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低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

韩昊轩 张国峰 张雪 梁恬恬 应利良 王永良 彭炜 王镇

低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

韩昊轩, 张国峰, 张雪, 梁恬恬, 应利良, 王永良, 彭炜, 王镇
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  • 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器, 在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用. 本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计, 由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型, 增强其抗干扰性. 磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成, 其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合. 利用自主工艺平台, 在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备. 低温测试结果显示, 该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ0, 白噪声段磁通噪声为8 μΦ0/√Hz, 等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.
      通信作者: 张国峰, gfzhang@mail.sim.ac.cn
    [1]

    Zhang S, Zhang G, Wang Y, Liu M, Li H, Qiu Y, Zeng, J, Kong X, Xie X 2013 Chin. Phys. B 22 128501

    [2]

    Dong H, Wang Y, Zhang S, Sun Y, Xie X 2008 Supercond. Sci. Technol. 21 115009

    [3]

    荣亮亮, 蒋坤, 裴易峰, 伍俊, 王远 2016 仪器仪表学报 37 12

    Rong L, Jiang K, Pei Y, Wu J, Wang Y 2016 Chin. J. Sci. Instrum. 37 12

    [4]

    Josephson B D 1962 Phys. Lett. 1 251

    [5]

    Tesche C D, Clarke J 1977 J. Low Temp. Phys. 27 301

    [6]

    Drung D, Matz H, Koch H 1995 Rev. Sci. Instrum. 66 3008

    [7]

    Schmelz M, Stolz R, Zakosarenko V, Schoenau T, Anders A, Fritzsch L, Mueck M, Meyer H G 2011 Supercond. Sci. Technol. 24 065009

    [8]

    Xie X, Zhang Y, Wang H, Wang Y, Mueck M, Dong H, Krause H J, Braginski A I, Offenhaeusser A, Jiang M 2010 Supercond. Sci. Technol. 23 065016

    [9]

    Zeng J, Zhang Y, Mueck M, Krause H J, Braginski A I, Kong X, Xie X, Offenhaeusser A, Jiang M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 042601

    [10]

    Gurvitch M, Washington M A, Hugins H A 1983 Appl. Phys. Lett. 42 472

    [11]

    Zhang G, Zhang Y, Zhang S, Krause H J, Wang Y, Liu C, Zeng J, Qiu Y, Kong X, Dong H, Xie X, Offenhaeusser A, Jiang M 2012 Physica C 480 10

    [12]

    Xiong W, Xu W, Wu Y, Li G, Ying L, Peng W, Ren J, Wang Z 2018 IEEE Trans. Appl. Supercond. 28 1300605

    [13]

    Yuda M, Kuroda K, Nakano J 1987 Jpn. J. Appl. Phys. 2 6

    [14]

    Kuroda K, Yuda M 1988 Jpn. J. Appl. Phys. 63 2352

    [15]

    Imamura T, Hasuo S 1989 IEEE Trans. Magn. 3 3029

    [16]

    Booi P A A, Livingston C A, Benz S P 1993 IEEE Trans. Appl. Supercond. MAG-25 1119

    [17]

    Sukuda K, Kawai J, Uehara G, Kado H 1993 IEEE Trans. Magn. 3 2944

    [18]

    Amos R S, Breyer P E, Huang H H, Lichtenberger A W 1995 IEEE Trans. Magn. 5 2326

    [19]

    Kang X, Ying L, Wang H, Zhang G, Peng W, Kong X, Xie X, Wang Z 2014 Physica C 503 29

    [20]

    Zhao J, Zhang Y, Lee Y H, Krause H J 2014 Rev. Sci. Instrum. 85 054707

    [21]

    Clarke J, Goubau W M, Ketchen M B 1976 J. Low. Temp. Phys. 25 99

    [22]

    Zhang X, Zhang G, Ying L, Xiong W, Han H, Wang Y, Rong L, Xie X, Wang Z 2018 Physica C 548 1

  • 图 1  SQUID磁强计示意图

    Fig. 1.  Schematic diagram of SQUID magnetometer.

