Summary
अतिचालक माइक्रोवेव resonators प्रकाश, क्वांटम कम्प्यूटिंग अनुप्रयोगों और सामग्री लक्षण का पता लगाने के लिए ब्याज की हैं। इस काम के निर्माण और अतिचालक माइक्रोवेव गुंजयमान बिखरने मापदंडों के लक्षण वर्णन के लिए एक विस्तृत प्रक्रिया प्रस्तुत करता है।
Abstract
अतिचालक माइक्रोवेव resonators क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों और सामग्री लक्षण वर्णन बेहोश एस्ट्रोफिजिकल हस्ताक्षर का पता लगाने के लिए माइक्रोवेव गतिज अधिष्ठापन डिटेक्टरों (MKIDs) के रूप में उनके उपयोग के लिए सहित, साथ ही साथ के लिए आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए ब्याज की हैं। इस पत्र में, प्रक्रियाओं निर्माण और पतली फिल्म अतिचालक माइक्रोवेव resonators के लक्षण वर्णन के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं। निर्माण कार्यप्रणाली एक atomically चिकनी एकल क्रिस्टल सिलिकॉन अचालक के दोनों किनारों पर सुविधाओं के साथ संचरण लाइन resonators superconducting की प्राप्ति के लिए अनुमति देता है। यह काम एक क्रायोजेनिक माइक्रोवेव testbed में और अतिचालक संक्रमण तापमान नीचे शांत डाउन के लिए गुंजयमान यंत्र उपकरणों की स्थापना के लिए प्रक्रिया का वर्णन करता है। क्रायोजेनिक माइक्रोवेव testbed के सेट-अप जनसंपर्क की निकासी के लिए सक्षम करने, एक इन गुंजयमान यंत्र उपकरणों की जटिल माइक्रोवेव संचरण से सावधान माप करने की अनुमति देताsuperconducting लाइनों और अचालक सब्सट्रेट (जैसे, आंतरिक गुणवत्ता कारकों, हानि और गतिज अधिष्ठापन अंशों) है, जो डिवाइस डिजाइन और प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं operties।
Introduction
एस्ट्रोफिजिकल इंस्ट्रूमेंटेशन के क्षेत्र में अग्रिम हाल ही में अवरक्त प्रकाश का पता लगाने के लिए अतिचालक माइक्रोवेव resonators पेश किया है 1 -। 4 एक अतिचालक गुंजयमान ऊर्जा ई की अवरक्त विकिरण का जवाब देंगे = एचवी> 2Δ (Δ है जहाँ ज प्लैंक स्थिरांक, वी विकिरण आवृत्ति है और अतिचालक खाई ऊर्जा)। गुंजयमान यंत्र अच्छी तरह superconductor महत्वपूर्ण तापमान से नीचे के तापमान को ठंडा किया जाता है, इस घटना विकिरण गुंजयमान मात्रा में कूपर जोड़े टूट जाता है और quasiparticle excitations उत्पन्न करता है। quasiparticle excitations के घनत्व में वृद्धि superconductor के जटिल सतह प्रतिबाधा गतिज अधिष्ठापन बदलता है, और इस तरह। इस ऑप्टिकल प्रतिक्रिया कम आवृत्ति को अनुनाद आवृत्ति में एक पारी और गुंजयमान यंत्र की गुणवत्ता कारक में कमी के रूप में मनाया जाता है। एक माइक्रोवेव गायो के लिए विहित पढ़ने के लिए बाहर योजना मेंटिक अधिष्ठापन डिटेक्टर (MKID), गुंजयमान यंत्र एक माइक्रोवेव feedline के लिए युग्मित है और एक प्रतिध्वनि पर एक भी माइक्रोवेव आवृत्ति स्वर में इस feedline के माध्यम से जटिल संचरण नजर रखता है। इधर, ऑप्टिकल प्रतिक्रिया दोनों आयाम और ट्रांसमिशन 5 (चित्रा 1) के चरण में एक परिवर्तन के रूप में मनाया जाता है। आवृत्ति डोमेन बहुसंकेतन योजनाओं resonators के हजारों की सरणियों बाहर पढ़ने में सक्षम हैं। 6-7
सफलतापूर्वक डिजाइन और अतिचालक-गुंजयमान यंत्र आधारित इंस्ट्रूमेंटेशन को लागू करने के लिए, इन गुंजयमान संरचनाओं के गुणों को सही ढंग से और कुशलता होती जा करने की जरूरत है। उदाहरण के लिए, शोर संपत्तियों की सटीक माप, गुणवत्ता Q, प्रतिध्वनि आवृत्तियों (उनके तापमान निर्भरता सहित) और अतिचालक resonators की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया गुण कारकों MKID उपकरण भौतिकी, 8 क्वांटम कंप्यूटिंग, 9 के संदर्भ और कम के निर्धारण में वांछित हैं तेmperature सामग्री गुण। 10
