二階梯度交叉耦合超導量子干涉儀電流傳感器研制*

徐達 鐘青? 曹文會 王雪深 王仕建李勁勁? 劉建設 陳煒

1) (中國計量科學研究院, 前沿計量科學中心, 北京 102200)

2) (清華大學, 微電子學研究所, 北京 100084)

1 引 言

超導量子干涉儀(superconducting quantum interference device, SQUID)具有極高的探測靈敏度, 其等效能量分辨率接近量子極限, 是目前最靈敏的磁場傳感器和電流傳感器[1,2].因此, SQUID的應用非常廣泛, 不僅作為磁場傳感器, 用于地磁、心磁和腦磁等微弱磁場信號的探測, 還作為電流傳感器, 用于超導轉變邊緣探測器(transitionedge sensor, TES)、磁性金屬微量能器等低噪聲探測器的微弱電流信號讀出[3,4].目前, SQUID電流傳感器已發展成為TES的微弱信號讀出的唯一選擇, 與TES一起成為天文探測、粒子物理以及輻射計量等大型科學裝置的關鍵核心器件[5-7].由于TES的噪聲和阻抗很小, 與常用場效應晶體管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有實際應用.在2000年前后, 美國國家標準技術研究院(NIST)研究人員使用SQUID電流傳感器解決了這個問題[1],這是由于SQUID器件噪聲很小, 而且阻抗與TES匹配.隨后, NIST研究人員開始發展用于TES陣列讀出的SQUID多種復用讀出技術[8].在2010年之后, SQUID的時分復用、碼分復用和頻分復用讀出TES陣列技術逐漸成熟[3], 同時, NIST和海德堡大學又開始發展了微波復用SQUID讀出技術[9,10], 用于讀出具有更多像素的TES陣列.

對于單個TES信號讀出, 一般采用兩級SQUID讀出方案[11], 其中, 第一級采用低噪聲水平的單個SQUID, 讀取TES的微弱電流信號變化; 第二級采用SQUID陣列, 放大第一級SQUID的輸出信號.第一級SQUID通常與TES一起工作, 極易受到外界磁場的干擾, 因此, 需將第一級SQUID電流傳感器設計成為梯度結構, 以減弱外界磁場的影響[12].目前, SQUID電流傳感器的梯度結構主要有一階梯度結構和二階梯度結構[8,11-16].其中, 一階梯度SQUID, 結構簡單、設計靈活, 多用于SQUID陣列和高靈敏度的磁強計[17]; 而用于TES信號讀出的第一級SQUID多采用二階梯度結構, 相比于一階梯度SQUID結構, 可有效地提高抵抗電磁干擾的能力[11,12].在SQUID器件中, SQUID環路與輸入線圈、反饋線圈的耦合方式主要有重疊耦合和交叉耦合兩種方式.這兩種結構各有優缺點:重疊耦合SQUID結構互感系數大, 但是存在較大寄生電容; 而交叉耦合SQUID結構寄生電容相對較小, 但是互感系數較小.為了滿足不同信號大小的TES讀出需求, SQUID器件的性能參數各不相同.

德國聯邦物理研究院(PTB)發展了超高靈敏度的SQUID器件[11,13,14,16,18,19], 研制的兩級SQUID放大器中第一級SQUID為二階梯度并聯結構, 采用重疊耦合方式, 磁通噪聲為美國Star Cryoelectronics公司可提供不同輸入電感的SQUID產品[20,21], SQUID環路采用一階梯度結構和重疊耦合方式, 磁通噪聲為2.4—4德國海德堡大學與德國PTB合作發展了二階梯度SQUID電流傳感器, SQUID環路與輸入線圈的互感為162 pH, 其電流靈敏度為13 μA/Φ0[9,22,23].然而, 他們的器件中SQUID環路和輸入線圈、反饋線圈采用重疊耦合方式, 這種耦合方式與交叉耦合方式相比會產生更大的寄生電容.而且, 他們器件的1/4 SQUID環路采用正方形結構[23], 與正八邊形結構相比, 對稱性較差, 對于環境磁場抵消不利.NIST發展了用于TES陣列讀出的多種SQUID復用讀出技術, 其中, 時分復用SQUID電流傳感器采用二階梯度結構[8,10,12,24].中國科學院上海微系統與信息技術研究所發展了用于微弱磁場測試的SQUID磁強計, 采用一階梯度結構和重疊耦合方式, 磁通噪聲達到3—8[17,25].但是國內用于TES信號讀出的SQUID電流傳感器仍然沒有報道.

