Summary
Supergeleidende magnetron resonatoren van belang zijn voor de detectie van licht, quantum computing toepassingen en materialen karakterisering. Dit werk geeft een gedetailleerde procedure voor de fabricage en karakterisering van supergeleidende magnetron resonator verstrooiing parameters.
Abstract
Supergeleidende magnetron resonatoren van belang voor een groot aantal toepassingen, inclusief hun gebruik als magnetron kinetische inductie detectoren (MKIDs) voor het detecteren van zwakke astrofysische handtekeningen en voor quantum computing toepassingen en materiaal karakterisatie. In dit artikel worden procedures voorgesteld voor de fabricage en karakterisering van dunne-film supergeleidende magnetron resonatoren. De fabricage methode maakt de realisatie van supergeleidende transmissielijn resonatoren faciliteiten aan beide zijden van een atomair glad monokristallijn silicium diëlektrische. Dit werk beschrijft de procedure voor de installatie van de resonator apparaten in een cryogene magnetron testbed en cool-down onder de supergeleidende overgang temperatuur. De set-up van de cryogene magnetron testbed maakt het mogelijk om zorgvuldige metingen van het complex microgolf transmissie van deze resonator apparaten te doen, waardoor de extractie van de properties van de supergeleidende lijnen en diëlektrische drager (bijvoorbeeld interne kwaliteitsfactoren, verlies en kinetische inductie fracties), die belangrijk zijn voor apparaatontwerp en prestaties.
Introduction
Vooruitgang in astrofysische instrumenten hebben onlangs supergeleidende magnetron resonatoren voor de detectie van infrarood licht 1 -. 4 een supergeleidende resonator reageert infraroodstraling energie E = hv> 2Δ (waarbij h de constante van Planck, v is de stralingsfrequentie en Δ is de supergeleidende bandkloof-energie). Wanneer de resonator wordt afgekoeld tot een temperatuur ruim onder de kritische temperatuur supergeleider Dit invallende straling breekt Cooper-paren in de resonator volume genereert quasiparticle excitaties. De toename van de dichtheid van quasiparticle excitaties verandert de kinetische inductie, en dus de complexe impedantie oppervlak van de supergeleider. Deze optische respons wordt waargenomen als een verschuiving van de resonantiefrequentie van lagere frequentie en een vermindering van de kwaliteitsfactor van de resonator. In de canonieke uitlezen regeling voor een magnetron kinetic inductantie detector (MKID), de resonator is gekoppeld met een magnetron en een toevoerlijn bewaakt de complexe transmissie via dit voedingslijn op een microgolffrequentie toon op resonantie. Hier wordt de optische respons waargenomen als een verandering in zowel de amplitude en fase van de transmissie 5 (figuur 1). Frequentiedomein multiplexen regelingen kunnen uitlezen arrays duizenden resonatoren. 6-7
Te ontwerpen en te implementeren supergeleidende-resonator-gebaseerde instrumentatie, de eigenschappen van deze resonante structuren moeten nauwkeurig en efficiënt worden gekarakteriseerd. Bijvoorbeeld nauwkeurige metingen van de ruis eigenschappen, kwaliteit factoren Q, resonantiefrequenties (inclusief temperatuursafhankelijkheid) en optische responseigenschappen van supergeleidende resonatoren gewenst in het kader van MKID device fysica, quantum computing 8, 9 en de bepaling van laag- temperature materiaaleigenschappen. 10
In al deze gevallen wordt de meting van complex transmissie verstrooiingsparameters het circuit gewenst. Dit werk richt zich op de bepaling van de resonator complexe transmissiecoëfficiënt, S 21, waarvan de amplitude en fase kan worden gemeten met een vector netwerk analyzer (VNA). Idealiter zou de VNA referentievlak (of meetopening) rechtstreeks verbonden met de inrichting onder test (DUT), maar een cryogene instelling vereist gewoonlijk het gebruik van aanvullende transmissielijn structuren onderbroken koudebrug tussen kamertemperatuur (~ 300 K) te realiseren en de koude fase (~ 0,3 K in dit werk, zie figuur ure 2). Aanvullende magnetron onderdelen zoals richtingkoppelstukken, circulatiepompen, isolatoren, versterkers, verzwakkers en bijbehorende verbindingskabels nodig zijn om adequaat te bereiden, wek, uitgelezen en vertekening van de inrichting plaats. Defase snelheden en de afmetingen van deze componenten variëren bij het koelen van kamer tot cryogene temperaturen, en daarom zijn ze van invloed op de waargenomen respons op het apparaat kalibratie vliegtuig. Deze tussenliggende componenten tussen het instrument en het apparaat kalibreren vliegtuig invloed van het complex te krijgen en moeten op de juiste wijze verwerkt in de interpretatie van de gemeten respons. 11