इन सभी मामलों में, सर्किट की जटिल संचरण बिखरने मापदंडों के माप वांछित है। यह काम करते हैं, गुंजयमान यंत्र की जटिल संचरण गुणांक के निर्धारण पर केंद्रित 21, जिसका आयाम और चरण एक वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक (VNA) के साथ मापा जा सकता है। आदर्श रूप में, VNA संदर्भ विमान (या परीक्षण बंदरगाह) सीधे परीक्षण (DUT) के तहत डिवाइस से जुड़ा होगा, लेकिन एक क्रायोजेनिक सेटिंग सामान्य रूप से आर टी के बीच एक थर्मल तोड़ (~ 300 कश्मीर) का एहसास करने के लिए अतिरिक्त संचरण लाइन संरचनाओं के उपयोग की आवश्यकता है और ठंड चरण (इस काम में ~ 0.3 कश्मीर अंजीर ure 2 देखें)। ऐसे दिशात्मक कप्लर्स, circulators, isolators, एम्पलीफायरों, attenuators, और संबंधित परस्पर केबलों के रूप में अतिरिक्त माइक्रोवेव घटकों उचित रूप से तैयार करते हैं, उत्तेजित, ब्याज की युक्ति बाहर पढ़ सकते हैं और पूर्वाग्रह की जरूरत हो सकती है।चरण वेग और इन घटकों के आयाम भिन्न हो जब क्रायोजेनिक तापमान के कमरे से ठंडा है, और इसलिए वे इस उपकरण अंशांकन विमान में मनाया प्रतिक्रिया प्रभावित करते हैं। साधन और डिवाइस अंशांकन विमान प्रभाव जटिल लाभ और बीच ये बीच के घटकों को उचित मापा प्रतिक्रिया की व्याख्या के लिए जिम्मेदार होने की जरूरत है। 11
सिद्धांत रूप में, एक योजना की जरूरत है कि माप संदर्भ विमान, अंशांकन के दौरान कार्यरत एक, DUT पर करने के लिए समान सेट। इस लक्ष्य तक पहुंचने के लिए, एक कई शांत-चढ़ाव के ऊपर अंशांकन मानकों उपाय कर सकता है; हालांकि, इस VNA की स्थिरता और क्रायोजेनिक साधन के repeatability पर बाधाओं, जो प्राप्त करने के लिए मुश्किल हो जाता है बन गया है। इन चिंताओं को कम करने के लिए, एक ठंडा परीक्षण वातावरण में आवश्यक मानकों जगह है और उन दोनों के बीच स्विच कर सकता। यह उदाहरण के लिए इसी तरह के लिए है, क्या माइक्रोवेव जांच स्टेशनों में पाया जाता है, जहां नमूना और अंशांकन मानकों को एक सतत प्रवाह तरल हीलियम या एक बंद चक्र प्रशीतन प्रणाली द्वारा 4 कश्मीर को ठंडा कर रहे हैं। 12 इस विधि उप केल्विन तापमान पर प्रदर्शन किया गया था, लेकिन एक कम शक्ति, उच्च प्रदर्शन माइक्रोवेव स्विच की आवश्यकता है परीक्षण के हित के बैंड। 13
एक में सीटू अंशांकन प्रक्रिया इसलिए वांछित जो VNA संदर्भ विमान और डिवाइस अंशांकन विमान (छवि Ure 2) और जो ऊपर वर्णित विधि की सीमाओं पर काबू के बीच महत्वपूर्ण भूमिका निभाई संचरण प्रतिक्रिया के लिए खातों है। यह क्रायोजेनिक अंशांकन विधि, प्रस्तुत किया है और Cataldo एट अल। 11 में विस्तार से चर्चा की, एक एक आवृत्ति रेंज पर कई resonators को चिह्नित करने के लिए विस्तृत गुंजयमान लाइन चौड़ाई और ~ 1% की सटीकता के साथ अंतर-गुंजयमान रिक्ति की तुलना में अनुमति देता है। इस पत्र नमूना निर्माण और प्रस्तुत करने के विवरण पर ध्यान दिया जाएगाaration प्रक्रियाओं, प्रायोगिक परीक्षण सेट-अप और माप प्रक्रियाओं तलीय लाइन geometries के साथ अतिचालक माइक्रोवेव resonators को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया। 11
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Protocol
1. microstrip लाइन गुंजयमान यंत्र निर्माण 14 (चित्रा 3)