    图 2  (a) SQUID磁强计设计图; (b)等效电路图

    Fig. 2.  (a) Design of SQUID magnetometer and (b) the schematic diagram.

    图 3  器件工艺流程图

    Fig. 3.  Process flow chart of SQUID magnetometer.

    图 4  (a)电流-电压特性曲线; (b)不同偏置电流下的电压-线圈电流(磁通)调制曲线, 其中调制周期为4.3 μA/Φ0

    Fig. 4.  (a) Current-voltage curves; (b) voltage-coil current (flux) curves under different bias currents with a period of 4.3 μA/Φ0.

    图 5  SQUID磁强计噪声曲线 曲线中出现的杂峰主要是实验室震动干扰导致, 插图显示的是最佳工作点(W)时调制曲线

    Fig. 5.  Noise figure of SQUID magnetometer, in which the lines between 10–200 Hz were mainly caused by vibrations in the laboratory. The inset shows the modulation curve with the best working point.

    表 1  SQUID磁强计设计参数

    Table 1.  Design parameters of SQUID~magnetometer

    参数数值单位
    约瑟夫森结Josephson junction
    尺寸AJ4 × 4μm2
    临界电流Ic8μA
    结电容C[12]0.56pF
    并联电阻R10Ω
    SQUID
    垫圈内边长a100μm
    线宽ws300μm
    总电感Ls350pH
    输入线圈
    线圈匝数N15
    线宽win3μm
    线距sin3μm
    探测线圈
    线圈尺寸Ap15 × 15mm2
    线宽wp100μm
    下载: 导出CSV

    表 2  Nb/Al-AlOx/Nb三层膜生长参数

    Table 2.  Deposition parameters of Nb/Al-AlOx/Nb trilayer.

    薄膜背景真空Ar流量Ar气压恒电流生长速率厚度
    底层Nb2.3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa1.5 A1.2 nm/s100 nm
    Al3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa0.3 A0.25 nm/s10 nm
    AlOx氧气气压:2.6 kPa; 氧化时间:12 h~2 nm
    顶层Nb2.3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa1.5 A1.2 nm/s100 nm
    下载: 导出CSV

    表 3  SQUID磁强计测试结果

    Table 3.  Measured results of SQUID magnetometer

    参数数值单位
    临界电流I032μA
    正常态电阻Rn5Ω
    反馈线圈耦合系数1/Mf4.3μA/Φ0
    最大调制峰峰值Vpp47μV
    磁通噪声√SΦ(白噪声)8μΦ0/√Hz
    磁场灵敏度1/Aeff0.36nT/Φ0
    磁场噪声√SB(白噪声)2.88fT/√Hz
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Zhang S, Zhang G, Wang Y, Liu M, Li H, Qiu Y, Zeng, J, Kong X, Xie X 2013 Chin. Phys. B 22 128501

    [2]

    Dong H, Wang Y, Zhang S, Sun Y, Xie X 2008 Supercond. Sci. Technol. 21 115009

    [3]

    荣亮亮, 蒋坤, 裴易峰, 伍俊, 王远 2016 仪器仪表学报 37 12

    Rong L, Jiang K, Pei Y, Wu J, Wang Y 2016 Chin. J. Sci. Instrum. 37 12

    [4]

    Josephson B D 1962 Phys. Lett. 1 251

    [5]

    Tesche C D, Clarke J 1977 J. Low Temp. Phys. 27 301

    [6]

    Drung D, Matz H, Koch H 1995 Rev. Sci. Instrum. 66 3008

    [7]

    Schmelz M, Stolz R, Zakosarenko V, Schoenau T, Anders A, Fritzsch L, Mueck M, Meyer H G 2011 Supercond. Sci. Technol. 24 065009

    [8]

    Xie X, Zhang Y, Wang H, Wang Y, Mueck M, Dong H, Krause H J, Braginski A I, Offenhaeusser A, Jiang M 2010 Supercond. Sci. Technol. 23 065016

    [9]

    Zeng J, Zhang Y, Mueck M, Krause H J, Braginski A I, Kong X, Xie X, Offenhaeusser A, Jiang M 2013 Appl. Phys. Lett. 103 042601

