CN110109314A - 一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用squid放大器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，所述时分复用SQUID放大器由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，所述超导开关由SQUID串联阵列组成，所述每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成，其中，所述两级SQUID放大器的第一级是几个SQUID串联组成的阵列，用于单个TES的信号匹配读出，所述两级SQUID放大器的第二级是几十个SQUID串联组成的阵列，用于放大器第一级读出信号的放大。本发明中时分复用SQUID放大器的SQUID环路为二阶梯度SQUID，有效抵消外部磁场，并采用并联电感的方式，增大与输入线圈和反馈线圈的耦合面积，与输入线圈和反馈线圈的耦合方式采用上下重叠耦合方式，互感系数大，有利于小信号TES阵列的读出。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，设计超导量子干涉仪(SQUID)放大器，特别涉及一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器。
背景技术
超导转变边沿探测器(TES)具有量子效率高、可分辨光子数，并且噪声性能好、响应线性度高、便于集成等优势，近年来被广泛应用。TES探测器既可以被用作探测毫米波和微米波的辐射热探测器，也被用作探测X射线和γ射线等高能光子的微量能器。由于TES的输出信号很弱，需要用低噪声放大器放大。超导量子干涉仪(SQUID)具有高的磁场灵敏度和低噪声等优点，可用于TES探测器的信号读出。目前，使用SQUID放大器读出TES探测器阵列的技术主要包括时分复用、频分复用、码分复用和微波复用，其中，时分复用方式是最容易实现的读出方式。国外对于时分复用技术已经成熟，然而，国内在时分复用读出技术方面刚刚起步。美国国家标准与技术研究院(NIST)和德国联邦物理技术研究院(PTB)掌握了较为先进的时分复用SQUID读出技术，NIST和PTB设计的时分复用SQUID放大器结构较为类似，其中SQUID环路与TES信号输入线圈、反馈线圈在同一平面交叉耦合，这种耦合方式互感系数小，不利于小信号TES的读出放大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，提高了SQUID环路与TES信号输入线圈、反馈线圈的互感系数。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。
优选地，所述超导开关以及两级SQUID放大器的第一级和第二级均是由SQUID串联组成的阵列。
优选地，所述超导开关中串联SQUID的数目为10～100，所述两级SQUID放大器的第一级中串联SQUID的数目为1～10个，第二级中串联SQUID的数目为10～100个。
优选地，所述超导开关与两级SQUID放大器中的第一级SQUID并联，第一级SQUID中的信号通过线圈耦合到第二级SQUID。
优选地，所述超导开关以及两级SQUID放大器中，SQUID环路与输入线圈、反馈线圈的耦合方式均采用上下重叠耦合方式。
优选地，所述SQUID环路为二阶梯度SQUID。
优选地，所述SQUID环路采用并联电感的方式增大与输入线圈和反馈线圈的耦合面积。
本发明还提供了所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、在晶向硅片正面生长SiO2薄膜；
步骤二、在步骤一中得到的样品正面制备Nb/AlOx/Nb三层膜，然后进行第一次光刻，并刻蚀上层Nb膜和AlOx膜，得到约瑟夫森结区图形；
步骤三、在步骤二中得到的样品正面，在下层Nb膜上进行第二次光刻，并刻蚀下层Nb膜，得到SQUID环路图形；
步骤四、在步骤三中得到的样品正面生长SiO2薄膜，然后进行第三次光刻，并刻蚀SiO2薄膜，得到Nb线层与下层Nb膜的通孔连接图形；
步骤五、在步骤四中得到样品正面沉积Nb薄膜，然后进行第四次光刻，并刻蚀Nb膜，得到输入线圈、反馈线圈以及连接图形；
步骤六、在步骤五中得到的样品正面，进行第五次光刻，然后制备Au薄膜作为电阻层，并剥离得到Au电阻图形。
优选地，所述步骤一中所述SiO2薄膜厚度为100～1000nm；步骤二中所述Nb/AlOx/Nb三层膜中上层Nb膜的厚度为200～400nm，AlOx膜的厚度为5～15nm，下层Nb膜的厚度为100～200nm；步骤四中所述SiO2薄膜厚度为200～400nm；步骤五中所述Nb薄膜厚度为300～600nm；步骤六中所述Au薄膜厚度为500～1000nm。