- एक सिलिकॉन पर इन्सुलेटर (एसओआई) मे, जो एक 0.45 माइक्रोन मोटी सिलिकॉन डिवाइस परत है साफ, हौसले से मिश्रित एच 2 अतः 4 के साथ: एच 2 ओ 2 (3: 1) 10 मिनट के लिए। फिर 10 मिनट के लिए और एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ सूखे के लिए विआयनीकृत पानी में वेफर कुल्ला। तुरंत पहले बाद में प्रसंस्करण के लिए, एच 2 ओ में वेफर डुबकी: एचएफ (10: 1) के लिए 10 सेकंड और 5 मिनट के लिए विआयनीकृत पानी में कुल्ला।
- एक लिफ्ट बंद मुखौटा, एक जर्मेनियम (जीई) इस तरह के एस 1811 के रूप में / सकारात्मक photoresist के होते हैं जो बनाना। 15
- स्पिन कोट पतला सकारात्मक photoresist bilayer (2 भागों में पतली-पी: 1 हिस्सा सकारात्मक photoresist) के साथ वेफर के लिए 30 सेकंड और उसके बाद इलेक्ट्रॉन बीम जमा जीई 4000 rpm पर।
- पैटर्न जीई पहले 1 मिनट के लिए वेफर पर (HMDS) hexamethyldisilazane को लागू करने के लिए और फिर 30 सेकंड के लिए 3000 rpm पर बंद अतिरिक्त स्पिन द्वारा फोटो-लिथोग्राफी का उपयोग कर।
- एसपीआई30 सेकंड के लिए 2000 rpm पर और 110 डिग्री सेल्सियस पर 1 मिनट के लिए एक गर्म थाली पर यह सेंकना: n पर सकारात्मक photoresist (1 हिस्सा सकारात्मक photoresist 2 भागों में पतली-पी) पतला। photoresist को बेनकाब करने और विकसित करने के लिए एक tetramethyl अमोनियम हाइड्रॉक्साइड आधारित समाधान के साथ विरोध स्प्रे करने के लिए एक मुखौटा aligner का प्रयोग करें।
- रिएक्टिव आयन 70 डब्ल्यू ऐश पर एक एस एफ 6 / हे 2 प्लाज्मा हे 2 प्लाज्मा के साथ photoresist अंतर्निहित photoresist की काटकर प्राप्त करने के साथ जीई खोदना।
- (Ar) आर्गन के 3.7 मीट्रिक टन 500 W और यह 4 घंटे के लिए एक एसीटोन से भरे बीकर अंदर वेफर रखकर लिफ्ट बंद में साथ डीसी magnetron धूम-जमा नाइओबियम (नायब) जमीन विमान।
- स्पिन कोट bisbenzocyclobutene (बीसीबी) सोइ वेफर के नायब लेपित सतह पर 30 सेकंड के लिए 4000 rpm पर और एक अन्य सिलिकॉन वेफर से एक सतह के लिए। 200 डिग्री सेल्सियस पर दबाव के 3 पट्टी के साथ एक साथ बांड दो बीसीबी लेपित सतहों।
- मैन्युअल फ्लिप वेफर उल्टा ढेर सोइ वेफर की पीठ प्रसंस्करण के लिए शुरू करने के लिए।
- यांत्रिक lapping का उपयोग करते हुए अल 2 3 हे घोल, बॉश प्रक्रिया का उपयोग कर गहरी प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी के बाद से सिलिकॉन वेफर संभाल खोदना 16 खोदना एच 2 ओ के साथ दफन 2 Sio परत:। एचएफ (10: 1) 20 मिनट के लिए।
- जमा मोलिब्डेनम नाइट्राइड (मो 2 एन) 700 W और 3.3 लाख टन पर डीसी magnetron प्रतिक्रियाशील sputtering का उपयोग कर (Ar: एन 2 आंशिक दबाव = 7: 1)। 30 सेकंड के लिए 2000 rpm पर 30 सेकंड के लिए 2000 rpm पर कताई और कताई के द्वारा पीछा 2 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर यह पाक द्वारा पैटर्न resonators सकारात्मक photoresist (1 हिस्सा सकारात्मक photoresist 2 भागों में पतली-पी) पतला। एक प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाश में एक tetramethyl अमोनियम हाइड्रॉक्साइड आधारित समाधान और राख में photoresist का विकास करना। मो 2 एन खोदना एक फॉस्फोरिक एसिड आधारित समाधान के साथ।
- 30 सेकंड के लिए 5000 rpm पर polymethylmethacrylate (PMMA) पर कताई और 180 डिग्री सेल्सियस पर यह पाक द्वारा एक लिफ्ट बंद एक जीई / PMMA bilayer से मिलकर मुखौटा बनाना 2 मिनट के लिए इलेक्ट्रॉन बीम रवानगी के द्वारा पीछाजीई के osition। धूम-जमा नायब पारेषण लाइनों और एसीटोन में लिफ्ट बंद (अपवाद है कि सकारात्मक photoresist PMMA के साथ प्रतिस्थापित किया जाता है के साथ 1.2 कदम को देखें)।
