CN111641397B - 一种约瑟夫森行波放大器及其制备方法 - Google Patents
一种约瑟夫森行波放大器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开一种约瑟夫森行波放大器及其制备方法。所述约瑟夫森行波放大器包括两层金属层和中间介质层；第一金属层为铝薄膜，使用紫外光刻制备电容的下面板、电感和地平面；第二金属层使用双角度蒸发制备约瑟夫森结和电容的上面板；中间介质层使用单原子层沉积生长的氧化铝薄膜，完全覆盖第一金属层；多个约瑟夫森结构成传输线，传输线两端分别构成约瑟夫森行波放大器输入端口和输出端口；每个约瑟夫森结之间用平板电容与地连接，并在传输线弯折处采用共面波导线连接。采用本申请提供的约瑟夫森行波放大器能够减少材料损耗，简化制备工艺，提高器件制备的成品率。
Description
技术领域
本申请涉及放大器制备技术领域，尤其涉及一种约瑟夫森行波放大器及其制备方法。
背景技术
约瑟夫森行波放大器是利用约瑟夫森结作为非线性电感元件实现参量放大的器件。器件由超导电路和约瑟夫森结构成，具有噪声低、体积小、效率高和稳定性好等优点，其工作范围一般在3-10GHz。
利用约瑟夫森结构成放大器的方案有很多种，行波放大器具有以下优点：1.增益在20dB以上的带宽可以达到3GHz。2.由于输出和输入端口分开，不需要额外增加环形器来隔离输入和输出信号。3.可以串联使用，增大增益。4.驱动微波与信号传播方向必须相同，避免了驱动微波反射的问题。在微弱信号的测量有非常重要的应用，约瑟夫森行波放大器的噪声可以接近量子极限，用于测量数个微波光子的信号。
然而现有的约瑟夫森行波放大器结构复杂，所用材料种类较多、且制备工艺也需要非常严格的纳米加工技术和低损耗绝缘材料，一般实验室很难加工。基于此，亟需一种结构简单、所用材料较少且器件尺寸较小，且制备工艺相对简单的约瑟夫森行波放大器。
发明内容
本申请提供了一种约瑟夫森行波放大器，包括两层金属层和中间介质层；
第一金属层为铝薄膜，使用紫外光刻制备电容的下面板、电感和地平面；第二金属层使用双角度蒸发制备约瑟夫森结和电容的上面板；中间介质层使用单原子层沉积生长的氧化铝薄膜，完全覆盖第一金属层；
多个约瑟夫森结构成传输线，传输线两端分别构成约瑟夫森行波放大器输入端口和输出端口；每个约瑟夫森结之间用平板电容与地连接，并在传输线弯折处采用共面波导线连接。
如上所述的约瑟夫森行波放大器，其中，每三个约瑟夫森结构成一个单元，每个单元均包括LC谐振腔、三个约瑟夫森结和四个耦合电容；其中三个耦合电容用于形成传输线对地电容，保证传输线上的阻抗为50Ω，另外一个耦合电容用来形成传输线与LC谐振腔的耦合，实现单独控制谐振腔与传输线耦合的大小。
如上所述的约瑟夫森行波放大器，其中，LC谐振腔由一个电感和两个电容构成。
如上所述的约瑟夫森行波放大器，其中，约瑟夫森结的电感和平板电容匹配，保证传输线上的阻抗为50Ω。
如上所述的约瑟夫森行波放大器，其中，在输入端口输入需要放大的微弱信号微波和驱动微波，在输出端口输出经过放大的信号微波；驱动微波要远远强于信号微波，在输入端口使用定向耦合器，直通端口接入放大器中，输入端口接信号微波，在耦合端口接入驱动微波，由此将信号和驱动微波隔离起来，避免强驱动微波反射入信号微波端口，对信号微波造成干扰。
本申请还提供一种约瑟夫森行波放大器的制备方法，包括：
准备基片，旋涂双层光刻胶，使用紫外光刻机曝光所需图像，显影后制作薄膜；
使用电子束蒸发沉积铝薄膜，用剥离工艺去掉光刻胶及其上的铝薄膜，完成图形的转移，完成地平面、电感和电容的下平板；
使用单原子层沉积设备制备氧化铝薄膜，使用高温生长方法，得到高密度，低损耗的介质层薄膜，介质层完全覆盖第一层金属薄膜；
双角度蒸发约瑟夫森结第一层铝薄膜，然后放入氧化腔体中热氧化形成约瑟夫森结的绝缘层；