本文將介紹自主研制的基于Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結的二階梯度正八邊形交叉耦合SQU ID電流傳感器, 測試并討論了在液氦溫區此SQU ID電流傳感器的性能, 包括磁通-電壓調制曲線、電流靈敏度、磁通和電流噪聲水平.

2 結構設計

用于TES信號讀出SQUID電流傳感器環路主要有兩種平面梯度結構[1,12,18,25-27]: 一階梯度結構和二階梯度結構, 如圖1所示.圖1(a)為SQUID環路等效結構示意圖, SQUID環路是由兩個約瑟夫森結連接組成的環路非梯度結構;圖1(b)為一階梯度并聯SQUID環路結構, 其中SQUID環路由兩個線圈并聯形成; 圖1(c)為一階梯度串聯SQUID環路結構, 其中SQUID環路由兩個線圈串聯形成; 圖1(d)為二階梯度并聯SQU ID環路結構, 其中SQUID環路由四個線圈并聯形成.當外磁場變化時, 一階梯度SQUID環路的兩個線圈中產生的電流方向相反, 引起的SQUID電壓輸出相反, 從而有效地抵消垂直于SQUID平面的均勻磁場; 二階梯度SQUID是將兩個一階梯度的結果再次差分, 不僅消除了垂直于SQUID平面的均勻磁場和線性變化磁場, 還可以消除垂直于SQUID平面磁場在SQUID平面內的不均勻分布變化.

圖1 (a) SQUID環路示意圖; (b) 一階梯度并聯SQUID環路結構示意圖; (c) 一階梯度串聯SQUID環路結構示意圖; (d) 二階梯度并聯SQUID環路結構示意圖Fig.1.Schematic diagrams of (a) SQUID loop, (b) a firstorder gradiometric parallel SQUID loop, (c) a first-order gradiometric series SQUID loop, and (d) a second-order gradiometric parallel SQUID loop.

參考文獻[23,24,28]的SQUID器件參數, SQU ID輸入電流靈敏度1/MIN設計為10—30 μA/Φ0,SQUID環路與輸入線圈的互感MIN則為67—200 pH.反饋電流靈敏度1/MFB設計為50—150 μA/Φ0, SQUID環路與反饋線圈的互感MFB則為13—40 pH.

依據此前研究經驗[29], 約瑟夫森結的臨界電流密度J0可以在1—1.5 μA/μm2間調控, 約瑟夫森結電容CJ=SCs約為 2 pF, 其中S為約瑟夫森結面積,Cs為單位面積約瑟夫森結電容.當約瑟夫森結面積S為7 μm × 7 μm時, 臨界電流I0為49—73 μA.由于SQUID工作要求回滯系數小于1, 約瑟夫森結的并聯電阻Rsh要小于1.5 Ω.根據SQUID的設計原則, 一般取調制系數βL=2I0LSQ/Φ0為1—2之間最佳.當I0為49—73 μA時, SQUID環路電感LSQ選取為13—40 pH.

根據以上參數, 設計了用于TES信號讀出的二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器, 其結構如圖2所示, SQUID環路(SQ)、輸入線圈(IN)、反饋線圈(FB)均采用二階梯度結構.SQUID環路與輸入線圈、反饋線圈均采用不同平面交叉耦合方式, 其等效電路圖如圖3所示.

