【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】南京大學(xué)吳培亨院士領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)電子學(xué)研究所王華兵、王永磊研究團(tuán)隊(duì)，以檢測(cè)高頻芯片的近場(chǎng)信息為主要目標(biāo)，在國(guó)家重大儀器項(xiàng)目的支持下，自主研發(fā)了超導(dǎo)約瑟夫森掃描探針顯微技術(shù)，并成功應(yīng)用于微波芯片的測(cè)試和表征。該顯微系統(tǒng)將約瑟夫森結(jié)優(yōu)異的高頻探測(cè)性能和掃描探針顯微技術(shù)的高空間分辨能力有機(jī)結(jié)合，為微波至毫米波頻段集成芯片的近場(chǎng)電磁表征提供了一種超寬帶、高靈敏、高分辨的全新手段，為高頻、高速集成芯片的發(fā)展提供了一種新型的表征手段(圖1)。
 

圖1 約瑟夫森探針顯微鏡應(yīng)用于集成芯片的近場(chǎng)微波檢測(cè)
 

　　現(xiàn)代微波技術(shù)，往往依賴于微波信號(hào)的精準(zhǔn)生成、操控與測(cè)量。如何確保電磁兼容性、有效抑制信號(hào)串?dāng)_，成為了亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，對(duì)器件近場(chǎng)電磁波分布的精確檢測(cè)顯得尤為重要。利用顯微技術(shù)檢測(cè)近場(chǎng)電磁波信息，不僅有助于深入剖析微波相互作用的復(fù)雜機(jī)制，更是優(yōu)化信號(hào)耦合效率、提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)從無(wú)到有，歷經(jīng)五年時(shí)間成功研制出超導(dǎo)約瑟夫森探針顯微鏡系統(tǒng)。約瑟夫森探針是系統(tǒng)的核心部件，由兩個(gè)并聯(lián)的弱連接約瑟夫森結(jié)構(gòu)成。研究人員采用帶槽石英管拉制納米探針，并結(jié)合磁控濺射薄膜沉積技術(shù)，在針尖尖端的弱連接處制備出兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)，得到了納米級(jí)鈮基約瑟夫森探針(圖2)，具有工作溫度高、性能穩(wěn)定、工藝可控等特點(diǎn)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
 

圖2 約瑟夫森探針的(a)光學(xué)照片和(b)SEM照片
 

　　約瑟夫森探針顯微鏡在保證高空間分辨能力的同時(shí)，能夠利用約瑟夫森結(jié)對(duì)近場(chǎng)微波信號(hào)進(jìn)行高靈敏度的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)多次的工藝迭代優(yōu)化，目前約瑟夫森探針的最高相干探測(cè)頻率已超過(guò)200 GHz。利用約瑟夫森結(jié)的高度非線性和混頻技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品表面任意點(diǎn)近場(chǎng)微波的高精度頻譜測(cè)量(圖3)。以上功能進(jìn)一步豐富了約瑟夫森探針顯微鏡的應(yīng)用場(chǎng)景，其選頻成像、頻譜解析等功能在芯片的近場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)中具有極大的應(yīng)用潛力。
 

圖3 基于(a)混頻檢測(cè)技術(shù)得到的(b)中頻輸出頻譜和(c)待測(cè)信號(hào)頻譜。
 

　　為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)多種微波器件進(jìn)行了近場(chǎng)電磁成像，觀察到共面波導(dǎo)的駐波分布、壓控振蕩芯片的環(huán)狀微波場(chǎng)分布、交指電容中的峰谷特征等現(xiàn)象(圖4)。
 

圖4 不同器件中的近場(chǎng)微波分布成像
 

　　該微波成像系統(tǒng)的空間分辨率已達(dá)到亞微米級(jí)別，并存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。超導(dǎo)約瑟夫森探針顯微鏡作為一種無(wú)損的近場(chǎng)頻譜成像技術(shù)，具有高空間分辨率、高靈敏度、高頻率分辨和寬頻譜探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，有望在高頻集成電路、超導(dǎo)量子電路、自旋電子學(xué)等前沿領(lǐng)域的科研和工程應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。
 

　　該成果以“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”為題，發(fā)表在National Science Review上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwae308)。南京大學(xué)電子學(xué)院博士生張平為該工作第一作者，呂陽(yáng)陽(yáng)博士、王永磊教授和王華兵教授為該文的共同通訊作者。
 

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證約瑟夫森探針顯微鏡的實(shí)際檢測(cè)能力，研究團(tuán)隊(duì)利用顯微鏡系統(tǒng)，對(duì)電子科學(xué)與工程學(xué)院杜源副教授課題組研制的微波振蕩器芯片進(jìn)行了微波近場(chǎng)探測(cè)(圖5)，成功實(shí)現(xiàn)了芯片的波譜成像和信號(hào)分析。
 

圖5 超導(dǎo)約瑟夫森探針檢測(cè)壓控振蕩器芯片的照片
 

　　壓控振蕩器作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基本元件，在高頻集成電路中的鎖相環(huán)、時(shí)鐘發(fā)生器和頻率合成器等各種模塊中有著諸多應(yīng)用。集成電路芯片的常規(guī)分析手段通常是在其后端添加驅(qū)動(dòng)電路，以及額外的接地-信號(hào)-接地焊盤或片上天線。這些額外電路和結(jié)構(gòu)引入了不必要的復(fù)雜性，同時(shí)也缺乏空間分辨率能力，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)芯片上特定位置的工作狀態(tài)。而超導(dǎo)約瑟夫森探針顯微鏡則為集成電路芯片的無(wú)損近場(chǎng)微波檢測(cè)提供了一種可行的方案。
 

圖6 壓控振蕩器芯片的(a)混頻檢測(cè)示意圖和(b)局域高精度頻譜曲線
 

　　基于超導(dǎo)約瑟夫森探針顯微技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)表征了多波段微波振蕩器芯片中局域的高精度頻譜信息(圖6)以及近場(chǎng)微波分布(圖7)；觀察到了在不同偏置電壓下芯片工作頻率的細(xì)微變化，以及雜散頻譜、寄生電磁場(chǎng)分布等現(xiàn)象，同時(shí)確定了芯片的最佳工作偏置點(diǎn)。以上結(jié)果為微波芯片的電磁兼容性分析、缺陷診斷和性能優(yōu)化提供了重要參考。
 

圖7 壓控振蕩器芯片的(a)光學(xué)成像和(b)近場(chǎng)微波分布成像
 

　　該成果以“Near-Field Probing of Microwave Oscillators with Josephson Microscopy”為題，發(fā)表在Nano Letters上(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00454)。南京大學(xué)電子學(xué)院博士生張平和呂晶晶為論文的共同第一作者，呂陽(yáng)陽(yáng)博士、杜源副教授、王華兵教授為論文的共同通訊作者。
 

　　以上工作得到了超導(dǎo)電子學(xué)研究所吳培亨院士的精心指導(dǎo)和全體同事的大力支持，電子學(xué)院杜力副教授給予了很多建議。該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省電磁波先進(jìn)調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家博士后科學(xué)基金、江蘇省卓博計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。