- कुछ embodiments, रेडियो-फ्रीक्वेंसी (आरएफ) में धूम-जमा 2 Sio, यह पैटर्न सकारात्मक photoresist के साथ कताई द्वारा और एक Hydrofluoric एसिड आधारित समाधान में खोदना। फिर, एक धूम-जमा नायब पतली एक जर्मेनियम / सकारात्मक photoresist liftoff मुखौटा का उपयोग फिल्म लिफ्ट बंद के रूप में 1.2 चरण में विस्तृत जानकारी दी।
2. टेस्ट पैकेज में माइक्रोवेव गुंजयमान यंत्र चिप की स्थापना के लिए प्रक्रिया
- डिजाइन और मशीन एक परीक्षण पैकेज सोने से मिलकर (एयू) लेपित तांबे गुहा जो गुंजयमान यंत्र चिप आयाम, feedline इनपुट और आउटपुट स्थानों मैच (एक आधार और ढक्कन के साथ)। नोट: आवास के गुहा आकार हित के बैंड पर कम से कम परजीवी युग्मन के साथ एक एकल मोड आपरेशन का समर्थन करने के लिए निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।
- डिजाइन और एक नियंत्रित प्रतिबाधा माइक्रोवेव प्रशंसक कहां बनानामार्ग के लिए टी बोर्ड 17 चिप और उप-लघु संस्करण A (SMA) कनेक्टर्स के बीच का संकेत है।
- तो यह है कि केंद्र कंडक्टर पिन इसी प्रशंसक आउट बोर्ड से संपर्क पैड पर गठबंधन किया है इनपुट और परीक्षण पैकेज के उत्पादन में SMA connectors डालें। एक मिलाप मुखौटा लागू shorting के खिलाफ की रक्षा, और केंद्र कंडक्टर पिन के क्षेत्र में मिलाप लागू करने के लिए। ~ 5 मिनट के लिए एक गर्म थाली और 200 डिग्री सेल्सियस गर्मी पर पैकेज की जगह मिलाप पिघला। शांत करते हैं और फिर मिलाप मुखौटा हटा दें।
- Au-लेपित तांबे पैकेज गुहा कि इस तरह की चिप पर feedline आउटपुट और इनपुट पैड करीब है और इसी प्रशंसक आउट बोर्ड समतलीय waveguide के लिए गठबंधन कर रहे हैं (CPW) लाइनों में गुंजयमान यंत्र चिप माउंट। जो चिप के कोनों के किनारों पर संपर्क बनाने तांबा क्लिप के साथ चिप सुरक्षित।
- संपर्क पैड प्रशंसक आउट बोर्ड के बीच और पर चिप अल तार बांड superconducting रखें। यहाँ प्रस्तुत मामले में अधिकतम संख्या (~ 4 जगह - देखो
- तार-संबंध के बाद, एक मल्टीमीटर के साथ इनपुट और आउटपुट कनेक्टर्स के केंद्र पिन के बीच डीसी प्रतिरोध की जांच, और एक केंद्र पिन और जमीन के बीच, पुष्टि करने के लिए वहाँ दो केंद्र पिन भर में एक बिजली के कनेक्शन और केंद्र के बीच एक खुले कनेक्शन है लाइन और जमीन।
3. एक क्रायोजेनिक हीलियम -3 माइक्रोवेव टेस्टबेड में माइक्रोवेव गुंजयमान यंत्र की स्थापना के लिए प्रक्रिया
- विन्यास चित्रा 2 में दिखाया गया है, जिसमें एसएमए केबलों की एक श्रृंखला आरटी से 0.3-कश्मीर ठंड मंच है जहां डिवाइस बढ़ जाएगा कराई हैं के रूप में testbed इकट्ठा करो।
- के रूप में चित्रा 2 में दिखाया कम माइक्रोवेव नुकसान प्रदान करने के लिए तांबा (कॉपर) और अतिचालक नाइओबियम टाइटेनियम (NBTI) केबलों स्थापित करें और में,NBTI केबल, एक कम तापीय चालकता के मामले। 2-कश्मीर और 0.3-कश्मीर चरणों के बीच एक थर्मल तोड़ने के रूप में NBTI केबलों का प्रयोग करें।
- गुंजयमान यंत्र डिवाइस के बैंड में कम शोर प्रवर्धन के लिए उत्पादन लाइन पर 2-कश्मीर में मंच पर एक क्रायोजेनिक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT) एम्पलीफायर माउंट और एक फैलानेवाला स्थापित करें।
- इस एम्पलीफायर के लिए इनपुट पर उत्पादन लाइन पर एक क्रायोजेनिक फैलानेवाला डालें।
- एक वर्ग 0.3-कश्मीर ठंड चरण के लिए बंद कर लिया पर पैक गुंजयमान यंत्र उपकरणों माउंट।
- पैकेज से मिलान समाप्ति के लिए प्रदान करते हैं और इस attenuator इनपुट और आउटपुट पैकेज के लिए उपयुक्त SMA केबल कनेक्ट करने के इनपुट पक्ष पर एक माइक्रोवेव attenuator कनेक्ट। सुनिश्चित करें कि इन नियंत्रित प्रतिबाधा समाप्ति अच्छी तरह से मिलान कर रहे हैं और संभव के रूप में परीक्षण के अंतर्गत डिवाइस के रूप में बंद हैं - वे "डिवाइस अंशांकन विमान 'को परिभाषित (चित्रा 2 देखें)।