圖2 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器掃描電子顯微鏡圖Fig.2.Scanning electron microscope picture of the secondorder gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

圖3 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器等效電路圖Fig.3.Equivalent circuit of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

SQUID環路由四個正八邊形槽墊圈并聯組成, 其中每個槽墊圈由三個正八邊形并聯組成, 邊長分別為17 μm, 33 μm和45 μm.輸入線圈和反饋線圈分別與每個正八邊形槽墊圈有2.5匝和0.5匝的耦合區域, 線圈的繞向極性與SQUID環路相匹配.兩個約瑟夫森結在SQUID環路中間,每個約瑟夫森結有兩個10 μm寬, 3 μm長的并聯電阻, 按照方塊電阻值為5.6 Ω/□, 有效并聯電阻為0.84 Ω.回滯系數βc的設計值為0.2, 確保在mK溫區實現小的噪聲參數, 同時也可保證約瑟夫森結發生變化時SQUID仍可以穩定運行.為了減小熱電子效應, 約瑟夫森結并聯電阻與散熱片相連.這種并聯電感的設計可以增大SQUID環路與輸入線圈、反饋線圈的耦合面積, 從而提高兩者之間的磁通耦合系數, 同時減小了SQUID環路電感,增強SQUID電流傳感器的抗干擾能力.根據SQU ID原理[1], SQUID的磁通噪聲SΦ≈ 16kBTL2/R,磁通電壓轉換系數VΦ≈1/(πLC)1/2, 噪聲能量ε≈16kBT(LC)1/2.由此可知, 二階梯度SQUID環路中四個槽墊圈并聯, 減小了SQUID環路電感, 使得SQUID的磁通-電壓轉換系數增大, 磁通噪聲和噪聲能量減小.

通過對二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的各個部分電感和互感進行仿真計算[30], 得到SQUID環路電感LSQ為33 pH, 輸入線圈電感LIN為3 nH, 反饋線圈電感LFB為1 nH, SQUID環路與輸入線圈互感MIN=kIN(LSQLIN)1/2為130 pH,SQUID環路與反饋線圈互感MFB=kFB(LSQLFB)1/2為36 pH.因此, 設計的SQUID電流傳感器的輸入電流靈敏度1/MIN為15 μA/Φ0, 反饋電流靈敏度1/MFB為56 μA/Φ0.表1總結了二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的設計參數.

表1 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的設計參數Table 1.Design parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

3 器件制備

在有SiO2絕緣層的單晶硅片襯底上, 采用直流磁控濺射生長Nb/Al-AlOx/Nb三層膜.Nb/Al-AlOx/Nb三層膜沉積的背景真空優于5 × 10—8Torr (1 Torr = 1.33322 × 102Pa).底層Nb電極和上層Nb電極的厚度分別為200和120 nm, Al-AlOx的厚度為12 nm.Al膜在不破壞真空的條件下, 使用高純氧氣氧化.通過控制氧化壓強和氧化時間來控制AlOx勢壘層的厚度, 從而調控約瑟夫森結臨界電流密度.在氣壓為0.5 Torr的氧氣中氧化15 h.在生長Nb/Al-AlOx/Nb三層膜后, 對Nb/Al-AlOx/Nb三層膜進行光刻和刻蝕工藝: 采用反應離子刻蝕(reactive ion etching, RIE)在SF6氣體中對上層和下層Nb膜進行圖形化, 定義約瑟夫森結區和底電極圖形; 采用濕法腐蝕對Al-AlOx勢壘層進行圖形化, Al-AlOx勢壘層面積大于約瑟夫森結區的上層Nb膜面積, 避免了約瑟夫森結區不可控制地側向腐蝕.之后, 使用等離子增強化學氣相沉積系統(ICP-CVD)生長350 nm SiO2絕緣層, 并通過ICP-RIE刻蝕技術在CHF3和O2的混合氣體中定義通孔結構.采用電子束蒸發制備鈀金(PdAu)電阻層, 并采用剝離的方式形成結構.PdAu的厚度為100 nm, 方塊電阻值為5.6 Ω/□.最后, 采用直流磁控濺射法生長400 nm厚的Nb線層, 通過RIE法在SF6氣體中刻蝕得到輸入線圈、反饋線圈, 并實現結與電阻的連接.最終制備出二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器, 其掃描電子顯微鏡圖像如圖2所示.