    [10]

    Gurvitch M, Washington M A, Hugins H A 1983 Appl. Phys. Lett. 42 472

    [11]

    Zhang G, Zhang Y, Zhang S, Krause H J, Wang Y, Liu C, Zeng J, Qiu Y, Kong X, Dong H, Xie X, Offenhaeusser A, Jiang M 2012 Physica C 480 10

    [12]

    Xiong W, Xu W, Wu Y, Li G, Ying L, Peng W, Ren J, Wang Z 2018 IEEE Trans. Appl. Supercond. 28 1300605

    [13]

    Yuda M, Kuroda K, Nakano J 1987 Jpn. J. Appl. Phys. 2 6

    [14]

    Kuroda K, Yuda M 1988 Jpn. J. Appl. Phys. 63 2352

    [15]

    Imamura T, Hasuo S 1989 IEEE Trans. Magn. 3 3029

    [16]

    Booi P A A, Livingston C A, Benz S P 1993 IEEE Trans. Appl. Supercond. MAG-25 1119

    [17]

    Sukuda K, Kawai J, Uehara G, Kado H 1993 IEEE Trans. Magn. 3 2944

    [18]

    Amos R S, Breyer P E, Huang H H, Lichtenberger A W 1995 IEEE Trans. Magn. 5 2326

    [19]

    Kang X, Ying L, Wang H, Zhang G, Peng W, Kong X, Xie X, Wang Z 2014 Physica C 503 29

    [20]

    Zhao J, Zhang Y, Lee Y H, Krause H J 2014 Rev. Sci. Instrum. 85 054707

    [21]

    Clarke J, Goubau W M, Ketchen M B 1976 J. Low. Temp. Phys. 25 99

    [22]

    Zhang X, Zhang G, Ying L, Xiong W, Han H, Wang Y, Rong L, Xie X, Wang Z 2018 Physica C 548 1

