel fonksiyonlar dayalı bir fenomenolojik bir model açıkça devre ağı belirtmeden% 1 hassasiyetle Resonators 'merkez frekansları ve genişlikleri okunmasını sağlar (Sn. Cataldo ve ark., 11 V). İkinci olarak, dağıtılan iletim hattı devresinin bir ABCD-matris gösterimi ile, γ, karakteristik empedansları, Z, ve yayılma sabitleri gelen gözlenen tepki modelleme sağlarCihaz geometri detaylı bilgi (örneğin, çizgi uzunlukları, l -. Şekil 2). Z ve y yoluyla malzemenin dielektrik ve geçirgenlik arasındaki elektromanyetik kurucu ilişkiler için kendinden tutarlı kısıtlamalar elektromanyetik simülasyonlar (bkz: Sn ile birleştiğinde bu tür% 2 hassasiyetle Resonators 'kinetik endüktans fraksiyonu ve etkili indeksi gibi parametreleri ayıklamak için uygulanır. Cataldo ve ark., 11) VI. Bu devrenin iç yapısını incelemek sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarları olduğunu beyan ederim.
Acknowledgments
Yazarlar Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) 'nın GÜL ve APRA programlarından finansman desteği kabul. GC ayrıca NASA yaptığı randevu verilmesi için Üniversiteler Uzay Araştırma Derneği kabul eder.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Protocol Section 1 | |||
| 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 | |
| Protocol Section 2 | |||
| GE 7031 | General Electric | Low-temperature adhesive | |
| Protocol Sections 3-4 | |||
| Cryogenic Microwave Amplifier | MITEQ | AF S3-02000400-08-CR-4 | 2-4 GHz, gain ~30 dB |
| 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. , California Institute of Technology. Pasadena, California. (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).
- High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique. Brown, A., Patel, A. , 9076658 B1 (2015).
- Method of anisotropically etching silicon. Laermer, F., Schlip, A. , U.S. Patent No. 5501893 (1996).
- Chen, D., Wang, Q., Shen, Z.
- 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).
