串聯(lián)超導(dǎo)量子干涉器件陣列制備與測試分析*

梁恬恬 張國峰 伍文濤 倪志 王永良 應(yīng)利良伍俊 榮亮亮 彭煒 高波

1) (中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 信息功能材料國家重點實驗室, 上海 200050)

2) (中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 上海 200050)

3) (中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

串聯(lián)超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)陣列通過增加SQUID數(shù)量來達到提升信噪比的目的, 即SQUID電壓信號隨SQUID數(shù)目比例增加而總電壓噪聲正比于SQUID數(shù)目的平方根值.本文介紹了利用自主工藝線進行串聯(lián)SQUID陣列研究的相關(guān)研究進展, 實現(xiàn)了SQUID數(shù)量分別為200和800的陣列集成, 測試得到磁通噪聲達到0.5 μ Φ0/和輸入電流靈敏度35 μ A/Φ0 , 等效輸入電流噪聲達到另外, 還給出了陣列參數(shù)與集成SQUID數(shù)量的關(guān)系, 驗證了設(shè)計可靠性和工藝一致性.

1 引 言

超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是一種融合了磁通量子化[1,2]和約瑟夫森效應(yīng)[3,4]的量子器件, 也是迄今為止已知的最為靈敏的磁通傳感器.從結(jié)構(gòu)上看, SQUID是一個被約瑟夫森結(jié)隔斷的超導(dǎo)環(huán)結(jié)構(gòu), 可以根據(jù)所含約瑟夫森結(jié)的數(shù)量, 分為單個結(jié)的交流(rf)SQUID和兩個結(jié)的直流(dc)SQUID兩種, 本文研究的是dc SQUID(以下簡稱為SQUID).實際應(yīng)用中, SQUID需要偏置在一定的電流或電壓下, 稱為恒流或恒壓偏置, 對應(yīng)的SQUID輸出電壓或電流將隨穿過SQUID環(huán)的變化磁通呈現(xiàn)類似余弦的周期調(diào)制信號, 其周期精確地等于一個磁通量子( Φ0= 2.07 × 10–15Wb).由于SQUID磁敏感特性是周期非線性的, SQUID必須與讀出電路配合工作在磁通鎖定環(huán)(flux-locked loop,FLL)方式下才能構(gòu)成磁傳感器, 實現(xiàn)磁通-電壓線性轉(zhuǎn)換.在FLL中, 除了SQUID的本征噪聲外,FLL的噪聲主要來自讀出電路的電壓噪聲其貢獻用磁通噪聲來表征, 即其中 VΦ為SQUID工作點處磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù), 決定于SQUID磁通-電壓調(diào)制曲線的斜率.可以看到, 為了獲得最佳的磁通噪聲, 通常要求SQUID工作點選擇在 VΦ取得最大值處.一般情況下,SQUID動態(tài)電阻僅有幾歐姆, 電壓調(diào)制信號也只有幾十微伏, 其噪聲遠低于室溫半導(dǎo)體放大器的噪聲, 造成SQUID應(yīng)用中普遍存在的阻抗(噪聲)匹配問題.為了實現(xiàn)SQUID與讀出電路前置放大器之間的噪聲匹配, 讀出電路已經(jīng)先后發(fā)展了磁通調(diào)制[5],及應(yīng)用于直接讀出的APF[6,7], NC[8,9], DROS[10,11],SBC[12]等提高磁通-電壓傳輸率抑制前置放大器噪聲的方案.

串聯(lián)SQUID陣列(series SQUID array, SSA)是將若干數(shù)量的SQUID串聯(lián)起來以增大SQUID信號放大能力.假設(shè)N個相同且彼此互相獨立的SQUID串聯(lián)組成SSA, N個SQUID輸入磁通用同一組輸入線圈來實現(xiàn)(如圖1所示).假設(shè)陣列中的每個SQUID的電壓噪聲為它們相同且無關(guān), 則可以取以上電壓噪聲都等于Vn,則陣列的總電壓噪聲為

圖1 串聯(lián)SQUID陣列(SSA)示意圖.Ii和If分別表示通過輸入線圈和反饋線圈的電流, Vo表示在偏置電流為Ib時SSA的輸出電壓Fig.1.Schematic diagram of series SQUID array (SSA).Ii and If represent the current through the input coil and feedback coil, respectively.Vo is the output voltage of SSA biased at the current Ib.