In theorie, is een regeling nodig die de meting referentievlak, identiek aan die toegepast bij het kalibreren op de DUT wordt. Om dit doel te bereiken, kan men de kalibratie normen over meerdere cool-downs te meten; echter, deze stelt beperkingen aan de stabiliteit van de VNA en de herhaalbaarheid van het cryogene instrument, die moeilijk te bereiken zijn. Om deze bezwaren te beperken, kan men de nodige normen in de gekoelde testomgeving te plaatsen en te schakelen tussen hen. Dit is bijvoorbeeld vergelijkbaar met wat wordt gevonden in magnetron probe stations, Waarbij het monster en kalibratiestandaarden gekoeld tot 4 K een continue vloeibare helium stroom of een gesloten cyclus koelsysteem. 12 Deze methode werd aangetoond bij sub-kelvin temperaturen maar vereist minder energie verbruikt, krachtige microgolf schakelaar in de -test band van belang. 13
Een in-situ kalibratieprocedure is derhalve gewenst dat goed is voor de instrumentele transmissie reactie tussen de VNA referentievlak en de inregeling van het vlak (fig ure 2) en die de beperkingen van de hierboven beschreven werkwijzen overwint. Deze cryogene kalibratiemethode, gepresenteerd en besproken in Cataldo et al. 11, maakt het mogelijk om meerdere resonatoren kenmerken over een breed frequentiegebied in vergelijking met de breedte resonator lijn en onderlinge afstand resonator met een nauwkeurigheid van ~ 1%. Dit artikel zal zich richten op de details van het monster fabricage en prepPreparation processen, experimentele test set-up en meetprocedures gebruikt om supergeleidende magnetron resonatoren karakteriseren met vlakke lijn geometrieën. 11
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Microstrip Line Resonator Fabrication 14 (figuur 3)
- Schoon een silicium-op-isolator (SOI) wafer, die een 0,45 pm dikke laag silicium apparaat, vers gemengd H 2 SO 4: H 2 O 2 (3: 1) gedurende 10 min. Spoel vervolgens de wafer in gedemineraliseerd water gedurende 10 minuten en droog met een stikstof pistool. Onmiddellijk voor later verwerken, dompel de wafer H 2 O: HF (10: 1) gedurende 10 sec en spoelen in gedeïoniseerd water gedurende 5 minuten.
- Fabriceren lift-off masker, dat bestaat uit een germanium (Ge) / positieve fotoresist zoals S-1811. 15
- Spin-coat de wafer met verdunde positieve fotoresist dubbellaag (2 delen verdunner-P: 1 deel positief fotoresist) bij 4.000 tpm gedurende 30 sec en dan elektronenbundel borg Ge.
- Patroon Ge met behulp van foto-lithografie door eerst hexamethyldisilazaan (HMDS) op de wafer gedurende 1 minuut en vervolgens spin-off van het overtollige bij 3.000 tpm gedurende 30 sec.
- Spin on verdunde positieve fotolak (2 delen verdunner-P: 1 part positieve fotoresist) bij 2000 tpm gedurende 30 sec en bakken op een hete plaat gedurende 1 min bij 110 ° C. Gebruik een masker aligner te fotolak bloot te leggen en te spuiten ontwikkelen weerstaan met een tetramethyl ammonium-hydroxide gebaseerde oplossing.
- Reactief-ion etsen de Ge met een SF6 / O 2 plasma bij 70 W. Ash onderliggende fotoresist met O 2 plasma-undercut van fotolak te bereiken.
- DC-magnetron sputter-deposit niobium (Nb) grondvlak met 3,7 mT van argon (Ar) bij 500 W en verwijder deze door het plaatsen van de wafer in een aceton gevulde beker gedurende 4 uur.
- Spin-coat bisbenzocyclobutene (BCB) bij 4000 tpm gedurende 30 seconden op de Nb-gecoate oppervlak van het SOI wafer en een oppervlak van een ander silicium wafer. Binden de twee BCB gecoate oppervlakken met 3 bar druk bij 200 ° C.
- Handmatig flip wafer stack kop begint verwerking van de achterzijde van de SOI wafer.
