二階梯度交叉耦合超導(dǎo)量子干涉儀電流傳感器研制*

徐達(dá) 鐘青? 曹文會 王雪深 王仕建李勁勁? 劉建設(shè) 陳煒

1) (中國計量科學(xué)研究院, 前沿計量科學(xué)中心, 北京 102200)

2) (清華大學(xué), 微電子學(xué)研究所, 北京 100084)

1 引 言

超導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)轉(zhuǎn)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(fā)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(xué)裝置的關(guān)鍵核心器件[5-7].由于TES的噪聲和阻抗很小, 與常用場效應(yīng)晶體管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有實際應(yīng)用.在2000年前后, 美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(fā)展用于TES陣列讀出的SQUID多種復(fù)用讀出技術(shù)[8].在2010年之后, SQUID的時分復(fù)用、碼分復(fù)用和頻分復(fù)用讀出TES陣列技術(shù)逐漸成熟[3], 同時, NIST和海德堡大學(xué)又開始發(fā)展了微波復(fù)用SQUID讀出技術(shù)[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(shè)計成為梯度結(jié)構(gòu), 以減弱外界磁場的影響[12].目前, SQUID電流傳感器的梯度結(jié)構(gòu)主要有一階梯度結(jié)構(gòu)和二階梯度結(jié)構(gòu)[8,11-16].其中, 一階梯度SQUID, 結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)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(jié)構(gòu), 相比于一階梯度SQUID結(jié)構(gòu), 可有效地提高抵抗電磁干擾的能力[11,12].在SQUID器件中, SQUID環(huán)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(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點:重疊耦合SQUID結(jié)構(gòu)互感系數(shù)大, 但是存在較大寄生電容; 而交叉耦合SQUID結(jié)構(gòu)寄生電容相對較小, 但是互感系數(shù)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(shù)各不相同.

德國聯(lián)邦物理研究院(PTB)發(fā)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(lián)結(jié)構(gòu), 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(chǎn)品[20,21], SQUID環(huán)路采用一階梯度結(jié)構(gòu)和重疊耦合方式, 磁通噪聲為2.4—4德國海德堡大學(xué)與德國PTB合作發(fā)展了二階梯度SQUID電流傳感器, SQUID環(huán)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(huán)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(chǎn)生更大的寄生電容.而且, 他們器件的1/4 SQUID環(huán)路采用正方形結(jié)構(gòu)[23], 與正八邊形結(jié)構(gòu)相比, 對稱性較差, 對于環(huán)境磁場抵消不利.NIST發(fā)展了用于TES陣列讀出的多種SQUID復(fù)用讀出技術(shù), 其中, 時分復(fù)用SQUID電流傳感器采用二階梯度結(jié)構(gòu)[8,10,12,24].中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所發(fā)展了用于微弱磁場測試的SQUID磁強計, 采用一階梯度結(jié)構(gòu)和重疊耦合方式, 磁通噪聲達(dá)到3—8[17,25].但是國內(nèi)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(jié)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(qū)此SQU ID電流傳感器的性能, 包括磁通-電壓調(diào)制曲線、電流靈敏度、磁通和電流噪聲水平.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于TES信號讀出SQUID電流傳感器環(huán)路主要有兩種平面梯度結(jié)構(gòu)[1,12,18,25-27]: 一階梯度結(jié)構(gòu)和二階梯度結(jié)構(gòu), 如圖1所示.圖1(a)為SQUID環(huán)路等效結(jié)構(gòu)示意圖, SQUID環(huán)路是由兩個約瑟夫森結(jié)連接組成的環(huán)路非梯度結(jié)構(gòu);圖1(b)為一階梯度并聯(lián)SQUID環(huán)路結(jié)構(gòu), 其中SQUID環(huán)路由兩個線圈并聯(lián)形成; 圖1(c)為一階梯度串聯(lián)SQUID環(huán)路結(jié)構(gòu), 其中SQUID環(huán)路由兩個線圈串聯(lián)形成; 圖1(d)為二階梯度并聯(lián)SQU ID環(huán)路結(jié)構(gòu), 其中SQUID環(huán)路由四個線圈并聯(lián)形成.當(dāng)外磁場變化時, 一階梯度SQUID環(huán)路的兩個線圈中產(chǎn)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(jié)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(nèi)的不均勻分布變化.

