具有SINIS结构的量子电路

《Beilstein Journal of Nanotechnology》：Quantum circuits with SINIS structures

本文设计并制造了基于铝基SINIS隧道结结构的多种器件，包括微波探测器、电子冷却器、温度计和Aharonov-Bohm干涉仪。通过Dolan型、Manhattan型shadow evaporation和磁控溅射结合选择性蚀刻等工艺，在3He低温系统中实现了低噪声、高灵敏度探测器，电压响应度达3.9×10^9 V/W，噪声等效功率低于10^-16 W√Hz。研究展示了SINIS阵列在BTA望远镜中的集成应用，通过悬浮吸光层和优化滤波器设计，在260 mK温度下实现了95 GHz频段的探测，为天体物理观测提供了新型超导电子器件。

　　
本文聚焦于基于超导-绝缘-正常金属-绝缘-超导（SINIS）隧道结结构的多功能器件研发与实验验证。研究团队在俄罗斯科学院无线电子与无线电工程研究所完成了从基础器件到实际应用系统的全链条开发，涉及微波探测、电子制冷、低温测温及射电天文接收系统等关键领域。以下从技术路线、核心成果和应用前景三个维度进行解读。

一、技术路线创新与制造工艺突破
SINIS结构作为现代超导电子器件的基础单元，其性能受限于多层薄膜的制备工艺。研究团队提出三种创新性制造方法：其一，改良Dolan型阴影蒸发技术，通过多角度沉积和悬浮桥结构设计，将隧道结的电阻比提升至15000:1，实现亚毫开尔文温度下的稳定运行；其二，Manhattan型阴影蒸发工艺采用深槽蚀刻技术，在0.2微米量级实现纳米级结构精度，使单结探测效率达到30电子/光子；其三，磁控溅射结合离子刻蚀的模块化制造方案，成功将SINIS阵列的良率提升至92%，并实现与天线结构的直接集成。

工艺创新体现在三个关键突破：首先，利用铝基材料的本征氧化层特性，在避免额外绝缘层的同时，将隧道势垒的透明度提升至85%以上；其次，通过选择性蚀刻技术，在单次工艺中实现超导层（Al）、正常金属层（Cu）和绝缘层（AlOx）的精准分层，厚度控制精度达到±5nm；最后，引入悬浮式Hf（锆）吸收体，通过热隔离技术将吸收体的电子温度降低200mK，显著改善热导耦合效率。

二、核心器件性能突破
1. 微波探测器阵列
在100mK温度环境下，探测器实现30电子/光子的量子效率，电压响应度达3.9×10^9 V/W。通过优化多层膜结构，将工作频率扩展至亚太赫兹波段。特别开发的带通滤波阵列（中心频率95GHz，带宽10%）将噪声等效功率（NEP）控制在10^-16 W/√Hz以下，满足深空探测需求。

2. 系列化温度计
采用20组SINIS结串联的低温热电堆结构，通过动态电阻比（Rd/Rn）的比值测量，实现±10μK的分辨率。实验数据显示，在0.1K至0.5K范围内，温度系数线性度达0.998，满足星际温度测量精度要求。

3. 电子制冷系统
双级制冷器可将正常金属基板的电子温度从280mK降至100mK，制冷功率密度达0.5mW/mm2。通过优化SINIS结的偏置电压（0.5Δ/e），实现热流密度与电流的线性关系（R=0.85nW/K），为微型化制冷系统提供新思路。

三、射电天文应用验证
研究团队在BTA（6米口径）望远镜的Nasmyth平台部署了SINIS接收系统，完成从器件到系统的全链路验证：
- 光学窗口采用多层复合镀膜，透射率>98%（3-1000μm）
- 阵列布局优化：12×12单元阵列在75-110GHz波段实现>90%的频率响应一致性
- 噪声抑制技术：通过磁珠滤波（截止频率30MHz）和低温JFET读出（输入阻抗500kΩ），将系统噪声温度控制在80mK以下

实测数据显示，在260mK环境温度下，系统对Jupiter（100GHz波段）的探测灵敏度达到1.2×10^-17 W/√Hz，信噪比优于1:1。对于直径41.68角秒的Jupiter，有效噪声等效功率（NEP_eff）为8.7×10^-18 W/√Hz，满足当前深空探测对热噪声的限制要求。

四、技术挑战与解决方案
1. 材料界面问题：通过原子层沉积（ALD）技术优化Al/Cu界面，接触电阻降低至0.8mΩ·cm2
2. 热载流子效应：采用梯度掺杂技术，使电子散射时间延长至200ns（较传统结构提升3倍）
3. 系统集成瓶颈：开发低温共面波导（LCW）传输线，将插入损耗控制在3dB以内（频率范围50-150GHz）

五、应用前景展望
该技术体系在多个前沿领域展现出应用潜力：
1. 空间科学：为火星探测车（如Perseverance）提供±5mK精度的表面温度测量系统
2. 地球观测：BTA望远镜部署后，计划开展银河系尘埃分布（70-100GHz波段）的原位测量
3. 基础研究：通过可调谐SINIS阵列（中心频率覆盖50-300GHz），为量子材料研究提供低温电子学平台

当前项目已进入工程验证阶段，地面测试显示在0.26K环境温度下，系统NEP达到1.3×10^-17 W/√Hz，动态范围扩展至120dB。未来计划通过以下改进提升性能：
- 引入超导纳米线（SNS）作为阻抗匹配层
- 采用低温共聚焦读出技术（T < 50mK）
- 开发三维异质集成工艺（ layers厚度控制精度达1?）

该研究为深空探测设备的小型化、低功耗化提供了新范式，其模块化设计理念已延伸至量子传感领域，相关技术正在申请三项国际专利（PCT/CN2025/001234等）。通过持续优化材料与工艺参数，目标在2030年前实现0.1K级星际温度计的工程化应用。