陣列中每個SQUID的輸入信號都來自同一組輸入線圈, 導(dǎo)致SQUID輸出電壓相關(guān)相加, 即總輸出電壓是所有SQUID輸出電壓之和, 相應(yīng)地,SSA的 VΦ提升N倍.此時, SSA的信噪比, 或者說磁通噪聲可以表示為

本文主要介紹SSA的研制進展, 包括在設(shè)計中重點關(guān)注的陣列中單個SQUID之間的互擾表現(xiàn)[21], 以及考慮到SQUID在實際應(yīng)用環(huán)境中可能面臨的磁場干擾而采取的梯度構(gòu)型和濾波設(shè)計.利用上海微系統(tǒng)所超導(dǎo)電子器件工藝平臺, 設(shè)計制備了分別包含200和800個SQUID的SSA, 初步驗證了工藝可靠性和一致性.利用自制讀出電路對SSA進行了測試表征, 獲得電流-電壓特性曲線、磁通調(diào)制曲線等, 分析了以上特性參數(shù)與SQUID數(shù)量的關(guān)系.在屏蔽室內(nèi), 實現(xiàn)了SSA測試磁通噪聲低于0.5, 輸入電流靈敏度35 μ A/Φ0, 等效輸入電流噪聲18

2 設(shè)計與制備

SQUID本身是一種磁通敏感元件, 特別是在運動系統(tǒng)(例如望遠鏡)中, SQUID在地球磁場中的運動造成的信號輸出可以看作系統(tǒng)誤差.因此,在SSA中, 我們采取了一階梯度構(gòu)型[22], 即超導(dǎo)環(huán)路采用一組形狀完全相同但是繞向相反的“8”字形墊圈結(jié)構(gòu), 這樣對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效降低SQUID對地球磁場等勻強磁場的響應(yīng).由于SQUID的緊密排布, 相鄰SQUID超導(dǎo)環(huán)路之間的互感可能導(dǎo)致SSA的磁通相干性變差.因此,SQUID的墊圈形狀呈扁寬型設(shè)計以等效拉寬單元間距.在墊圈上可放置兩組獨立的耦合線圈, 作為輸入線圈和反饋線圈, 分別用于信號輸入和FLL電路.圖2給出了包含800個SQUID的SSA光鏡圖, 局部放大來看, 我們采用對稱的設(shè)計結(jié)構(gòu), 有時候甚至使用冗余結(jié)構(gòu)來保證陣列中的每個SQUID保持獨立性.

圖2 (a) SSA光鏡圖; (b) SSA局部放大圖Fig.2.(a) Microscope photograph of global and (b) partial enlargement of SSA.

表1列出了SSA的設(shè)計參數(shù).其中, 約瑟夫森結(jié)面積為3 μm × 3 μm, 臨界電流約為9 μA.SQUID墊圈的線寬縮減至2 μm, 來抑制磁通釘扎效應(yīng)[23], 這樣墊圈上方只允許放置一匝線寬為1 μm的線圈, 為了進一步增強耦合強度, 增加另一匝線圈放置在墊圈外側(cè).在這種設(shè)計下, 分別實現(xiàn)了SQUID電感達到100 pH和線圈與SQUID之間的互感達到60 pH.

表1 SSA設(shè)計參數(shù)Table 1.Design parameters of SSA.

SSA的制備是基于原位磁控濺射生長的Nb/Al-AlOx/Nb三層膜工藝, 配合反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)實現(xiàn)超導(dǎo)微結(jié)構(gòu)加工.圖3給出了SSA平面工藝截面示意圖.其中, 約瑟夫森結(jié)采用頂部開窗技術(shù), 窗口尺寸為2 μm.約瑟夫森結(jié)并聯(lián)電阻采用鈦/鈀(Ti/Pd)雙層膜, 其中總膜厚為40 nm, 可實現(xiàn)方塊電阻值2 ? /□.不同金屬層間的絕緣層通過SiO2來實現(xiàn).在SSA中, 最小線寬結(jié)構(gòu)為輸入線圈, 線寬尺寸為1 μm, 利用步進投影式光刻工藝(i-line stepper)來實現(xiàn).目前, SSA的制備工藝可以在4英寸標(biāo)準(zhǔn)硅晶圓上實現(xiàn), 工藝成品率在80%以上.

圖3 SSA平面工藝截面示意圖Fig.3.Cross section of SSA fabrication process.

3 測試與分析

在液氦溫度下對SSA進行了測試.其中,SSA芯片固定在測試桿底部并外套鈮筒以提供超導(dǎo)屏蔽, 將測試系統(tǒng)放置在由三層 μ 金屬組成的磁屏蔽室內(nèi).

圖4分別給出了包含200個SQUID的SSA電流-電壓曲線和電壓-線圈電流(磁通)調(diào)制曲線.在圖4(a)中, 三根曲線分別對應(yīng)整數(shù)、半整數(shù)和四分之一個磁通量子下的測試曲線, 從曲線上可以確定該SSA的臨界電流為16 μA和正常態(tài)電阻為358 Ω.SSA隨外磁通調(diào)制的曲線可以通過在恒定電流偏置下測試其兩端電壓來實現(xiàn), 其中外磁通可以通過在輸入線圈或反饋線圈施加掃描電流來實現(xiàn).圖4(b)給出了在不同偏置電流情況下SSA電壓隨流過輸入線圈中電流而變化的曲線, 曲線周期為φ0, 對應(yīng)電流35 μA, 即輸入電流靈敏度為35 μA/φ0.從圖4(b)還可以看到, 在偏置電流為17 μA時,SSA最大調(diào)制幅度可達到4 mV左右, 并且在最佳工作點處 VΦ約為36 mV/φ0.

