串联超导量子干涉器件阵列制备与测试分析*

梁恬恬 张国峰 伍文涛 倪志 王永良 应利良伍俊 荣亮亮 彭炜 高波

1) (中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 信息功能材料国家重点实验室, 上海 200050)

2) (中国科学院超导电子学卓越创新中心, 上海 200050)

3) (中国科学院大学, 北京 100049)

串联超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)阵列通过增加SQUID数量来达到提升信噪比的目的, 即SQUID电压信号随SQUID数目比例增加而总电压噪声正比于SQUID数目的平方根值.本文介绍了利用自主工艺线进行串联SQUID阵列研究的相关研究进展, 实现了SQUID数量分别为200和800的阵列集成, 测试得到磁通噪声达到0.5 μ Φ0/和输入电流灵敏度35 μ A/Φ0 , 等效输入电流噪声达到另外, 还给出了阵列参数与集成SQUID数量的关系, 验证了设计可靠性和工艺一致性.

1 引 言

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是一种融合了磁通量子化[1,2]和约瑟夫森效应[3,4]的量子器件, 也是迄今为止已知的最为灵敏的磁通传感器.从结构上看, SQUID是一个被约瑟夫森结隔断的超导环结构, 可以根据所含约瑟夫森结的数量, 分为单个结的交流(rf)SQUID和两个结的直流(dc)SQUID两种, 本文研究的是dc SQUID(以下简称为SQUID).实际应用中, SQUID需要偏置在一定的电流或电压下, 称为恒流或恒压偏置, 对应的SQUID输出电压或电流将随穿过SQUID环的变化磁通呈现类似余弦的周期调制信号, 其周期精确地等于一个磁通量子( Φ0= 2.07 × 10–15Wb).由于SQUID磁敏感特性是周期非线性的, SQUID必须与读出电路配合工作在磁通锁定环(flux-locked loop,FLL)方式下才能构成磁传感器, 实现磁通-电压线性转换.在FLL中, 除了SQUID的本征噪声外,FLL的噪声主要来自读出电路的电压噪声其贡献用磁通噪声来表征, 即其中 VΦ为SQUID工作点处磁通-电压转换系数, 决定于SQUID磁通-电压调制曲线的斜率.可以看到, 为了获得最佳的磁通噪声, 通常要求SQUID工作点选择在 VΦ取得最大值处.一般情况下,SQUID动态电阻仅有几欧姆, 电压调制信号也只有几十微伏, 其噪声远低于室温半导体放大器的噪声, 造成SQUID应用中普遍存在的阻抗(噪声)匹配问题.为了实现SQUID与读出电路前置放大器之间的噪声匹配, 读出电路已经先后发展了磁通调制[5],及应用于直接读出的APF[6,7], NC[8,9], DROS[10,11],SBC[12]等提高磁通-电压传输率抑制前置放大器噪声的方案.

串联SQUID阵列(series SQUID array, SSA)是将若干数量的SQUID串联起来以增大SQUID信号放大能力.假设N个相同且彼此互相独立的SQUID串联组成SSA, N个SQUID输入磁通用同一组输入线圈来实现(如图1所示).假设阵列中的每个SQUID的电压噪声为它们相同且无关, 则可以取以上电压噪声都等于Vn,则阵列的总电压噪声为

图1 串联SQUID阵列(SSA)示意图.Ii和If分别表示通过输入线圈和反馈线圈的电流, Vo表示在偏置电流为Ib时SSA的输出电压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.