- Etsen silicium wafer handvat mechanisch omwikkelen behulp Al 2 O 3 suspensie, gevolgd door diepe reactief ionen-etsen met het Boschproces 16 Ets het begraven SiO 2 laag met H2O. HF (10: 1) gedurende 20 min.
- Borg nitride molybdeen (Mo 2 N) via DC magnetron reactief sputteren op 700 W en 3,3 mT (Ar: N2 partiële = 7: 1). Patroon resonatoren door het draaien bij 2000 rpm gedurende 30 seconden en bakken bij 180 ° C gedurende 2 minuten gevolgd door spinnen verdunde positieve fotoresist (2 delen verdunner-P: 1 part positieve fotoresist) bij 2000 tpm gedurende 30 sec. Ontwikkel fotolak in een tetramethyl ammonium-hydroxide gebaseerde oplossing en as in een reactief ionen etser. Etch Mo 2 N met een fosforzuur-gebaseerde oplossing.
- Fabriceren lift-off masker bestaande uit een Ge / PMMA dubbellaag van spinnen op het polymethylmethacrylaat (PMMA) bij 5000 tpm gedurende 30 sec en bakken bij 180 ° C gedurende 2 minuten gevolgd door elektronenbundels depSTANDPUNT van Ge. Sputter-deposit Nb transmissielijnen en til in aceton (zie stap 1.2 behalve dat de positieve fotoresist gesubstitueerd met PMMA).
- In sommige uitvoeringsvormen, radiofrequentie (RF) sputtering depot SiO 2, patroon door draaien met positieve fotoresist en etsen in een waterstoffluoride zuur gebaseerde oplossing. Dan til a-sputteren afgezette Nb dunne film met behulp van een germanium / positieve fotolak lancering masker zoals beschreven in stap 1.2.
2. Procedure voor de installatie van Microwave Resonator Chip in Test Pakket
- Ontwerp en machine een test bestaande uit goud (Au) koper beklede holte (met een basis en deksel) die past resonator chip afmetingen feedline input en output locaties. LET OP: De grootte van de holte van de behuizing moet worden aangegeven in een single-mode werking te ondersteunen met een minimale parasitaire koppeling over de band van belang.
- Ontwerp en fabriceren een gecontroleerde impedantie magnetron fan-out board 17 voor het routeren van de signalen tussen de chip en Sub-Miniatuur versie A (SMA) connectors.
- Steek de SMA-connectoren in de input en output van de test-pakket, zodat de centrale geleider pin is uitgelijnd ten opzichte van dezelfde fan-out board contact pad. Breng een soldeermasker te beschermen tegen kortsluiting en soldeer in het gebied van de centrale geleider pin. Plaats het pakket op een hete plaat en verhit tot 200 ° C ~ 5 min naar het soldeer te smelten. Laat afkoelen en verwijder het soldeer masker.
- Monteer de resonator chip in de Au-beklede koperen pakket holte zodanig dat de on-chip feedline output en input pads zijn dicht en afgestemd op de overeenkomstige fan-out board coplanaire golfgeleider (CPW) lijnen. Bevestig de chip met koperen clips waarmee contact aan de randen van de hoeken van de chip te maken.
- Plaats supergeleidende Al draad bindingen tussen de fan-out board en on-chip contact pads. Plaats een maximum aantal (~ 4 in het geval hier gepresenteerde - zie
- Na wire-bonding, met een multimeter controleer de DC-weerstand tussen het centrum pinnen van de in- en uitgangen, en tussen een centreerpen en gemalen, of er en een elektrische verbinding over de twee middelste pennen en een open verbinding tussen het centrum lijn en op de grond.
3. Procedure voor de installatie van de magnetron Resonator in een cryogene Helium-3 Magnetron Testbed
- Monteer het testbed zoals in figuur 2 configuratie, waarbij een reeks SMA kabels lopen van RT om het 0,3-K koude fase waarin het instrument wordt aangesloten.
- Installeer koper (Cu) en supergeleidende niobium-titanium (NbTi) kabels zoals getoond in figuur 2 naar laag microgolfverlies en, in hetgeval van de NbTi kabels, een lage thermische geleiding. Gebruik de NbTi kabels als een thermische onderbreking tussen de 2-K en 0,3-K fasen.
- Monteer een cryogene hoge beweeglijkheid van de elektronen transistor (HEMT) versterker op de 2-K etappe op de output lijn voor ruisarme versterking in de band van de resonator apparaat en installeer een circulatiepomp.