  • [1] 马平, 姚坤, 谢飞翔, 张升原, 邓鹏, 何东风, 张凡, 刘乐园, 聂瑞娟, 王福仁, 王守证, 戴远东. 利用单通道高温超导磁梯度计获取心磁地图. 物理学报, 2002, 51(2): 224-227. doi: 10.7498/aps.51.224
    [2] 张永升, 邱阳, 张朝祥, 李华, 张树林, 王永良, 徐小峰, 丁红胜, 孔祥燕. 多通道心磁系统标定方法研究. 物理学报, 2014, 63(22): 228501. doi: 10.7498/aps.63.228501
    [3] 张树林, 刘扬波, 曾佳, 王永良, 孔祥燕, 谢晓明. 基于低温超导量子干涉器件的脑听觉激励磁场探测. 物理学报, 2012, 61(2): 020701. doi: 10.7498/aps.61.020701
    [4] 陈莺飞, S.ZAREMBINSKI. 阻尼型高温直流超导量子干涉器磁强计的设计. 物理学报, 1998, 47(8): 1369-1377. doi: 10.7498/aps.47.1369
    [5] 王杨婧, 谢拥军, 雷振亚. 用于射频超导量子干涉器的新型单CSRR磁通聚焦器和谐振器. 物理学报, 2012, 61(9): 094210. doi: 10.7498/aps.61.094210
    [6] 董正超. 铁磁-绝缘层-铁磁-d波超导结中的量子干涉效应对微分电导与散粒噪声的影响. 物理学报, 2002, 51(4): 894-897. doi: 10.7498/aps.51.894
    [7] 刘旭东, 王进, 刘楣, 邢定钰. 磁通密度对第Ⅱ类超导体磁通动力学的影响. 物理学报, 2002, 51(5): 1122-1127. doi: 10.7498/aps.51.1122
    [8] 周世平, 瞿海, 廖红印. 高温超导混合配对态与磁通涡旋格子. 物理学报, 2002, 51(10): 2355-2361. doi: 10.7498/aps.51.2355
    [9] 杜胜望, 戴远东, 王世光. 用射频超导量子干涉器件测量高温超导体序参量的位相. 物理学报, 1999, 48(12): 2364-2368. doi: 10.7498/aps.48.2364
    [10] 刘明, 徐小峰, 王永良, 曾佳, 李华, 邱阳, 张树林, 张国峰, 孔祥燕, 谢晓明. 超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究. 物理学报, 2013, 62(18): 188501. doi: 10.7498/aps.62.188501
    [11] 郎佩琳, 陈 珂, 郑东宁, 张鸣剑, 赵忠贤, 漆汉宏. 高阶高温超导量子干涉器件平面式梯度计的设计. 物理学报, 2004, 53(10): 3530-3534. doi: 10.7498/aps.53.3530
    [12] 瞿 海, 周世平. 高温超导体混合态磁通涡旋结构. 物理学报, 1999, 48(2): 352-362. doi: 10.7498/aps.48.352
    [13] 冯 勇, 周 廉, 杨万民, 张翠萍, 汪京荣, 于泽铭, 吴晓祖. PMP法YGdBaCuO超导体的磁通钉扎研究. 物理学报, 2000, 49(1): 146-152. doi: 10.7498/aps.49.146
    [14] 李耀义, 贾金锋. 在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模. 物理学报, 2019, 68(13): 137401. doi: 10.7498/aps.68.20181698
    [15] 董正超, 邢定钰, 董锦明. 铁磁-超导隧道结中的散粒噪声. 物理学报, 2001, 50(3): 556-560. doi: 10.7498/aps.50.556
    [16] 王强华, 姚希贤. Josephson磁通孤子振荡器中热噪声研究. 物理学报, 1993, 42(10): 1661-1668. doi: 10.7498/aps.42.1661
    [17] 赵国荣, 黄婧丽, 苏艳琴, 孙聪. 基于滚动时域估计的飞行器姿态估计及三轴磁强计在线校正. 物理学报, 2015, 64(21): 210502. doi: 10.7498/aps.64.210502
    [18] 李绍, 任育峰, 田野, 储海峰, 黎松林, 陈莺飞, 李洁, 陈赓华, 郑东宁, 王宁. 利用高温超导直流量子干涉器件进行10-6 T量级磁场下核磁共振的研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5744-5749. doi: 10.7498/aps.58.5744
    [19] 张凤英, 黄孙利, 曹效文. 高Tc氧化物YBa2Cu3Oy超导体中的磁通蠕动. 物理学报, 1990, 39(5): 830-835. doi: 10.7498/aps.39.830
    [20] 金新, 张贻瞳, 鹿牧, 张长贵, 颜涌, 于杨, 沈剑沧, 姚希贤. (BiPb)-Sr-Ca-Cu-O2223相高Tc超导体磁通钉扎与蠕动. 物理学报, 1991, 40(4): 630-633. doi: 10.7498/aps.40.630
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-02
  • 修回日期:  2019-05-06
  • 上网日期:  2019-08-16
  • 刊出日期:  2019-07-01

低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

  • 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
  • 通信作者: 张国峰, gfzhang@mail.sim.ac.cn

摘要: 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器, 在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用. 本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计, 由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型, 增强其抗干扰性. 磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成, 其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合. 利用自主工艺平台, 在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备. 低温测试结果显示, 该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ0, 白噪声段磁通噪声为8 μΦ0/√Hz, 等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.

English Abstract

    • 超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是一种极为灵敏的磁通传感器, 原则上可以探测一切可以转化为磁通的物理量. 在结构上主要由超导环和约瑟夫森结组成. 根据环中约瑟夫森结的数量分类, 含有一个结的称为交流(rf)SQUID, 含有两个结称为直流(dc)SQUID. 根据组成超导材料来分类, 又可分为低温SQUID和高温SQUID. 其中, 低温dc SQUID不论在噪声性能、工艺稳定性、读出电路组成方面都有明显优势, 在生物磁探测、低场核磁共振成像、地球物理探测等方面具有广泛应用[13]. 本文主要介绍基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的低温dc SQUID的制备.