- cryostat ऊपर बंद करें। डिवाइस शांत करने के लिए मानक प्रक्रिया का पालन करें0.3 लालकृष्ण एस
4. माइक्रोवेव गुंजयमान यंत्र माप के लिए प्रक्रिया
- (- 8 गीगा डिवाइस यहाँ पर विचार के लिए 10 मेगाहर्ट्ज) युक्ति के तहत परीक्षण डिजाइन आवृत्तियों पर एक व्यापक आवृत्ति बैंड पर स्कैन करने के लिए VNA सेट करें। परीक्षण के अंतर्गत डिवाइस के लिए उपयुक्त स्तर तक VNA पर सत्ता के स्तर को समायोजित (~ -30 dBm, डिवाइस यहाँ पर विचार के लिए)।
नोट: यह सुनिश्चित करें कि इनपुट आरएफ शक्ति का स्तर काफी कम है, तो के रूप में अतिचालक माइक्रोवेव गुंजयमान यंत्र और अतिचालक feedline की महत्वपूर्ण वर्तमान से अधिक नहीं। सुनिश्चित करें कि बिजली का स्तर काफी उच्च एक पर्याप्त संकेत करने वाली शोर अनुपात प्रदान करना है। - निम्न मानक लघु ओपन-लोड के माध्यम से (SOLT) प्रक्रिया लचीला आरएफ केबल जांचना, VNA सॉफ्टवेयर VNA मैनुअल में पाया निर्देशों का पालन। लचीला केबलों में से प्रत्येक के उत्पादन, वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक से जो रूट और जो बाद में निवेश करने के लिए जोड़ा जाएगा पर, shorted खुले समाप्त में और मानकों के माध्यम से डालेंमापन के लिए cryostat की। इस अंशांकन "साधन संदर्भ विमान" को परिभाषित करता है (जैसे, चित्रा 2 देखें)।
- इस SOLT अंशांकन के बाद इस बात की पुष्टि कि पारेषण, एस 21, के माध्यम से लाइन के साथ VNA के साथ मापा जुड़ा द्वारा अंशांकन की निष्ठा को सत्यापित, कम अवशिष्ट त्रुटियाँ हैं (यानी, प्रतिक्रिया ~ 0 DB स्तर पर और एस 11 और एस में है 22 कम कर रहे हैं, जैसे, ≤ -50 dB)।
- cryostat के इनपुट और आउटपुट लाइनों को लचीला केबल कनेक्ट करें।
- माइक्रोवेव एम्पलीफायर के लिए कंपनी द्वारा प्रदत्त एक दस्तावेज में निर्दिष्ट के रूप में आवश्यक डीसी पूर्वाग्रह वोल्टेज लगाने से क्रायोजेनिक माइक्रोवेव एम्पलीफायर चालू करें।
- सबसे पहले, VNA के एक wideband स्कैन (10 मेगाहर्ट्ज - 8 गीगा, डिवाइस यहाँ पर विचार के लिए) को पूरा एस 21 आधारभूत संरचना का पालन करने के लिए और किसी भी तेज उच्च क्यू देखने के लिए </ Em> माइक्रोवेव resonators का संकेत संरचनाओं।
- फिर, आवृत्ति रेंज (करने के लिए ~ 2 - 4 गीगा, डिवाइस यहाँ पर विचार के लिए) संकीर्ण और गुंजयमान यंत्र बैंड पर स्कैन करने के लिए VNA की (डिवाइस यहाँ पर विचार के लिए ~ 30,000) डेटा बिंदुओं की संख्या को समायोजित। एक आवृत्ति बैंड एक में सीटू अंशांकन बाहर ले जाने के लिए इस आधारभूत बाद में फिट बैठता है के लिए एक पर्याप्त आधारभूत अवधि प्रदान करने के लिए काफी व्यापक प्रयोग (परिचय में चर्चा देखें)।
ध्यान दें: शोर के स्तर पर निर्भर करता है, औसत की संख्या में वृद्धि, या संकेत करने वाली शोर में सुधार करने के लिए अगर बैंडविड्थ को कम। - जटिल संचरण डेटा के इन VNA डेटा स्कैन बचाने के बाद माप में सीटू अंशांकन, और विश्लेषण और गुणवत्ता कारकों और प्रतिध्वनि आवृत्तियों की निकासी के लिए दायर करने के लिए। 11
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Representative Results