氧化完成后改变蒸发角度，蒸发第二层铝薄膜，剥离光刻胶和多余的金属薄膜，实现图形的转移，完成约瑟夫森结和电容的上平板。
如上所述的约瑟夫森行波放大器的制备方法，其中，所述制备方法所用的器件包括单原子层沉积设备、紫外光刻机和电子束蒸发设备。
如上所述的约瑟夫森行波放大器的制备方法，其中，所用器件均需要放在1.2K以下的低温环境中，使所用的金属铝薄膜进入超导状态，也使约瑟夫森结工作。
如上所述的约瑟夫森行波放大器的制备方法，其中，使用电子束蒸发第一层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为45度；使用电子束蒸发第二层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为-45度。
本申请实现的有益效果如下：
(1)整个器件只使用两种材料：铝和氧化铝，减少了不必要的污染源，使器件的性能得到更大提升；且制备中只使用3层薄膜，2次紫外光刻，大大简化了制备步骤，提高了器件制备的成品率；
(2)由约瑟夫森结构成的传输线在弯折处采用共面波导线连接，共面波导线也使用50Ω阻抗设计，确保器件整体的传输特性；
(3)每三个约瑟夫森结构成一个单元，一个单元耦合一个LC谐振腔，避免器件尺寸过于庞大，并简化制备工艺；
(4)LC谐振腔由一个电感和两个电容构成，无需在中间介质层穿孔，简化了制备工艺，大大降低了器件的制备难度，同时可以保证器件性能满足需求；
(5)由于无需在中间介质层穿孔，故选用材料难刻蚀且材料损耗低的氧化铝作为介质层；
(6)在输入端口使用定向耦合器，直通端口接入放大器中，输入端口接信号微波，在耦合端口接入驱动微波，可以把信号和驱动微波隔离起来，避免强驱动微波反射入信号微波端口，对信号微波造成干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例一提供的一种约瑟夫森行波放大器平面结构设计图以及两个单元的放大图；
图2是本申请实施例一提供的约瑟夫森行波放大器中一个单元的电路设计图；
图3是本申请实施例二提供的一种约瑟夫森行波放大器的制备方法流程图；
图4是LC谐振腔的谐振频率测量示意图，插图为单个LC谐振腔设计图。
具体实施方式
下面结和本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本申请实施例一提供一种约瑟夫森行波放大器，能够满足测量接近量子极限微弱信号的需求，可以应用在量子比特的测量中，简化了制备工艺，大大降低了器件的制备难度，同时可以保证器件性能满足需求。
图1为约瑟夫森行波放大器结构示意图。所述约瑟夫森行波放大器为三层薄膜结构，包括两层金属层和中间介质层(图中深色部分所示为第一金属层，图中方格结构为第二金属层，中间介质层未示出)；其中第一金属层为铝薄膜材质，使用紫外光刻制备出电容的下面板、电感和地平面；第二金属层使用双角度蒸发方法制备约瑟夫森结和电容的上面板；中间介质层使用ALD(atomiclayerdeposition，单原子层沉积)生长的氧化铝薄膜，完全覆盖第一金属层，无需做图形结构。
本申请优选采用2100个约瑟夫森结构成传输线，传输线两端分别构成约瑟夫森行波放大器输入端口和输出端口，在输入端口输入需要放大的微弱信号微波和驱动微波，在输出端口输出经过放大的信号微波；驱动微波要远远强于信号微波，在输入端口一般使用定向耦合器，直通端口接入放大器中，输入端口接信号微波，在耦合端口接入驱动微波，由此可以将信号和驱动微波隔离起来，避免强驱动微波反射入信号微波端口，对信号微波造成干扰。
进一步地，每个约瑟夫森结之间用一个平板电容与地连接，并且由于约瑟夫森结为非线性电感，故为了保证传输线上的阻抗为50Ω，需保证约瑟夫森结的电感和平板电容匹配，确保输入的信号不会被反射。
将本申请约瑟夫森行波放大器中的2100个约瑟夫森结每三个结分为一个单元，在每个单元之间采用直接连接的方式，在传输线弯折处采用共面波导线连接，其中，共面波导线也使用50Ω阻抗设计，以确保器件整体的传输特性。