      约瑟夫森结通常具有回滞的电流-电压特性曲线[4], 因此在组成SQUID时需要并联电阻以消除回滞, 一般要求回滞系数$\beta_{\rm{c}}=2 {\text{π}} I_{\rm{c}} R^{2} C / \varPhi_{0} \leqslant 1$, 其中Ic为结临界电流, R为结并联电阻, C为结电容, Φ0为磁通量子(2.07 × 10–15 Wb). SQUID超导环的大小决定了其磁场灵敏度, 环越大则灵敏度越高, 反之亦然. 但是, 环尺寸太大会造成SQUID电感增加. 根据仿真结果[5], 在优化条件βc = βL = 1下, 磁通噪声(√SΦ)2 = 16kBTL2/R, 其中kB为玻尔兹曼常数, T为温度, L为SQUID电感, 可以看到SQUID电感增加会引起磁通噪声提高. 因此, 当被用作磁探测器件时, SQUID通常与超导磁通变压器共同组成磁强计, 如图1所示. 磁通变压器是一组由输入线圈Lin和探测线圈Lp组成的超导环路, 输入线圈与SQUID之间通过互感Min进行磁通耦合. 探测线圈的有效面积Aeff与SQUID磁通噪声共同决定了SQUID磁场噪声, 即:√SB =√SΦ/Aeff.

      图  1  SQUID磁强计示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of SQUID magnetometer.

      SQUID由于具有阻抗小、噪声低的特点, 当与室温放大电路连接时会造成失配. Drung等[6]利用低温附加正反馈电路(additional positive feedback, APF)提升磁通-电压转换系数, 实现直读噪声1.6 fT/√Hz. Schmelz等[7]同样利用APF对亚微米结工艺制备的磁强计进行测试, 得到了低于1 fT/√Hz的噪声性能. Xie等[8]利用自举电路(SQUID bootstrap circuit, SBC)也得到2 fT/√Hz的磁强计噪声性能. 近期, Zeng等[9]研发欠阻尼SQUID, 省略了附加反馈电路, 牺牲少量噪声性能得到更加简单实用的直读器件, 噪声性能仍然达到5 fT/√Hz. 本文基于欠阻尼SQUID设计, 通过提升器件有效面积获得更高灵敏度, 实现低噪声磁强计制备, 用于多通道生物磁探测系统.

      得益于半导体工艺的飞速发展, SQUID现在也可以在整片硅晶圆上实现制备. 目前, 最为成熟标准的平面工艺包括选择铌刻蚀工艺(selective niobium etch process, SNEP)[10]. 本文根据自主工艺平台特点, 对SNEP做适当修改, 进行了高灵敏度SQUID磁强计制备, 并对器件电流-电压特性、磁通调制特性和噪声性能等进行了测试表征.

    • 图2显示了SQUID磁强计设计图, 其中SQUID部分采用了一阶梯度的并联电感设计, 这样设计有两个优点:一是增加SQUID有效面积但是电感并没有显著增加; 二是一阶梯度增加了SQUID抗共模干扰的能力[11]. SQUID电感采取经典的垫圈结构, 这样有利于集成输入线圈与SQUID间的有效磁通耦合.

      图  2  (a) SQUID磁强计设计图; (b)等效电路图

      Figure 2.  (a) Design of SQUID magnetometer and (b) the schematic diagram.

      磁通变压器由两部分组成:输入线圈和探测线圈. 输入线圈为螺旋多匝结构, 集成在SQUID垫圈结构之上, 每个垫圈之上线圈匝数一致但是绕向相反, 总输入电感为两组线圈串联之和. 探测线圈为单匝平面电感, 线圈尺寸和线宽决定了磁场探测有效面积. 一般情况下, 要求探测线圈和输入线圈电感值相等, 可以实现最佳的磁通转换效率. 本文为了保证磁强计的磁场灵敏度, 尽量增加探测线圈的几何尺寸, 相关设计参数见表1.