阵列中每个SQUID的输入信号都来自同一组输入线圈, 导致SQUID输出电压相关相加, 即总输出电压是所有SQUID输出电压之和, 相应地,SSA的 VΦ提升N倍.此时, SSA的信噪比, 或者说磁通噪声可以表示为

本文主要介绍SSA的研制进展, 包括在设计中重点关注的阵列中单个SQUID之间的互扰表现[21], 以及考虑到SQUID在实际应用环境中可能面临的磁场干扰而采取的梯度构型和滤波设计.利用上海微系统所超导电子器件工艺平台, 设计制备了分别包含200和800个SQUID的SSA, 初步验证了工艺可靠性和一致性.利用自制读出电路对SSA进行了测试表征, 获得电流-电压特性曲线、磁通调制曲线等, 分析了以上特性参数与SQUID数量的关系.在屏蔽室内, 实现了SSA测试磁通噪声低于0.5, 输入电流灵敏度35 μ A/Φ0, 等效输入电流噪声18

2 设计与制备

SQUID本身是一种磁通敏感元件, 特别是在运动系统(例如望远镜)中, SQUID在地球磁场中的运动造成的信号输出可以看作系统误差.因此,在SSA中, 我们采取了一阶梯度构型[22], 即超导环路采用一组形状完全相同但是绕向相反的“8”字形垫圈结构, 这样对称的结构设计可以有效降低SQUID对地球磁场等匀强磁场的响应.由于SQUID的紧密排布, 相邻SQUID超导环路之间的互感可能导致SSA的磁通相干性变差.因此,SQUID的垫圈形状呈扁宽型设计以等效拉宽单元间距.在垫圈上可放置两组独立的耦合线圈, 作为输入线圈和反馈线圈, 分别用于信号输入和FLL电路.图2给出了包含800个SQUID的SSA光镜图, 局部放大来看, 我们采用对称的设计结构, 有时候甚至使用冗余结构来保证阵列中的每个SQUID保持独立性.

图2 (a) SSA光镜图; (b) SSA局部放大图Fig.2.(a) Microscope photograph of global and (b) partial enlargement of SSA.

表1列出了SSA的设计参数.其中, 约瑟夫森结面积为3 µm × 3 µm, 临界电流约为9 µA.SQUID垫圈的线宽缩减至2 µm, 来抑制磁通钉扎效应[23], 这样垫圈上方只允许放置一匝线宽为1 µm的线圈, 为了进一步增强耦合强度, 增加另一匝线圈放置在垫圈外侧.在这种设计下, 分别实现了SQUID电感达到100 pH和线圈与SQUID之间的互感达到60 pH.

表1 SSA设计参数Table 1.Design parameters of SSA.

SSA的制备是基于原位磁控溅射生长的Nb/Al-AlOx/Nb三层膜工艺, 配合反应离子刻蚀等技术实现超导微结构加工.图3给出了SSA平面工艺截面示意图.其中, 约瑟夫森结采用顶部开窗技术, 窗口尺寸为2 µm.约瑟夫森结并联电阻采用钛/钯(Ti/Pd)双层膜, 其中总膜厚为40 nm, 可实现方块电阻值2 Ω /□.不同金属层间的绝缘层通过SiO2来实现.在SSA中, 最小线宽结构为输入线圈, 线宽尺寸为1 µm, 利用步进投影式光刻工艺(i-line stepper)来实现.目前, SSA的制备工艺可以在4英寸标准硅晶圆上实现, 工艺成品率在80%以上.

图3 SSA平面工艺截面示意图Fig.3.Cross section of SSA fabrication process.

3 测试与分析

在液氦温度下对SSA进行了测试.其中,SSA芯片固定在测试杆底部并外套铌筒以提供超导屏蔽, 将测试系统放置在由三层 µ 金属组成的磁屏蔽室内.

图4分别给出了包含200个SQUID的SSA电流-电压曲线和电压-线圈电流(磁通)调制曲线.在图4(a)中, 三根曲线分别对应整数、半整数和四分之一个磁通量子下的测试曲线, 从曲线上可以确定该SSA的临界电流为16 µA和正常态电阻为358 Ω.SSA随外磁通调制的曲线可以通过在恒定电流偏置下测试其两端电压来实现, 其中外磁通可以通过在输入线圈或反馈线圈施加扫描电流来实现.图4(b)给出了在不同偏置电流情况下SSA电压随流过输入线圈中电流而变化的曲线, 曲线周期为φ0, 对应电流35 µA, 即输入电流灵敏度为35 µA/φ0.从图4(b)还可以看到, 在偏置电流为17 µA时,SSA最大调制幅度可达到4 mV左右, 并且在最佳工作点处 VΦ约为36 mV/φ0.

