Cryogenic measurement setup for the analysis of RF circuits and superconducting sensors
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Beschreibung
Diese Arbeit stellt eine multifunktionalle kryogene Messplattform vor, welche eine Erweiterung des bestehenden Terahertz (THz)-Mikroskops am Forschungszentrum Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) darstellt und die Charakterisierung von Bauelementen im Frequenzbereich von Gleichstrom (DC) bis in den THz-Bereich bei Temperaturen von 300 K bis 4,2 K ermöglicht. Das Messsystem dient den Anwendungen in den Bereichen Quantencomputing, Tieftemperatur-Elektronik und THz-Technologie.
Das THz-Mikroskop am LENA wurde um einen vollständig funktionierenden Tieftemperatur-Spitzenmessplatz erweitert und erlaubt nun die galvanische Messung mittels Messspitzen durch die direkte Kontaktierung der Kontakte von integrierten Schaltungen. Das System unterstützt Hochfrequenzcharakterisierungen bis 67 GHz mittels Ground-Signal-Ground-(GSG)-Messspitzen und bietet bis zu 48 DC-Verbindungen. Ein integriertes optisches Mikroskop in Kombination mit maschinellem Sehen ermöglicht ein halbautomatisiertes Aufsetzen der Messspitzen. Das Setup wurde zur Charakterisierung von Halbleiterbauelementen der Firma Infineon im Temperaturbereich von 4,2 K bis Raumtemperatur eingesetzt. Die gewonnenen Daten dienen sowohl der Modellierung des kryogenen Verhaltens von Halbleitern als auch der Verifikation integrierter Schaltungen für Anwendungen im Quantencomputing.
Darüber hinaus wurde der THz-Sensor, der sogenannte Josephson-Cantilever, weiterentwickelt, um eine höhere Sensitivität und verbesserte räumliche Bildgebung im THz-Bereich zu erreichen. Neue Josephson-Cantilever-Designs auf Basis eines Oberflächenimpedanzmodells von YBa2Cu3O7-x wurden gefertigt und mithilfe von THz-Zeitbereichsspektroskopie validiert. Die optimierten Designs zeigten eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit bei 1,4 THz, was sich in verbesserten Abbildungen von ferninfraroten Laser-Gaußstrahlen sowie von Twisted Light, erzeugt von Spiralphasenplatten, zeigt.
Abschließend wurden Messspitzen selbst entwickelt und gefertigt, um die Messmöglichkeiten für integrierte monolithische Mikrowellenbauelemente zu erweitern. Eine selbstentwickelte Hochfrequenzmessspitze mit einer Maximalfrequenz von 67 GHz sowie eine DC-Messspitze mit 10 Spitzen wurden erfolgreich hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wurden neuartige Messspitzenkonzepte realisiert, die Josephson-Kontakte integrieren und galvanische Messungen an Bauelementen ermöglichen. Diese Designs kombinieren die hohe Sensitivität und spektroskopischen Fähigkeiten von Josephson-Kontakten mit der Breitbandigkeit von GSG-Messspitzen und stellen damit einen vielseitigen Sensor für kryogene und hochfrequente Untersuchungen dar.
Autor*in
Paul Julius Ritter
Themen in »Cryogenic measurement setup for the analysis of RF circuits and superconducting sensors«
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