4 性能測試和討論

SQUID電流傳感器工作時需要低溫環境和良好的磁屏蔽環境.利用鋁合金液氦杜瓦提供液氦溫區工作環境.采用坡莫合金屏蔽筒內置鉛超導屏蔽筒來提供良好的磁屏蔽.使用低溫膠將制備的二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器芯片固定到樣品托上, 并通過PCB板接線到SQUID電子學系統,最后將裝有SQUID器件的樣品桿置于液氦杜瓦中進行低溫性能測試.SQUID電流傳感器的I-V曲線通過傳統的四電極法測試得到, 使用樂真F2002程控精密電流源輸入電流, 安捷倫34420A電壓表讀取電壓.使用Magnicon GmbH公司的低噪聲、高增益SQUID電子學系統XXF-1[31]測試V-Φ特性曲線.該SQUID電子學系統電壓噪聲極低, 可實現低噪聲SQUID電流傳感器的磁通鎖定工作.將SQUID器件磁通鎖定在1/4Φ0處后, 采用動態信號分析儀HP35670A測試SQUID器件的噪聲曲線.

圖4顯示的是在不同溫度下二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的電流-電壓(I-V)曲線.從圖4可知, 該器件是非回滯的, 臨界電流Ic在4.2—7.7 K下為168—57 μA, 隨著溫度的升高, 器件的臨界電流逐漸降低.根據此I-V曲線正常態的斜率, 得到約瑟夫森結的并聯電阻Rsh為1 Ω.

圖4 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的電流-電壓曲線Fig.4.Current-voltage curves of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

圖5 顯示了二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器輸入線圈的電壓-磁通(V-Φ)調制曲線.設置輸入線圈的電流從0增大到100 μA時, 呈現約5.8個周期.輸入線圈的電流靈敏度1/MIN為17 μA/Φ0,SQUID環路與輸入線圈的互感MIN為117 pH.這與表1中輸入電流靈敏度1/MIN設計值15 μA/Φ0和SQUID環路與輸入線圈的互感仿真結果130 pH相一致.

圖5 二階梯度交叉耦合SQUID輸入線圈的電壓-磁通調制曲線Fig.5.Voltage-flux curve for the input coil of the secondorder gradiometric cross-coupled SQUID.

圖6 顯示的是二階梯度交叉耦合SQUID器件的反饋線圈的電壓-磁通(V-Φ)調制曲線.V-Φ調制曲線的峰峰值最大為31 μV, 磁通-電壓轉換系數為108 μV/Φ0.使用具有良好磁屏蔽效果的坡莫合金和鉛屏蔽罩時, 二階梯度交叉耦合SQUID器件在4.2 K工作時V-Φ調制曲線的調制深度最大時對應的偏置電流Ib,max為215 μA.根據公式[32],Ib,max為V-Φ調制曲線峰峰值最大時SQUID器件的偏置電流, 估算SQUID器件中約瑟夫森結的臨界電流I0為110 μA.回滯系數為0.67, SQUID器件中的約瑟夫森結為過阻尼結.而使用具有沒有磁屏蔽效果的不銹鋼罩時,SQUID器件的Ib,max為218 μA.因此, 在不同屏蔽環境下SQUID器件的Ib,max變化不大, 也說明SQUID器件的臨界電流受熱噪聲和外界磁場的影響不大.

圖6 二階梯度交叉耦合SQUID反饋線圈的電壓-磁通調制曲線Fig.6.Voltage-flux curve for the feedback coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.