एक आधे लहर मो 2 एन गुंजयमान यंत्र (चित्रा 5) एक 0.45 माइक्रोन एकल क्रिस्टल सिलिकॉन अचालक पर गढ़े की प्रतिक्रिया इस पद्धति के साथ मान्य किया गया था। इस उदाहरण में, एक नायब समतलीय waveguide के लिए युग्मन (CPW) feedline के लिए पढ़ने के लिए बाहर capacitive युग्मन के माध्यम से एक धूम-जमा 2 Sio अचालक के माध्यम से, "एच" गुंजयमान यंत्र के खुले सिरों में से एक में आकार का क्षेत्र में हासिल की है (देखें प्रोटोकॉल अनुभाग 1.6)। अन्य मामलों में, feedlines को capacitive युग्मन नायब जमीन विमान में क्षेत्रों को हटाने के द्वारा प्राप्त किया गया था। गुंजयमान यंत्र चित्रा 5 में दिखाया गया है कि पता चलता प्रस्तुत निर्माण तकनीक सब्सट्रेट सतह roughening बिना महसूस किया जा करने के लिए एक ultrathin एकल क्रिस्टल सिलिकॉन परत के दोनों किनारों पर सूक्ष्म अतिचालक circuitry के लिए अनुमति देता है। ये resonators एक MKID का सबसे महत्वपूर्ण घटक का प्रतिनिधित्व करते हैं और इस तकनीक का अच्छा नियंत्रण की अनुमति देता हैउनकी ईमानदारी।
क्रायोजेनिक माप दृष्टिकोण वर्णित सात मो 2 एन एक भी माइक्रोवेव feedline के लिए युग्मित resonators के साथ एक डिवाइस के लिए लागू किया गया था। चित्रा 6 में, मापा संचरण गुणांक की भयावहता, एस 21, आवृत्ति के एक समारोह के रूप में VNA संदर्भ विमान पर इस उपकरण का दिखाया गया है। इधर, उनकी गूंज आवृत्तियों में से प्रत्येक में resonators के लिए माइक्रोवेव शक्ति के युग्मन, और इस तरह संचरण परिमाण में स्नान करते देखा जा सकता है। Resonators की आपसी बातचीत, साथ ही सातत्य के साथ उनकी बातचीत, एक Fano वर्णक्रम जवाब में परिणाम कर सकते हैं 18 -। 22 इस आशय भी प्रयोगात्मक अपेक्षाकृत व्यापक फेब्री पेरोट साथ resonators के बीच एक संवाद के रूप में मनाया जा सकता है जिसके परिणामस्वरूप से अनुनादों प्रणाली में लहरों खड़ी है। इस तरह के प्रतिबिंब obser में प्रमुख वर्णक्रम भिन्नता का उत्पादनपरीक्षण विन्यास यहाँ वर्णित के लिए वेद साधन आधारभूत। इस पद्धति के माध्यम से एकत्र आंकड़ों इन मुलाकातों के प्रभाव को दूर करने और विस्तृत गुंजयमान यंत्र और ब्याज की विद्युत मानकों को निकालने के लिए एक में सीटू अंशांकन विधि निम्नलिखित विश्लेषण किया जा सकता है।
चित्रा 1. स्पेक्ट्रल एक गुंजयमान यंत्र की प्रतिक्रिया। काला लाइन 0 एफ आवृत्ति पर एक गूंज के साथ अंधेरे में एक गुंजयमान यंत्र के प्रसारण के आयाम से पता चलता है। Quasiparticle घनत्व में वृद्धि एक कम आवृत्ति को स्थानांतरित करने के लिए, एफ 0 -δ एफ, जबकि एक साथ संकेत (धराशायी लाइन) के आयाम बदल रहा है। एफ 0 में प्रतिध्वनि का कारण बनता है यहाँ एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करेंयह आंकड़ा की।
चित्रा 2. प्रयोगात्मक सेट अप के योजनाबद्ध। परीक्षण के अंतर्गत डिवाइस युग्मन capacitors, सी सी के माध्यम से एक माइक्रोवेव नायब feedline करने के लिए मिलकर कई मो 2 एन resonators के होते हैं। कदम रखा प्रतिबाधा resonators कम और उच्च प्रतिबाधा microstrip पारेषण लाइनों से महसूस कर रहे हैं। 11 यह गुंजयमान यंत्र miniaturize और उसके हार्मोनिक गूंज आवृत्तियों अपनी मौलिक गुंजयमान आवृत्ति से दूर बढ़ाने के लिए बनाया गया है। feedline के माध्यम से प्रसारण प्रतिक्रिया केबल और अन्य घटकों के माध्यम से DUT से जुड़ा एक VNA के साथ मापा जाता है। । Cataldo एट अल 11 से संशोधित यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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चित्रा 3. Microstrip गुंजयमान यंत्र निर्माण प्रवाह। यह योजनाबद्ध निर्माण की प्रक्रिया प्रोटोकॉल 1. में संक्षेप यह प्रक्रिया एक अति पतली एकल क्रिस्टल सिलिकॉन ढांकता हुआ परत के दोनों किनारों पर अतिचालक circuitry निर्माण करने के लिए एक साधन प्रदान करता है दिखाता है। पटेल एट अल। 