圖1 (a) SQUID環(huán)路示意圖; (b) 一階梯度并聯(lián)SQUID環(huán)路結(jié)構(gòu)示意圖; (c) 一階梯度串聯(lián)SQUID環(huán)路結(jié)構(gòu)示意圖; (d) 二階梯度并聯(lián)SQUID環(huán)路結(jié)構(gòu)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(xiàn)[23,24,28]的SQUID器件參數(shù), SQU ID輸入電流靈敏度1/MIN設(shè)計為10—30 μA/Φ0,SQUID環(huán)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(shè)計為50—150 μA/Φ0, SQUID環(huán)路與反饋線圈的互感MFB則為13—40 pH.

依據(jù)此前研究經(jīng)驗[29], 約瑟夫森結(jié)的臨界電流密度J0可以在1—1.5 μA/μm2間調(diào)控, 約瑟夫森結(jié)電容CJ=SCs約為 2 pF, 其中S為約瑟夫森結(jié)面積,Cs為單位面積約瑟夫森結(jié)電容.當(dāng)約瑟夫森結(jié)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(shù)小于1, 約瑟夫森結(jié)的并聯(lián)電阻Rsh要小于1.5 Ω.根據(jù)SQUID的設(shè)計原則, 一般取調(diào)制系數(shù)βL=2I0LSQ/Φ0為1—2之間最佳.當(dāng)I0為49—73 μA時, SQUID環(huán)路電感LSQ選取為13—40 pH.

根據(jù)以上參數(shù), 設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示, SQUID環(huán)路(SQ)、輸入線圈(IN)、反饋線圈(FB)均采用二階梯度結(jié)構(gòu).SQUID環(huán)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(huán)路由四個正八邊形槽墊圈并聯(lián)組成, 其中每個槽墊圈由三個正八邊形并聯(lián)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(qū)域, 線圈的繞向極性與SQUID環(huán)路相匹配.兩個約瑟夫森結(jié)在SQUID環(huán)路中間,每個約瑟夫森結(jié)有兩個10 μm寬, 3 μm長的并聯(lián)電阻, 按照方塊電阻值為5.6 Ω/□, 有效并聯(lián)電阻為0.84 Ω.回滯系數(shù)βc的設(shè)計值為0.2, 確保在mK溫區(qū)實現(xiàn)小的噪聲參數(shù), 同時也可保證約瑟夫森結(jié)發(fā)生變化時SQUID仍可以穩(wěn)定運行.為了減小熱電子效應(yīng), 約瑟夫森結(jié)并聯(lián)電阻與散熱片相連.這種并聯(lián)電感的設(shè)計可以增大SQUID環(huán)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(shù), 同時減小了SQUID環(huán)路電感,增強SQUID電流傳感器的抗干擾能力.根據(jù)SQU ID原理[1], SQUID的磁通噪聲SΦ≈ 16kBTL2/R,磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)VΦ≈1/(πLC)1/2, 噪聲能量ε≈16kBT(LC)1/2.由此可知, 二階梯度SQUID環(huán)路中四個槽墊圈并聯(lián), 減小了SQUID環(huán)路電感, 使得SQUID的磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)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(jìn)行仿真計算[30], 得到SQUID環(huán)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(huán)路與輸入線圈互感MIN=kIN(LSQLIN)1/2為130 pH,SQUID環(huán)路與反饋線圈互感MFB=kFB(LSQLFB)1/2為36 pH.因此, 設(shè)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(jié)了二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的設(shè)計參數(shù).