      参数数值单位
      约瑟夫森结Josephson junction
      尺寸AJ4 × 4μm2
      临界电流Ic8μA
      结电容C[12]0.56pF
      并联电阻R10Ω
      SQUID
      垫圈内边长a100μm
      线宽ws300μm
      总电感Ls350pH
      输入线圈
      线圈匝数N15
      线宽win3μm
      线距sin3μm
      探测线圈
      线圈尺寸Ap15 × 15mm2
      线宽wp100μm

      表 1  SQUID磁强计设计参数

      Table 1.  Design parameters of SQUID~magnetometer

    • 本文采用的平面工艺基于标准SNEP工艺, 再结合自主工艺平台特点, 创新点在于利用反应离子刻蚀工艺(RIE)同时对结区和底电极进行图形加工, 优点在于避免Al-AlOx势垒层的单独光刻加工, 从而避免了Al与碱性显影液反应的可能. 具体的工艺流程如图3所示.

      图  3  器件工艺流程图

      Figure 3.  Process flow chart of SQUID magnetometer.

      (a)Nb/Al-AlOx/Nb三层膜沉积. 利用直流磁控溅原位生长Nb/Al-AlOx/Nb三层膜[1319]. 薄膜沉积参数见表2. 其中, 薄膜沉积背景真空为2.3 × 10–5 Pa, Nb薄膜和Al薄膜均采用恒定电流模式, 分别在1.5 A和0.3 A下实现生长速率为1.2 nm/s和0.25 nm/s. Al薄膜在不破坏真空的情况下在纯氧气中进行原位氧化, 利用氧化气压和氧化时间来决定AlOx势垒层的厚度, 从而决定结临界电流密度[19]. 本文采用2.6 kPa纯氧中氧化12h实现50 A/cm2临界电流密度. 为了实现后续工艺过程, 上下层Nb薄膜均采用100 nm.

      薄膜背景真空Ar流量Ar气压恒电流生长速率厚度
      底层Nb2.3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa1.5 A1.2 nm/s100 nm
      Al3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa0.3 A0.25 nm/s10 nm
      AlOx氧气气压:2.6 kPa; 氧化时间:12 h~2 nm
      顶层Nb2.3 × 10–5 Pa10 sccm0.573 Pa1.5 A1.2 nm/s100 nm

      表 2  Nb/Al-AlOx/Nb三层膜生长参数

      Table 2.  Deposition parameters of Nb/Al-AlOx/Nb trilayer.

      (b)底电极预定义:利用接触式紫外光刻工艺对底电极进行预定义, 配合RIE对顶层Nb薄膜进行刻蚀. 然后在不去胶的情况下, 再利用离子束刻蚀对势垒层进行物理刻蚀. 此时, 保留了底层Nb薄膜.

      (c)定义结区和底电极:再次进行光刻, 主要用于实现结区图形. 当进行RIE工艺时, 顶层和底层Nb将被同时刻蚀. 其中, 上一步中预留的势垒层将作为底电极的刻蚀阻止层, 从而实现与结区的同时实现, 如图3(c)所示.

      (d)结并联电阻:本文中电阻采用钼薄膜电阻实现, 通过磁控溅射法制备. 其中电阻加工可以通过剥离(lift-off)或RIE刻蚀实现.

      (e)二氧化硅SiO2绝缘层:利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术进行SiO2绝缘层的沉积. 同样利用RIE进行刻蚀, 实现结区电极和电阻电极的通孔.

      (f)顶电极和线圈定义:顶电极Nb薄膜采用上述相同的沉积条件. 在该步骤中实现了输入线圈、探测线圈、反馈线圈、顶电极以及结和电阻之间的连接.

    • 器件工作所需的低温环境利用液氦(4.2 K)来实现. 为了获得器件本征性能, 需要对外界环境干扰进行有效屏蔽, 因此本实验一方面利用铌屏蔽筒在低温下实现超导屏蔽, 另一方面将杜瓦等低温测试系统置于磁屏蔽室(MSR)内, 在屏蔽室内利用读出电路调节SQUID最佳工作点, 同时在屏蔽室外完成数据采集.