- Plaats een cryogene circulatiepomp aan de uitgang lijn bij de ingang van deze versterker.
- Monteer de verpakte resonator apparaten op een beugel met bouten aan de 0,3-K koud podium.
- Verbind een microgolf verzwakker aan de ingangszijde van de verpakking te voorzien afgestemd beëindiging en sluit de juiste SMA kabels om deze verzwakker ingang en uitgang pakket. Zorg ervoor dat deze gecontroleerde impedantie opzeggingen zijn goed op elkaar afgestemd en zijn zo dicht mogelijk bij het meetobject mogelijk - zij het "apparaatkalibratie plane" te definiëren (zie figuur 2).
- Close-up van de cryostaat. Volg de standaard procedure om het apparaat te koelens tot 0,3 K.
4. Procedure for Microwave Resonator Metingen
- Stel de VNA scannen over een brede frequentieband (10 MHz - 8 GHz, voor het apparaat hier beschouwd) en het apparaat under testontwerp frequenties. Stel de vermogensniveaus van de VNA geschikte hoeveelheden voor het meetobject (~ -30 dBm, voor het apparaat hier beschouwd).
OPMERKING: Zorg ervoor dat de input RF vermogen is laag genoeg om te voorkomen dat de kritische stroom van de supergeleidende magnetron resonator en supergeleidende feedline overschrijden. Zorgen dat het vermogen hoog genoeg is om een voldoende signaal-ruisverhouding te verschaffen. - IJk de flexibele RF kabels volgende standaard Short-Open-Load-Thru (SOLT) procedure, na VNA software aanwijzingen gevonden in de VNA handleiding. Invoegen in kortgesloten, geopend, beëindigd en via normen aan de uitgang van elk van de flexibele kabels, die uit de bovenstaande vector netwerkanalysator en die later zal worden aangesloten op de ingangvan de cryostaat metingen. Deze kalibratie definieert de "instrument referentievlak" (bijvoorbeeld, zie figuur 2).
- Naar aanleiding van deze SOLT kalibratie, controleert de trouw van de kalibratie door te bevestigen dat de transmissie, S 21, met de thru lijn aangesloten gemeten met de VNA, heeft een lage resterende fouten (dat wil zeggen, het antwoord is op ~ 0 dB niveau en de S 11 en S 22 zijn laag, bijvoorbeeld ≤ -50 dB).
- Sluit de flexibele kabels aan de ingangs- en uitgangslijnen van de cryostaat.
- Zet de cryogene microgolfversterker door toepassing van de vereiste DC voorspanning zoals gespecificeerd in de onderneming verschafte documentatie voor de magnetron versterker.
- Ten eerste, compleet een breedband-scan van VNA (10 MHz - 8 GHz, voor het apparaat hier beschouwd) met de S 21 basislijn structuur te observeren en te zoeken naar eventuele scherpe hoge Q </ Em> structuren indicatief magnetron resonatoren.
- Vervolgens smal frequentiebereik (tot ~ 2-4 GHz, voor het apparaat hier besproken) en stel het aantal gegevenspunten (~ 30.000 voor het apparaat hier beschouwd) van de VNA scannen via resonator band. Gebruik een frequentieband breed genoeg is om een adequate basislijn overspanning voor later past deze basislijn van een in-situ kalibratie uit te voeren (zie bespreking in de inleiding).
OPMERKING: Afhankelijk van het geluidsniveau, verhoging van het aantal gemiddelden, of vermindering van de IF bandbreedte om het signaal-ruis te verbeteren. - Bewaar deze VNA gegevens scans van het complex gegevensoverdracht tot het dossier voor post-meting in-situ kalibratie, en analyse en extractie van de kwaliteit factoren en resonantie frequenties. 11
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De reactie van een enkelzijdige Mo 2 N resonator (figuur 5) vervaardigd op een 0,45 urn monokristallijn silicium diëlektrische werd gevalideerd met deze methode. In dit geval koppeling met een Nb coplanaire golfgeleider (CPW) toevoerlijn voor uitlezen wordt bereikt door capacitieve koppeling door een afgezet door sputtering SiO 2 diëlektricum, in het "H" -vormige gebied aan een van de open einden van de resonator (zie Protocol paragraaf 1.6). In andere gevallen, capacitieve koppeling met de voedingslijnen werd bereikt door het verwijderen van gebieden in de Nb grondvlak. De in figuur 5 toont dat de resonator fabricatietechniek gepresenteerd maakt microscopische supergeleidende circuits aan beide zijden van een ultradunne monokristallijne siliciumlaag te realiseren zonder opruwen het substraatoppervlak. Deze resonatoren vertegenwoordigen de meest kritische component van een MKID en deze techniek zorgt voor een goede controle overhun integriteit.