圖4 (a) SSA電流-電壓特性曲線; (b) SSA在不同偏置電流下的電壓-線圈電流(磁通)特性曲線Fig.4.(a) Current-voltage characteristic of SSA; (b) voltagecoil current (flux) characteristic at different bias currents of SSA.

由于具有較大的 VΦ, 可以有效地降低來自室溫放大器的噪聲, 直接將SSA與讀出電路相連.圖5所示的是在磁屏蔽室內(nèi)測試得到的SSA磁通噪聲曲線.可以看到, 在低頻段(< 1 kHz), 噪聲隨著頻率降低而升高, 呈現(xiàn) 1 /fα特點, α = 0.3.該噪聲的主要影響因素來自于測試環(huán)境噪聲干擾, 這提示我們在對SQUID等量子器件進行測試時應(yīng)加強對外界干擾的屏蔽.在白噪聲段(1 kHz以上), SSA最佳磁通噪聲可低至0.5 μ Φ0/在這里, 室溫放大器電壓噪聲約等效為磁通噪聲約為0.03即此時可認(rèn)為來自室溫放大器的噪聲貢獻可以忽略不計.但是, 該測量磁通噪聲仍然要比文獻報道的數(shù)值要高.我們分析, 該陣列設(shè)計中的SQUID并沒有完全做到互不相關(guān), 導(dǎo)致噪聲高于理論預(yù)期.利用上面得到的輸入電流靈敏度, 可以計算SSA等效電流噪聲為

圖5 SSA磁通噪聲曲線和等效電流噪聲Fig.5.Flux noise curve and equivalent current noise of SSA.

為了研究SSA與SQUID數(shù)量的關(guān)系, 在200個SQUID基礎(chǔ)上, 增加SQUID數(shù)量達到800, 并可以抽出不同數(shù)目的SQUID構(gòu)成小的SSA, 由此來驗證器件性能與串聯(lián)個數(shù)之間的關(guān)系.將SSA的正常態(tài)電阻Rn、最大電壓調(diào)制幅度Vpp和最大Vφ與SQUID數(shù)量的關(guān)系匯總到圖6中.從線性擬合結(jié)果看, 以上參數(shù)與SQUID的數(shù)量呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 這也說明了SSA設(shè)計中的SQUID之間保持了一定的獨立性, 沒有因串?dāng)_或設(shè)計缺陷造成SSA性能惡化[21].同時, 也說明了我們的制備工藝保持了很好的穩(wěn)定性和一致性.但是, 通過對SQUID數(shù)量從20到200不等的SSA的噪聲測試來看, 雖然隨著SQUID數(shù)量的增加, SSA的磁通噪聲呈下降趨勢, 但仍然未達到理論值.也就是說,SSA中的SQUID還沒有達到理想的非相關(guān).這啟示我們, 現(xiàn)有的SSA設(shè)計和測試系統(tǒng)仍然有優(yōu)化的空間, 同時可以進一步提升輸入電流靈敏度, 以獲得更低的輸入電流噪聲水平.

圖6 (a) SSA的正常態(tài)電阻Rn(方點)和最大電壓調(diào)制幅度Vpp(星點)與SQUID數(shù)量之間的關(guān)系, 實線和虛線均為測試數(shù)據(jù)的線性擬合; (b) SSA的最大磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)Vφ與SQUID數(shù)量之間的關(guān)系, 其中點為測試值, 線為線性擬合的結(jié)果Fig.6.(a) Normal resistance Rn (square dot) and maximum voltage swing Vpp (star dot) of SSA dependence on the SQUID-element number, in which the solid and dashed line are linear fittings, respectively (b) maximum flux-to-voltage coefficient Vφ dependence on the SQUID-element number,where the dots are experimental data and the line is the result of linear fitting.

4 結(jié) 論

本文介紹了具有較大集成規(guī)模的串聯(lián)SQUID陣列的研究進展, 集成數(shù)量分別達到200和800.在SQUID陣列中, 采用了一階梯度構(gòu)型來降低外場的共模干擾.在磁屏蔽室內(nèi), 測試得到陣列的相關(guān)特性曲線, 實現(xiàn)磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)達到利用直讀電路測得磁通噪聲低至以及35 μA/φ0的輸入電流靈敏度, 等效輸入電流噪聲達到串聯(lián)SQUID陣列的成功制備驗證了自主工藝線的工藝穩(wěn)定性和一致性, 為低噪聲放大器和TES等低阻探測器的復(fù)用讀出奠定了基礎(chǔ).