      SQUID磁强计测试表征利用自主研制的直读电路完成. 与传统磁通调制读出电路不同的是, 该直读电路利用并联前放技术获得较低的电压噪声[20], 可以实现与SQUID之间的直接放大读出. 读出电路利用磁通锁定环(flux-locked loop, FLL)技术实现SQUID线性化读出[21], 即利用闭环负反馈技术将周期、非线性的SQUID调制信号转化为随外场线性变化的磁传感系统.

      图4(a)显示了SQUID磁强计的电流-电压特性测试曲线, 三条曲线分别对应外加磁通0, (n+1/2)Φ0和(2n+1)Φ0/4. SQUID临界电流为32 μA, 导致此时回滞系数βc > 1, 再通过下文的测试结果分析, 此时器件工作于欠阻尼情况下, 此即所谓的欠阻尼SQUID[9], 具有较大的磁通-电压转换系数$(\partial V/\partial \varPhi)$, 更加适合于直读电路.

      图  4  (a)电流-电压特性曲线; (b)不同偏置电流下的电压-线圈电流(磁通)调制曲线, 其中调制周期为4.3 μA/Φ0

      Figure 4.  (a) Current-voltage curves; (b) voltage-coil current (flux) curves under different bias currents with a period of 4.3 μA/Φ0.

      图4(b)显示了不同偏置电流下的电压-磁通调制曲线, 最大调制幅度达到47 μV, 使工作点W处的$\partial V/\partial \varPhi =$ 146 μV/Φ0. 利用自制低噪声直读电路, 对该磁强计进行了噪声测试, 噪声曲线如图5所示. 可以看到, 在白噪声段, 器件磁通噪声达到8μΦ0/√Hz. 利用亥姆霍兹线圈构建均匀标定磁场, 对该磁强计进行了有效面积标定. 通过施加若干组已知磁场, 监测SQUID输出, 再通过线性拟合得到1/Aeff =0.36 nT/Φ0. 再根据√SB = √SΦ/Aeff, 获得磁强计等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz. 相关测试结果汇总在表3中.

      图  5  SQUID磁强计噪声曲线 曲线中出现的杂峰主要是实验室震动干扰导致, 插图显示的是最佳工作点(W)时调制曲线

      Figure 5.  Noise figure of SQUID magnetometer, in which the lines between 10–200 Hz were mainly caused by vibrations in the laboratory. The inset shows the modulation curve with the best working point.

      参数数值单位
      临界电流I032μA
      正常态电阻Rn5Ω
      反馈线圈耦合系数1/Mf4.3μA/Φ0
      最大调制峰峰值Vpp47μV
      磁通噪声√SΦ(白噪声)8μΦ0/√Hz
      磁场灵敏度1/Aeff0.36nT/Φ0
      磁场噪声√SB(白噪声)2.88fT/√Hz

      表 3  SQUID磁强计测试结果

      Table 3.  Measured results of SQUID magnetometer

      测试结果显示, 采用大尺寸耦合线圈, SQUID灵敏度得到提升[22]. 由于灵敏度不仅与线圈尺寸相关, 而且与输入线圈电感匹配及输入线圈与SQUID之间的有效磁通耦合相关, 因此该设计还可以进一步优化输入线圈匝数及调整探测线圈线宽以获得最佳的磁通传输效率, 来获得更高的探测灵敏度.

    • 本文介绍了一种基于Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的SQUID磁强计. 利用自主工艺线在4英寸硅衬底上完成了大尺寸、高灵敏度SQUID磁强计的制备, 实现器件磁场灵敏度达到0.36 nT/Φ0, 器件磁场噪声性能在白噪声段达到2.88 fT/√Hz. 该SQUID磁强计适用于构建多通道探测系统, 在人体心磁、脑磁等生物磁探测中得到应用. 值得一提的是, 随着SQUID磁强计芯片尺寸的增加, 对晶圆平面工艺稳定性和可靠性提出了更高的要求, 最直接的反映就是芯片良率. 目前, 我们实现了4英寸硅衬底上最佳片上良率50%以上, 但是不同批次之间仍有起伏, 这也是未来SQUID工艺方面应重点改进的地方.

参考文献 (22)

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