图2为约瑟夫森行波放大器一个单元的电路设计图，每个单元包括一个LC谐振腔、三个约瑟夫森结和四个耦合电容，其中三个耦合电容用于形成传输线对地电容，保证传输线上的阻抗为50Ω，另外一个耦合电容用来形成传输线与LC谐振腔的耦合，实现单独控制谐振腔与传输线耦合的大小；LC谐振腔由一个电感和两个电容构成，两个电容设计为12pF，电感设计为120pH，LC谐振腔的最低模式频率为6GHZ。本申请采用一个电感和两个电容构成LC谐振腔的方案能够实现无需在两层金属层间的介质层穿孔，通过金属薄膜即可连接上下两层，简化制备工艺，而且正因为无需在介质层穿孔，因此本申请使用难刻蚀且耗损低的ALD生长的氧化铝薄膜作为介质层，减少介质层引起的损耗。
基于上述方案可见，本申请制备的约瑟夫森行波放大器只使用了铝和氧化铝两种材料，能够减少不必要的污染源，而且制备中只使用三层薄膜、两次紫外光刻，大大简化了制备流程，提高器件制备的成品率，使器件的性能得到更大提升。
实施例二
本申请实施例二提供一种约瑟夫森行波放大器的制备方法，如图3所示，包括：
步骤310、准备基片，旋涂双层光刻胶，使用紫外光刻机曝光所需图像，显影后制作薄膜；
本申请需要使用的器件包括单原子层沉积设备、紫外光刻机和电子束蒸发设备。本申请的器件均制备在无掺杂的本征硅基片，基片尺寸为6mm×6mm，基片厚度为0.5mm，此种硅基片由于没有掺杂，所以损耗很低，整个器件的传输线长度大约为30mm，传输线上微波的衰减可以控制在1dB以下；准备好基片后，旋涂双层光刻胶，一般使用LOR光刻胶作为底层光刻胶，AZ胶作为顶层光刻胶。
步骤320、使用电子束蒸发沉积铝薄膜，用剥离工艺去掉光刻胶及其上的铝薄膜，完成图形的转移，完成地平面、电感和电容的下平板。
其中，用电子束蒸发沉积的铝薄膜厚度为100nm，剥离完成后得到所需的第一层金属薄膜。
步骤330、使用单原子层沉积设备制备氧化铝薄膜，使用高温生长方法，得到高密度，低损耗的介质层薄膜，介质层完全覆盖第一层金属薄膜
其中，使用单原子层沉积设备制备氧化铝薄膜厚度为10nm。
步骤340、使用紫外光刻机曝光LOR和AZ双层胶，显影后使用电子束蒸发第一层铝薄膜，放入氧化腔体中热氧化形成约瑟夫森结的绝缘层；
本申请采用标准的双角度蒸发方法制备铝约瑟夫森结和电容的上平板，两次不同角度蒸发间用热氧化方法形成约瑟夫森结的绝缘层；
其中，使用电子束蒸发第一层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为45度，蒸发铝薄膜厚度为30nm，根据测试结果设定使用的氧化气压和时间，放入氧化腔体中热氧化形成约瑟夫森结的绝缘层。
步骤350、使用电子束蒸发第二层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为-45度，蒸发完成第二层铝薄膜后，剥离光刻胶和多余的金属薄膜，实现图形的转移，完成约瑟夫森结和电容的上平板。
本申请所使用的器件均需要放在1.2K以下的低温环境中，使所用的金属铝薄膜进入超导状态，也使约瑟夫森结工作。器件的测试需要用到两路微波源，一个作为信号微波，一般信号很微弱，另一路为驱动微波，驱动微波为强微波，两个微波的频率不同，使用一个定向耦合器把两路微波同时输入到器件中，同时在器件的输出端口测量信号频率的微波得到信号的增益。
由于本申请中的器件对各个单元的参数要求比较高，需要在正式器件制备前测试每个单元的特性做校准。图4为LC谐振腔的谐振频率测量，插图为单个LC设计图。设计频率为6GHz，第一批制备的谐振腔频率为6.45GHz，需要继续调整电容和电感参数，使得谐振腔频率更加接近设计值。同样对约瑟夫森结的临界电流和电容也需要精确的校准，以满足制备器件的需求。