优选地，所述步骤一中使用热氧化法生长SiO2薄膜，所述步骤二中采用磁控溅射法制备Nb/AlOx/Nb三层膜；所述步骤四中采用磁控溅射法生长SiO2薄膜；所述步骤五中磁控溅射法沉积Nb薄膜；所述步骤六中采用磁控溅射法制备Au薄膜。
与现有技术相比，本发明中时分复用SQUID放大器的SQUID环路为二阶梯度SQUID，可有效抵消外部磁场，并采用并联电感的方式，增大与输入线圈和反馈线圈的耦合面积，与输入线圈和反馈线圈的耦合方式采用上下重叠耦合方式，互感系数大，有利于小信号TES阵列的读出。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器系统线路示意图。
图2是时分复用SQUID放大器电路仿真结果。(a)TES输入信号，(b)时分复用SQUID放大器系统第一级输出信号，(c)时分复用SQUID放大器系统第二级输出信号，(d)时分复用SQUID放大器系统经过磁通锁定环后最终的输出信号。
图3是二阶梯度SQUID环路与输入线圈、反馈线圈上下重叠耦合示意图，图中：31—约瑟夫森结，32—SQUID环路，33—输入线圈，34—反馈线圈。
图4是SQUID环路与输入线圈、反馈线圈的耦合方式示意图，其中(a)为同一平面交叉耦合方式，(b)为上下重叠耦合方式。
图5是时分复用SQUID放大器样品的截面示意图，图中：51—硅基底，52—SiO2薄膜，53—下层Nb电极，54—AlOx，55—上层Nb电极，56—SiO2绝缘层，57—Nb导线，58—金电阻层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1
如图1所示，一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。超导开关的原理：在不同时刻给超导开关的耦合线圈输入电流，来选择不同的信道。本发明中，超导开关是30个SQUID串联组成的阵列，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。两级SQUID放大器的第一级是4个SQUID串联组成的阵列，第二级是16个SQUID串联组成的阵列。超导开关与两级SQUID放大器中的第一级SQUID并联，第一级SQUID中的信号通过线圈耦合到第二级SQUID。
在不同时间段给不同TES超导开关的输入线圈中输入电流，使得超导开关的SQUID阵列在偏置磁场的作用下进入电阻态，在TES读出的第一级SQUID两端形成电压偏置，读出TES的信号变化，然后经过第二级SQUID对信号进行放大。
如图2所示，时分复用SQUID放大器的增益为跨阻240000欧，(a)中输入信号为5μA的电流脉冲，宽度0.2μs；(b)中经过第一级SQUID的输出信号为20μA的电流脉冲；(c)中经过第二级SQUID的输出信号为120μV的电压脉冲；(d)中经过磁通锁定环后最终的输出信号为1.2V的电压脉冲。
如图3所示，时分复用SQUID放大器的SQUID环路32为二阶梯度SQUID，SQUID环路32采用并联电感的方式增大与输入线圈33、反馈线圈34的耦合面积，SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34的耦合方式采用上下重叠耦合方式，两个约瑟夫森结31并联组成SQUID环路，输入线圈33与TES相连接，用于输入TES的信号，反馈线圈34与磁通锁定环相连接，用于磁通锁定。
如图4所示，其中，(a)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用同一层交叉耦合方式，互感系数为0.05，(b)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用上下重叠耦合方式，互感系数为0.2。
如图5所示，用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器制备工艺包括以下步骤：
步骤一、使用4英寸<100>晶向硅片51，在硅片51正面使用热氧化法生长400nm厚的SiO2薄膜52。
步骤二、在步骤一中得到的样品正面，采用磁控溅射法制备Nb/AlOx/Nb三层膜，厚度分别为200nm、10nm和150nm，然后进行第一次光刻，并刻蚀上层Nb膜55和AlOx膜54，得到约瑟夫森结区31的图形。
步骤三、在步骤二中得到的样品正面，在下层Nb膜53上进行第二次光刻，并刻蚀下层Nb膜53，得到SQUID环路32的图形。