De cryogene meetbenadering beschreven werd toegepast op een inrichting met zeven Mo 2 N resonatoren gekoppeld met een magnetron toevoerlijn. In figuur 6 wordt de grootte van de gemeten overdrachtscoëfficiënt, S 21, van dit apparaat bij de VNA referentievlak als functie van de frequentie weergegeven. Hier, de koppeling microgolfvermogen de resonatoren in elk van hun resonantiefrequenties en dus een duik in de transmissie omvang, te zien. De wisselwerking van de resonatoren, en hun interactie met de continuüm, kan leiden tot een Fano spectrale respons 18 -. 22 Dit effect kan ook experimenteel worden waargenomen als een interactie tussen de resonatoren met de relatief brede Fabry-Perot resonanties gevolg van staande golven in het systeem. Dergelijke reflecties produceren de dominante spectrale variatie in de opmer-ved instrument basislijn voor de test configuratie hier beschreven. De verkregen via deze methode geanalyseerd kunnen worden na een in situ kalibratiemethode de effecten van deze interacties te verwijderen en extraheer de gedetailleerde resonator en elektromagnetische parameters plaats.
Figuur 1. Spectrale reactie van een resonator. De zwarte lijn geeft de transmissie amplitude van een resonator in het donker met een resonantie bij frequentie f 0. De toename van de quasiparticle dichtheid zorgt ervoor dat de resonantie bij f 0 om te verhuizen naar een lagere frequentie, f 0 -δ f, terwijl tegelijkertijd de amplitude van het signaal (stippellijn) veranderen. Klik hier om een grotere versie te bekijkenvan dit cijfer.
Figuur 2. Schematische voorstelling van de experimentele set-up. Het toestel onder test bestaat uit meerdere Mo 2 N resonatoren gekoppeld aan een magnetron Nb feedline door de koppeling condensatoren, C c. De getrapte impedantie resonatoren worden gerealiseerd uit lage en hoge impedantie microstrip transmissielijnen. 11 is ontworpen om de resonator miniaturiseren en verhogen de harmonische resonantiefrequenties vanaf zijn fundamentele resonantiefrequentie. De reactie transmissie via de toevoerleiding wordt gemeten met een VNA aangesloten op de DUT via kabels en andere componenten. Gewijzigd ten opzichte van Cataldo et al. 11 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
: Keep-together.within-page = "1"> 
Figuur 3. Microstrip resonator fabricage stroom. Dit schema illustreert het fabricageproces samengevat in protocol 1. Deze werkwijze verschaft een middel om supergeleidende circuits te fabriceren aan beide zijden van een ultradunne monokristallijn silicium diëlektrische laag. Gewijzigd ten opzichte van Patel et al. 14 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Microfoto van een uiteinde van de resonator chip aangebracht in de verpakking. Al draadband verbindingen tussen de on-chip CPW Nb toevoerlijn en een off-chip fan-out board te zien.4large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. Microfoto van Mo 2 N microstrip magnetron resonator gekoppeld met een Nb toevoerlijn voor uitlezing. De H-vormige koppelgebied de CPW feedline zich op het bovenste gedeelte van de figuur en is gelegen bovenop de oxidelaag. De Y-vormige structuur in de bodem van de figuur wordt gebruikt voor het koppelen van een aantal van de resonators andere inrichtingen op de wafel een microstrip transmissielijn. Verdere details over de resonator ontwerp kan worden gevonden in Cataldo et al. 11 en Patel et al. 14 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Gemeten transmissie, S 21, als functie van de frequentie (amplitude) met 7 tonen Mo 2 N resonatoren gekoppeld met een magnetron voedingslijn. Deze gegevens werden genomen in de cryogene testbed 0.3 K met een VNA. Klik hier om bekijk een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De single-flip vervaardigingswerkwijze verschaft een middel voor het realiseren supergeleidende resonatoren aan beide zijden van een dunne 0,45 pm monokristallijn Si-substraat. Een gemotiveerd zijn om een monokristallijn Si diëlektrische gebruiken omdat het meer dan een orde van grootte minder verlies dan afgezet diëlektrica (zoals Si 3N 4) met verlies raaklijnen in de 4,0-6,5 GHz range <1 x 10 - 5. 23-24 De mogelijkheid om patroonkenmerken aan weerszijden van dit substraat kan men een microstripline resonatorontwerp, die goede immuniteit tegen licht en lage resonator naar resonator overspraak afdwalen dienst biedt. De lift-off techniek beschreven kan de integriteit van de Si oppervlak te handhaven, omdat er geen opruwen van het oppervlak optreedt tijdens patroonvorming van de supergeleidende Nb dunne film. 15 Dit fabricageproces kan worden gebruikt voor een verscheidenheid van structuren met een supergeleidend microstripline architectuur , en verwachte future toepassingen zijn gebruikt voor ver-infrarood spectrometers. 25 De voornaamste beperking is dat het BCB gebruikt om de substraten aan elkaar lijmen plaatst een bovengrens aan de verwerkingstemperatuur (~ 250 ° C).