14 से संशोधित यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4. गुंजयमान चिप पैकेज में घुड़सवार के एक छोर की सूक्ष्मछवि। पर चिप CPW नायब feedline और एक बंद चिप प्रशंसक आउट बोर्ड के बीच अल तार बंधन कनेक्शन देखा जा सकता है।4large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 5। मो 2 एन microstrip माइक्रोवेव गुंजयमान यंत्र पढ़ने के लिए बाहर के लिए एक नायब feedline करने के लिए मिलकर की सूक्ष्मछवि। CPW feedline करने के लिए एच के आकार युग्मन क्षेत्र आंकड़ा के ऊपरी हिस्से में स्थित है और ऑक्साइड परत के शीर्ष पर स्थित है। वाई के आकार का आंकड़ा के तल में स्थित संरचना एक microstrip संचरण लाइन के लिए वेफर पर अन्य उपकरणों पर resonators की कुछ युग्मन के लिए प्रयोग किया जाता है। गुंजयमान यंत्र डिजाइन के बारे में आगे की जानकारी Cataldo एट अल। 11 और पटेल एट अल में पाया जा सकता है। 14 यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 6 मापा संचरण, एस 21, आवृत्ति के एक समारोह के रूप में (आयाम केवल) 7 मो 2 एन resonators एक भी माइक्रोवेव feedline करने के लिए मिलकर दिखा। ये आंकड़े एक VNA का उपयोग कर 0.3 कश्मीर में क्रायोजेनिक testbed में ले जाया गया। करने के लिए यहाँ क्लिक करें यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।
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Discussion
एकल फ्लिप निर्माण की प्रक्रिया एक पतली 0.45 माइक्रोन एकल क्रिस्टल सी सब्सट्रेट के दोनों किनारों पर अतिचालक resonators को साकार करने के लिए एक साधन प्रदान करता है। एक है क्योंकि यह जमा dielectrics 4.0-6.5 गीगा रेंज <1 एक्स 10 में नुकसान उभयनिष्ठ के साथ (जैसे सी 3 N 4 के रूप में) की तुलना में परिमाण कम नुकसान के एक आदेश से भी अधिक है एक एकल क्रिस्टल सी अचालक का उपयोग करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है - 5। 23-24 पैटर्न करने की क्षमता दोनों पक्षों पर सुविधाओं के इस सब्सट्रेट एक एक microstripline गुंजयमान यंत्र डिजाइन है, जो प्रकाश और कम गुंजयमान करने वाली गुंजयमान crosstalk भटका करने के लिए अच्छा उन्मुक्ति प्रदान करता है काम करने के लिए अनुमति देता है। क्योंकि इसकी सतह का कोई roughening superconducting नायब पतली फिल्म की patterning के दौरान होता है लिफ्ट बंद तकनीक का वर्णन किया, सी सतह की अखंडता को बनाए रखा जा सकता है। 15 यह निर्माण की प्रक्रिया एक अतिचालक microstripline वास्तुकला होने संरचनाओं की एक किस्म के लिए इस्तेमाल किया जा सकता और प्रत्याशित fUTUre अनुप्रयोगों दूर अवरक्त स्पेक्ट्रोमीटर के लिए इसे प्रयोग में शामिल हैं। 25 इसका मुख्य सीमा यह है कि substrates गोंद के लिए इस्तेमाल किया बीसीबी एक साथ प्रसंस्करण के तापमान (~ 250 डिग्री सेल्सियस) पर एक ऊपरी सीमा देता है।
इन गुंजयमान यंत्र उपकरणों की जटिल संचरण के क्रायोजेनिक माप, के रूप में प्रोटोकॉल अनुभाग में वर्णित है, एक अतिचालक और अचालक सब्सट्रेट सामग्री के लिए प्रमुख सामग्री मानकों को निकालने के लिए अनुमति देते हैं और / या दूर अवरक्त प्रकाश के लिए उनकी प्रतिक्रिया पर नजर रखने के लिए। हालांकि, अंशांकन और परीक्षण सेट-अप की तैयारी इन सामग्री मानकों की सटीक एक्सट्रेक्शन करने की क्षमता के लिए महत्वपूर्ण है। एक मानक SOLT अंशांकन कार्यप्रणाली cryostat के इनपुट के लिए VNA से लचीला SMA केबल के माध्यम से संचरण जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। डिवाइस इनपुट पर आरएफ attenuator की उपस्थिति और उपकरण उत्पादन में फैलानेवाला से मिलान समाप्ति प्रदान करने के लिए आवश्यक हैं। पोस्ट-माप अंशांकन Carri हो सकता हैएड बाहर में सीटू अंशांकन प्रक्रिया Cataldo एट अल में वर्णित के बाद। 