設置反饋線圈的電流從0增加到250 μA時,反饋線圈V-Φ曲線呈現約2.9個周期.反饋線圈的電流靈敏度1/MFB為86 μA/Φ0, SQUID環路與反饋線圈的互感MFB為24 pH.這與表1中反饋電流靈敏度1/MFB設計值56 μA/Φ0和SQUID環路與反饋線圈的互感仿真結果36 pH相接近.

為了評估二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的抗環境干擾能力, 對比測試具有良好磁屏蔽的坡莫合金/鉛屏蔽筒和沒有磁屏蔽效果的不銹鋼套筒下的噪聲水平.將SQUID電流傳感器的工作點磁通鎖定在圖6中V-Φ曲線的1/4Φ0處, 測試結果如圖7所示.為了避免SQUID電子學中前置放大器的噪聲的影響, 通過磁通鎖定環的反饋電路計算了該器件的磁通噪聲曲線, 電壓白噪聲為反饋電路中反饋電阻Rf為10 kΩ, 其磁通白噪聲電流白噪聲拐點頻率約為200 Hz, 可滿足部分TES對SQUID電流傳感器的噪聲要求[10].從圖7可以看出, 當頻率f＜ 20 Hz時, 在無磁屏蔽條件下測試二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器得到的噪聲水平比在良好磁屏蔽條件下測試得到的噪聲大.在0.1 Hz處, 無磁屏蔽條件下比良好磁屏蔽條件下測試得到的噪聲水平增大了一個量級.而在低頻下,非梯度SQUID器件在無磁屏蔽下比良好磁屏蔽下的噪聲水平增大了三個量級[18].當頻率f＞ 20 Hz時, 無磁屏蔽條件下和良好磁屏蔽條件下測試得到的噪聲水平相當.這說明該二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器可在無磁屏蔽環境下工作, 具有良好的抵抗環境電磁干擾能力.

圖7 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的噪聲曲線Fig.7.Noise curves of the second-order gradiometric crosscoupled SQUID current sensor.

1/f噪聲主要來自約瑟夫森結的臨界電流漲落和SQUID器件中捕獲磁通線的運動[1].1/f噪聲拐點頻率較高可能與約瑟夫森結的尺寸、臨界電流和SQUID梯度結構捕獲磁通的能力有關.減小約瑟夫森結尺寸, 降低臨界電流, 可抑制臨界電流漲落, 同時, 減小約瑟夫森結尺寸, 可減弱對磁場線的捕獲能力.

二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的液氦溫區相關的測試結果總結在表2.由表2可以看出,研制的二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器可以初步用于TES的信號讀出, 電流分辨率達到進一步優化輸入線圈匝數和SQUID環路大小, 提高SQUID環路與輸入線圈之間的互感, 可以提高二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的輸入電流靈敏度, 從而降低電流噪聲水平; 進一步減小約瑟夫森結尺寸, 降低臨界電流, 降低1/f拐點頻率, 滿足更微弱、更低頻信號變化的TES探測要求.

表2 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的性能參數Table 2.Property parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

5 結 論

本文研制了基于Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結的二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器, 其中SQUID環路、輸入線圈和反饋線圈都是二階梯度結構, SQUID與輸入線圈、反饋線圈采用不同平面交叉耦合方式, 實現了器件的輸入電流靈敏度達到17 μA/Φ0, 磁通白噪聲達到電流白噪聲達到二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器具有良好的抵抗環境電磁干擾能力.未來將進一步優化二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器中SQUID環路與輸入線圈的互感, 優化約瑟夫森結尺寸和臨界電流, 從而提高器件的電流靈敏度, 降低電流噪聲水平, 降低1/f拐點頻率, 滿足更微弱電流信號變化的、更低頻下TES應用的需求.

感謝中國計量科學研究院楊雁、張明宇和倪澤剛的討論和幫忙.