Cryogene metingen van de complexe overdracht van deze resonator inrichtingen, zoals beschreven in de sectie protocol mogelijk maken om kernmaterialen optimaal te extraheren voor supergeleidende en diëlektrische drager materialen en / of hun respons op ver-infrarood licht volgen. Echter, kalibratie en de voorbereiding van de test set-up is van cruciaal belang voor de mogelijkheid om precieze extracties van deze materiaal parameters te doen. Een standaard SOLT kalibratie methode werd gebruikt om de transmissie door de flexibele SMA kabels van de VNA kalibreren met de ingang van de cryostaat. De aanwezigheid van de RF verzwakker op de invoerinrichting en de circulatiepomp in het uitvoerapparaat noodzakelijk om gekoppeld afsluitingen te voorzien. Nameting kalibratie kan zijn carried uitgevoerd overeenkomstig de in situ calibratie procedure Cataldo et al. 11 Deze in situ calibratie handelwijze verder het referentievlak aan de input en output apparaat (aangeduid als "apparaatkalibratie plane" in fig. 2). Opgemerkt wordt dat in stap 6 van Protocol punt 4, een optimale spectrale bereik en aantal gegevenspunten worden aangelegd, die zowel adequate bemonstering van de smalle resonator structuren maar ook een overspanning die verder gaat dan de resonatoren de basislijn zodat steeds een correct worden verwijderd. Weg van de resonatoren, de basislijn wordt voldoende ontkoppelde om een onpartijdige amplitude kalibratie te bereiken, waardoor de fout in parameters afgeleid van de waargenomen respons verminderen.
De VNA data in situ kalibreren, worden de volgende stappen uitgevoerd: 1) Plaats het complex basislijn via een analytisch model fysisch gemotiveerd door de basislijnreactie; 2) Normalizatie van reële deel van de transmissie door het forceren van de transmissie amplitude gelijk aan een afstand van de resonatoren zijn; 3) Correctie voor variaties in de winst en verplaatsing van de referentie-vliegtuig op de TU Delft door het verdelen van het complex basislijn fit.
De details van deze calibratie stappen kunnen worden gevonden in Sec. IV van Cataldo et al. 11 Nadat de gegevens zijn gekalibreerd, kan de resonatoren worden gemodelleerd op twee manieren. In de eerste, een fenomenologisch model op basis van fysiek realiseerbaar rationale functies maakt extractie van de resonatoren 'middenfrequenties en breedtes met een nauwkeurigheid van 1%, zonder expliciet te specificeren het circuit netwerk (zie Sec. V van Cataldo et al. 11). In de tweede, een ABCD-matrix weergave van de gedistribueerde transmissielijn circuit maakt modellering van de waargenomen reactie van de karakteristieke impedanties, Z en propagatieconstanten, γ, metgedetailleerde kennis van het apparaat geometrie (bv lijn lengtes, l - zie afb. 2). Zelfconsistente belasting van het elektromagnetische constitutieve betrekkingen tussen permittiviteit en permeabiliteit van het materiaal tot en met Z en γ worden toegepast om parameters te extraheren zoals kinetische inductie fractie van de resonatoren en effectieve index met een nauwkeurigheid van 2% wanneer gekoppeld aan elektromagnetische simulaties (zie hfdst. VI van Cataldo et al. 11). Dit maakt het bestuderen van de interne structuur van het circuit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
De auteurs erkennen financiële steun van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) 's ROSES en APRA-programma's. GC erkent ook de universiteiten Space Research Association voor het beheer van zijn benoeming bij de NASA.
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).