11 इस में सीटू अंशांकन प्रक्रिया डिवाइस इनपुट और आउटपुट ( "डिवाइस अंशांकन विमान" अंजीर। 2 के रूप में लेबल) के संदर्भ में विमान ले जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए प्रोटोकॉल धारा 4 के चरण 6 में, एक इष्टतम वर्णक्रमीय रेंज और डेटा बिंदुओं की संख्या दर्ज किया जाना चाहिए कि, जो दोनों संकीर्ण गुंजयमान संरचनाओं का पर्याप्त नमूने लेकिन यह भी एक अवधि है कि करने के लिए सक्षम करने के लिए आधारभूत resonators परे चला जाता है प्रदान करते हैं सही तरीके से हटाया जा। resonators से दूर, आधारभूत एक निष्पक्ष आयाम अंशांकन प्राप्त करने के लिए, इस प्रकार मनाया प्रतिक्रिया से निकाली गई मापदंडों में त्रुटि को कम करने के लिए पर्याप्त रूप से decoupled हो जाता है।
में सीटू VNA डेटा जांचना करने के लिए, निम्न चरणों का प्रदर्शन कर रहे हैं: 1) एक विश्लेषणात्मक मॉडल शारीरिक रूप से आधारभूत प्रतिक्रिया से प्रेरित के माध्यम से जटिल आधारभूत का फ़िट; 2) Normalizaट्रांसमिशन आयाम मजबूर कर एक resonators से दूर करने के लिए बराबर होने से संचरण के वास्तविक और काल्पनिक भागों की tion; 3) जटिल आधारभूत फिट बाहर विभाजित करके DUT पर लाभ और संदर्भ विमान के स्थानांतरण में बदलाव के लिए सुधार।
इस अंशांकन कदमों का ब्यौरा Sec में पाया जा सकता है। । Cataldo एट अल 11 के बाद डेटा calibrated किया गया है की चतुर्थ, resonators दो तरीकों में से एक में मॉडलिंग की जा सकती है। पहले में, एक phenomenological शारीरिक रूप से वसूली योग्य तर्कसंगत कार्यों पर आधारित मॉडल स्पष्ट सर्किट नेटवर्क निर्दिष्ट किए बिना resonators 'केंद्र आवृत्तियों और 1% की सटीकता के साथ चौड़ाई की निकासी के लिए सक्षम बनाता है (सेक। के Cataldo एट अल। 11 वी देखें)। दूसरे में, वितरित संचरण लाइन सर्किट का एक एबीसीडी-मैट्रिक्स प्रतिनिधित्व, विशेषता impedances, जेड, और प्रचार स्थिरांक से मनाया प्रतिक्रिया की मॉडलिंग के लिए अनुमति देता है γ, साथडिवाइस ज्यामिति विस्तृत ज्ञान (जैसे, पंक्ति लंबाई, एल -। चित्र 2 देखें)। जेड और γ के माध्यम से सामग्री के permittivity और पारगम्यता के बीच विद्युत विधान संबंधों के लिए आत्म-संगत की कमी है, जब विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन (सेक देखने के साथ मिलकर इस तरह के resonators 'गतिज अधिष्ठापन अंश और 2% की सटीकता के साथ प्रभावी सूचकांक के रूप में मानकों को निकालने के लिए लागू कर रहे हैं। Cataldo एट अल। 11) के छठे। इस सर्किट की आंतरिक संरचना का अध्ययन करने की अनुमति देता है।
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Disclosures
लेखकों घोषणा की कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि।
Acknowledgments
लेखकों नेशनल एयरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (नासा) के गुलाब के फूल और APRA कार्यक्रमों से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं। जीसी भी नासा में उनकी नियुक्ति के प्रशासन के लिए विश्वविद्यालयों स्पेस रिसर्च एसोसिएशन मानता है।
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
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