图4 (a) SSA电流-电压特性曲线; (b) SSA在不同偏置电流下的电压-线圈电流(磁通)特性曲线Fig.4.(a) Current-voltage characteristic of SSA; (b) voltagecoil current (flux) characteristic at different bias currents of SSA.

由于具有较大的 VΦ, 可以有效地降低来自室温放大器的噪声, 直接将SSA与读出电路相连.图5所示的是在磁屏蔽室内测试得到的SSA磁通噪声曲线.可以看到, 在低频段(< 1 kHz), 噪声随着频率降低而升高, 呈现 1 /fα特点, α = 0.3.该噪声的主要影响因素来自于测试环境噪声干扰, 这提示我们在对SQUID等量子器件进行测试时应加强对外界干扰的屏蔽.在白噪声段(1 kHz以上), SSA最佳磁通噪声可低至0.5 μ Φ0/在这里, 室温放大器电压噪声约等效为磁通噪声约为0.03即此时可认为来自室温放大器的噪声贡献可以忽略不计.但是, 该测量磁通噪声仍然要比文献报道的数值要高.我们分析, 该阵列设计中的SQUID并没有完全做到互不相关, 导致噪声高于理论预期.利用上面得到的输入电流灵敏度, 可以计算SSA等效电流噪声为

图5 SSA磁通噪声曲线和等效电流噪声Fig.5.Flux noise curve and equivalent current noise of SSA.

为了研究SSA与SQUID数量的关系, 在200个SQUID基础上, 增加SQUID数量达到800, 并可以抽出不同数目的SQUID构成小的SSA, 由此来验证器件性能与串联个数之间的关系.将SSA的正常态电阻Rn、最大电压调制幅度Vpp和最大Vφ与SQUID数量的关系汇总到图6中.从线性拟合结果看, 以上参数与SQUID的数量呈现较好的线性关系, 这也说明了SSA设计中的SQUID之间保持了一定的独立性, 没有因串扰或设计缺陷造成SSA性能恶化[21].同时, 也说明了我们的制备工艺保持了很好的稳定性和一致性.但是, 通过对SQUID数量从20到200不等的SSA的噪声测试来看, 虽然随着SQUID数量的增加, SSA的磁通噪声呈下降趋势, 但仍然未达到理论值.也就是说,SSA中的SQUID还没有达到理想的非相关.这启示我们, 现有的SSA设计和测试系统仍然有优化的空间, 同时可以进一步提升输入电流灵敏度, 以获得更低的输入电流噪声水平.

图6 (a) SSA的正常态电阻Rn(方点)和最大电压调制幅度Vpp(星点)与SQUID数量之间的关系, 实线和虚线均为测试数据的线性拟合; (b) SSA的最大磁通-电压转换系数Vφ与SQUID数量之间的关系, 其中点为测试值, 线为线性拟合的结果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 结 论

本文介绍了具有较大集成规模的串联SQUID阵列的研究进展, 集成数量分别达到200和800.在SQUID阵列中, 采用了一阶梯度构型来降低外场的共模干扰.在磁屏蔽室内, 测试得到阵列的相关特性曲线, 实现磁通-电压转换系数达到利用直读电路测得磁通噪声低至以及35 µA/φ0的输入电流灵敏度, 等效输入电流噪声达到串联SQUID阵列的成功制备验证了自主工艺线的工艺稳定性和一致性, 为低噪声放大器和TES等低阻探测器的复用读出奠定了基础.