步骤四、在步骤三中得到的样品正面，采用磁控溅射法生长300nm厚的SiO2薄膜56，然后进行第三次光刻，并刻蚀SiO2薄膜56，得到Nb膜57与下层Nb膜53的通孔连接图形。
步骤五、在步骤四中得到样品正面，采用磁控溅射技术沉积400nm厚的Nb膜57，然后进行第四次光刻，并刻蚀Nb膜57，得到输入线圈33、反馈线圈34以及连接图形。
步骤六、在步骤五中得到的样品正面，进行第五次光刻，然后采用磁控溅射法制备500nm厚的Au薄膜58作为电阻层，并剥离得到Au电阻图形。
实施例2
如图1所示，一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。超导开关由10个SQUID串联组成的阵列，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。两级SQUID放大器的第一级是1个SQUID组成，第二级是10个SQUID串联组成的阵列。
如图3所示，时分复用SQUID放大器的SQUID环路32为二阶梯度SQUID，SQUID环路32采用并联电感的方式增大与输入线圈33、反馈线圈34的耦合面积，SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34的耦合方式采用上下重叠耦合方式，两个约瑟夫森结31并联组成SQUID环路，输入线圈33与TES相连接，用于输入TES的信号，反馈线圈34与磁通锁定环相连接，用于磁通锁定。
如图4所示，其中，(a)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用同一层交叉耦合方式，互感系数为0.05，(b)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用上下重叠耦合方式，互感系数为0.2。
如图5所示，用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器制备工艺包括以下步骤：
步骤一、使用4英寸<100>晶向硅片51，在硅片51正面使用热氧化法生长100nm厚的SiO2薄膜52。
步骤二、在步骤一中得到的样品正面，采用磁控溅射法制备Nb/AlOx/Nb三层膜，厚度分别为200nm、5nm和100nm，然后进行第一次光刻，并刻蚀上层Nb膜55和AlOx膜54，得到约瑟夫森结区31图形。
步骤三、在步骤二中得到的样品正面，在下层Nb膜53上进行第二次光刻，并刻蚀下层Nb膜53，得到SQUID环路32图形。
步骤四、在步骤三中得到的样品正面，采用磁控溅射法生长200nm厚的SiO2薄膜56，然后进行第三次光刻，并刻蚀SiO2薄膜56，得到Nb线层57与下层Nb膜53的通孔连接图形。
步骤五、在步骤四中得到样品正面，采用磁控溅射技术沉积300nm厚的Nb薄膜57，然后进行第四次光刻，并刻蚀Nb膜57，得到输入线圈33、反馈线圈34以及连接图形。
步骤六、在步骤五中得到的样品正面，进行第五次光刻，然后采用磁控溅射法制备600nm厚的Au薄膜58作为电阻层，并剥离得到Au电阻图形。
实施例3
如图1所示，一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。超导开关是100个SQUID串联组成的阵列，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。两级SQUID放大器的第一级是10个SQUID串联组成的阵列，第二级是100个SQUID串联组成的阵列。
如图3所示，时分复用SQUID放大器的SQUID环路32为二阶梯度SQUID，SQUID环路32采用并联电感的方式增大与输入线圈33、反馈线圈34的耦合面积，SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34的耦合方式采用上下重叠耦合方式，两个约瑟夫森结31并联组成SQUID环路，输入线圈33与TES相连接，用于输入TES的信号，反馈线圈34与磁通锁定环相连接，用于磁通锁定。
如图4所示，其中，(a)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用同一层交叉耦合方式，互感系数为0.05，(b)所示SQUID环路32与输入线圈33、反馈线圈34采用上下重叠耦合方式，互感系数为0.2。
如图5所示，用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器制备工艺包括以下步骤：
步骤一、使用4英寸<100>晶向硅片51，在硅片15正面使用热氧化法生长400nm厚的SiO2薄膜52。