表1 二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器的設(shè)計參數(shù)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(yōu)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(diào)控約瑟夫森結(jié)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(jìn)行光刻和刻蝕工藝: 采用反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching, RIE)在SF6氣體中對上層和下層Nb膜進(jìn)行圖形化, 定義約瑟夫森結(jié)區(qū)和底電極圖形; 采用濕法腐蝕對Al-AlOx勢壘層進(jìn)行圖形化, Al-AlOx勢壘層面積大于約瑟夫森結(jié)區(qū)的上層Nb膜面積, 避免了約瑟夫森結(jié)區(qū)不可控制地側(cè)向腐蝕.之后, 使用等離子增強化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(ICP-CVD)生長350 nm SiO2絕緣層, 并通過ICP-RIE刻蝕技術(shù)在CHF3和O2的混合氣體中定義通孔結(jié)構(gòu).采用電子束蒸發(fā)制備鈀金(PdAu)電阻層, 并采用剝離的方式形成結(jié)構(gòu).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(xiàn)結(jié)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(huán)境和良好的磁屏蔽環(huán)境.利用鋁合金液氦杜瓦提供液氦溫區(qū)工作環(huán)境.采用坡莫合金屏蔽筒內(nèi)置鉛超導(dǎo)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(xué)系統(tǒng),最后將裝有SQUID器件的樣品桿置于液氦杜瓦中進(jìn)行低溫性能測試.SQUID電流傳感器的I-V曲線通過傳統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)XXF-1[31]測試V-Φ特性曲線.該SQUID電子學(xué)系統(tǒng)電壓噪聲極低, 可實現(xiàn)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(tài)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(jù)此I-V曲線正常態(tài)的斜率, 得到約瑟夫森結(jié)的并聯(lián)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(diào)制曲線.設(shè)置輸入線圈的電流從0增大到100 μA時, 呈現(xiàn)約5.8個周期.輸入線圈的電流靈敏度1/MIN為17 μA/Φ0,SQUID環(huán)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(shè)計值15 μA/Φ0和SQUID環(huán)路與輸入線圈的互感仿真結(jié)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(diào)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(diào)制曲線.V-Φ調(diào)制曲線的峰峰值最大為31 μV, 磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)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(diào)制曲線的調(diào)制深度最大時對應(yīng)的偏置電流Ib,max為215 μA.根據(jù)公式[32],Ib,max為V-Φ調(diào)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(jié)的臨界電流I0為110 μA.回滯系數(shù)為0.67, SQUID器件中的約瑟夫森結(jié)為過阻尼結(jié).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(huán)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(diào)制曲線Fig.6.Voltage-flux curve for the feedback coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.

設(shè)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(xiàn)約2.9個周期.反饋線圈的電流靈敏度1/MFB為86 μA/Φ0, SQUID環(huán)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(shè)計值56 μA/Φ0和SQUID環(huán)路與反饋線圈的互感仿真結(jié)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(huán)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(jié)果如圖7所示.為了避免SQUID電子學(xué)中前置放大器的噪聲的影響, 通過磁通鎖定環(huán)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(dāng)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(dāng)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(dāng).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(huán)境下工作, 具有良好的抵抗環(huán)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(jié)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(jié)的尺寸、臨界電流和SQUID梯度結(jié)構(gòu)捕獲磁通的能力有關(guān).減小約瑟夫森結(jié)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(jié)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(qū)相關(guān)的測試結(jié)果總結(jié)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(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化輸入線圈匝數(shù)和SQUID環(huán)路大小, 提高SQUID環(huán)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(jìn)一步減小約瑟夫森結(jié)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(shù)Table 2.Property parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.

5 結(jié) 論

本文研制了基于Nb/Al-AlOx/Nb約瑟夫森結(jié)的二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器, 其中SQUID環(huán)路、輸入線圈和反饋線圈都是二階梯度結(jié)構(gòu), SQUID與輸入線圈、反饋線圈采用不同平面交叉耦合方式, 實現(xiàn)了器件的輸入電流靈敏度達(dá)到17 μA/Φ0, 磁通白噪聲達(dá)到電流白噪聲達(dá)到二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器具有良好的抵抗環(huán)境電磁干擾能力.未來將進(jìn)一步優(yōu)化二階梯度交叉耦合SQUID電流傳感器中SQUID環(huán)路與輸入線圈的互感, 優(yōu)化約瑟夫森結(jié)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(yīng)用的需求.

感謝中國計量科學(xué)研究院楊雁、張明宇和倪澤剛的討論和幫忙.