本申请公开的约瑟夫森行波放大器是一个由约瑟夫森结组成的传输线，传输线与地之间形成电容，电容与结并联。约瑟夫森结可以看做是一个非线性电感，当一个足够大的驱动电流通过传输线时，会对传输线的电感产生调制作用，当加入微弱信号后，由于四波混频效应，在强驱动微波的对用下会对信号产生放大作用。在零驱动情况下，行波放大器中是相位匹配的，当驱动增大后，相位会急剧的失配。后来的理论提出用并联的谐振腔使行波放大器中相位匹配，加入谐振腔会产生一个截止频率，有相移的作用，相位失配可以通过改变驱动信号的波矢来补偿。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种约瑟夫森行波放大器，其特征在于，包括两层金属层和中间介质层；
第一金属层为铝薄膜，使用紫外光刻制备电容的下面板、电感和地平面；第二金属层使用双角度蒸发制备约瑟夫森结和电容的上面板；中间介质层使用单原子层沉积生长的氧化铝薄膜，完全覆盖第一金属层；
多个约瑟夫森结构成传输线，传输线两端分别构成约瑟夫森行波放大器输入端口和输出端口；每个约瑟夫森结之间用平板电容与地连接，并在传输线弯折处采用共面波导线连接，确保器件整体的传输特性；
每三个约瑟夫森结构成一个单元，每个单元均包括LC谐振腔、三个约瑟夫森结和四个耦合电容；其中三个耦合电容用于形成传输线对地电容，保证传输线上的阻抗为50Ω，另外一个耦合电容用来形成传输线与LC谐振腔的耦合，实现单独控制谐振腔与传输线耦合的大小；LC谐振腔由一个电感和两个电容构成，无需在中间介质层穿孔，通过金属薄膜连接上下两层，简化了制备工艺，大大降低了器件的制备难度，同时保证器件性能满足需求；
由于无需在中间介质层穿孔，故选用材料难刻蚀且材料损耗低的氧化铝作为介质层，减少了介质层引起的损耗；
所述约瑟夫森行波放大器的制备方法，包括：
准备基片，旋涂双层光刻胶，使用紫外光刻机曝光所需图像，显影后制作薄膜；
使用电子束蒸发沉积铝薄膜，用剥离工艺去掉光刻胶及其上的铝薄膜，完成图形的转移，完成地平面、电感和电容的下平板；
使用单原子层沉积设备制备氧化铝薄膜，使用高温生长方法，得到高密度，低损耗的介质层薄膜，介质层完全覆盖第一层金属薄膜；
使用紫外光刻机曝光LOR和AZ双层胶，显影后蒸发约瑟夫森结第一层铝薄膜，然后放入氧化腔体中热氧化形成约瑟夫森结的绝缘层；
氧化完成后改变蒸发角度，蒸发第二层铝薄膜，剥离光刻胶和多余的金属薄膜，实现图形的转移，完成约瑟夫森结和电容的上平板；
整个器件只使用两种材料：铝和氧化铝，减少了不必要的污染源，使器件的性能得到更大提升；且制备中只使用3层薄膜，2次紫外光刻，大大简化了制备步骤，提高了器件制备的成品率。
2.如权利要求1所述的约瑟夫森行波放大器，其特征在于，约瑟夫森结的电感和平板电容匹配，保证传输线上的阻抗为50Ω。
3.如权利要求1所述的约瑟夫森行波放大器，其特征在于，在输入端口输入需要放大的微弱信号微波和驱动微波，在输出端口输出经过放大的信号微波；驱动微波要远远强于信号微波，在输入端口使用定向耦合器，直通端口接入放大器中，输入端口接信号微波，在耦合端口接入驱动微波，由此将信号和驱动微波隔离起来，避免强驱动微波反射入信号微波端口，对信号微波造成干扰。
4.如权利要求1所述的约瑟夫森行波放大器，其特征在于，所述制备方法所用的器件包括单原子层沉积设备、紫外光刻机和电子束蒸发设备。
5.如权利要求4所述的约瑟夫森行波放大器，其特征在于，所用器件均需要放在1.2K以下的低温环境中，使所用的金属铝薄膜进入超导状态，也使约瑟夫森结工作。
6.如权利要求1所述的约瑟夫森行波放大器，其特征在于，使用电子束蒸发第一层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为45度；使用电子束蒸发第二层铝薄膜时，基片与蒸发方向角度为-45度。
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