步骤二、在步骤一中得到的样品正面，采用磁控溅射法制备Nb/AlOx/Nb三层膜，厚度分别为400nm、15nm和200nm，然后进行第一次光刻，并刻蚀上层Nb膜55和AlOx膜54，得到约瑟夫森结区31图形。
步骤三、在步骤二中得到的样品正面，在下层Nb膜53上进行第二次光刻，并刻蚀下层Nb膜53，得到SQUID环路32图形。
步骤四、在步骤三中得到的样品正面，采用磁控溅射法生长400nm厚的SiO2薄膜56，然后进行第三次光刻，并刻蚀SiO2薄膜56，得到Nb线层57与下层Nb膜53的通孔连接图形。
步骤五、在步骤四中得到样品正面，采用磁控溅射技术沉积600nm厚的Nb薄膜57，然后进行第四次光刻，并刻蚀Nb膜57，得到输入线圈33、反馈线圈34以及连接图形。
步骤六、在步骤五中得到的样品正面，进行第五次光刻，然后采用磁控溅射法制备1000nm厚的Au薄膜58作为电阻层，并剥离得到Au电阻图形。
Claims (10)
1.一种用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，由超导开关选择和控制每个超导转变边缘探测器(TES)的信号读出，每个TES的信号读出系统由两级SQUID放大器组成。
2.根据权利要求1所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述超导开关以及两级SQUID放大器的第一级和第二级均是由SQUID串联组成的阵列。
3.根据权利要求2所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述超导开关中串联SQUID的数目为10～100，所述两级SQUID放大器的第一级中串联SQUID的数目为1～10个，第二级中串联SQUID的数目为10～100个。
4.根据权利要求2所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述超导开关与两级SQUID放大器中的第一级SQUID并联，第一级SQUID中的信号通过线圈耦合到第二级SQUID。
5.根据权利要求2所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述超导开关以及两级SQUID放大器中，SQUID环路与输入线圈、反馈线圈的耦合方式均采用上下重叠耦合方式。
6.根据权利要求5所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述SQUID环路为二阶梯度SQUID。
7.根据权利要求5所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器，其特征在于，所述SQUID环路采用并联电感的方式增大与输入线圈和反馈线圈的耦合面积。
8.权利要求1所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器的制备工艺，包括以下步骤：
步骤一、在晶向硅片正面生长SiO2薄膜；
步骤二、在步骤一中得到的样品正面制备Nb/AlOx/Nb三层膜，然后进行第一次光刻，并刻蚀上层Nb膜和AlOx膜，得到约瑟夫森结区图形；
步骤三、在步骤二中得到的样品正面，在下层Nb膜上进行第二次光刻，并刻蚀下层Nb膜，得到SQUID环路图形；
步骤四、在步骤三中得到的样品正面生长SiO2薄膜，然后进行第三次光刻，并刻蚀SiO2薄膜，得到Nb线层与下层Nb膜的通孔连接图形；
步骤五、在步骤四中得到样品正面沉积Nb薄膜，然后进行第四次光刻，并刻蚀Nb膜，得到输入线圈、反馈线圈以及连接图形；
步骤六、在步骤五中得到的样品正面，进行第五次光刻，然后制备Au薄膜作为电阻层，并剥离得到Au电阻图形。
9.根据权利要求8所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器的制备工艺，其特征在于，步骤一中所述SiO2薄膜厚度为100～1000nm；步骤二中所述Nb/AlOx/Nb三层膜中上层Nb膜的厚度为200～400nm，AlOx膜的厚度为5～15nm，下层Nb膜的厚度为100～200nm；步骤四中所述SiO2薄膜厚度为200～400nm；步骤五中所述Nb薄膜厚度为300～600nm；步骤六中所述Au薄膜厚度为500～1000nm。
10.根据权利要求8或9所述用于超导转变边缘探测器阵列读出的时分复用SQUID放大器的制备工艺，其特征在于，所述步骤一中使用热氧化法生长SiO2薄膜，所述步骤二中采用磁控溅射法制备Nb/AlOx/Nb三层膜；所述步骤四中采用磁控溅射法生长SiO2薄膜；所述步骤五中磁控溅射法沉积Nb薄膜；所述步骤六中采用磁控溅射法制备Au薄膜。
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