專利名稱：一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，屬于量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域，特別是基于半導(dǎo)體或超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的物理實(shí)驗(yàn)中，需要探測的物理量都極其微弱。以電流為例，一般為幾個到十幾個皮安(PA，10E-12A),因此對實(shí)驗(yàn)中的噪聲要求極小，能否盡可能的降噪，是實(shí)驗(yàn)成敗的一個關(guān)鍵要素。同時，隨著兩比特實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，對樣品的測量需要更多的電極。以GaAs半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)兩比特量子點(diǎn)為例，典型的樣品已經(jīng)需要24根引線(直流電控制和測量部分)，由于極低溫實(shí)驗(yàn)儀器價格昂貴，單個儀器的負(fù)載不能無限提高，因此日益增長的需求對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率提出了挑戰(zhàn)。因此，至少有兩個基本問題需要解決:(1)樣品所在環(huán)境溫度和熱噪聲。該領(lǐng)域?qū)τ跇O低溫設(shè)備和極低溫環(huán)境的需求非常高。由于極低溫設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在實(shí)驗(yàn)室級別難以自制，通常實(shí)現(xiàn)這一條件的方法是購買商用極低溫制冷機(jī)。目前一個先進(jìn)的制冷機(jī)型號是Oxford公司生產(chǎn)的Triton系列稀釋制冷機(jī)。該型號核心參數(shù)為:混合室(溫度最低處)溫度20mK。該型號制冷機(jī)無需液He作為制冷機(jī)，結(jié)構(gòu)較以往產(chǎn)品更為簡單，放置樣品空間較大。但是價格昂貴，占用的空間也不小。故而當(dāng)前在如上所述的試驗(yàn)中，一個基本的要求在于:希望實(shí)現(xiàn)對制冷機(jī)效率利用的最大化，在制冷機(jī)中放置更多的樣品；同時，放置更多的樣品意味著引入更多的控制/測量引線，所有引線的一端在樣品上，另一端最終與室溫相連。引線越多，稀釋制冷機(jī)的熱負(fù)載越大，對核心參數(shù)的偏離也越大。因此需要解決的一個問題是，在于在對混合室溫度無較大影響(溫度升高不超過10mK，不引入更大熱噪聲)的情況下，設(shè)計(jì)一種新的熱沉結(jié)構(gòu) ，實(shí)現(xiàn)對稀釋制冷機(jī)制冷效率利用的最大化。(2)電路噪聲。測量和控制設(shè)備的輸出端口、線路兩端的溫度梯度(室溫-接近絕對零度)、線路焊接處不同金屬材料，都有可能帶來電路噪聲。其中高頻噪聲會使樣品中電子溫度升高，同時由于實(shí)驗(yàn)中需要施加高頻信號(幾到幾十個GHz)來進(jìn)行操作，直接干擾了操作脈沖信號?？紤]到該類實(shí)驗(yàn)需要的嚴(yán)格的信號質(zhì)量，因此很有必要通過設(shè)計(jì)合適的濾波電路來降噪。同時，由于核心電極的寬度最小只有20nm，因此在將樣品從制作間向稀釋制冷機(jī)轉(zhuǎn)移安裝的過程中輕微的脈沖放電或者電壓源的突然掉電，完全可能將電極擊穿，需要降噪電路同時起到保護(hù)電路的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，保證成本昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作效率最大的前提下，盡可能降低了熱噪聲和電路噪聲。本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，包括:測量和控制線1、熱沉部分、銅粉濾波器7和PCB板載濾波器8 ;所述熱沉部分由稀釋制冷機(jī)PTl層線夾熱沉2、稀釋制冷機(jī)PT2層線夾熱沉3、稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉4、稀釋制冷機(jī)IOOmK層線夾熱沉5、稀釋制冷機(jī)MC層線夾熱沉6五級熱沉順序級聯(lián)組成；測量和控制線I進(jìn)入熱沉部分后依次通過稀釋制冷機(jī)PTl層線夾熱沉2、稀釋制冷機(jī)PT2層線夾熱沉3、稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉4、稀釋制冷機(jī)IOOmK層線夾熱沉5和稀釋制冷機(jī)MC層線夾熱沉6后至稀釋制冷機(jī)混合室冷板，經(jīng)過稀釋制冷機(jī)混合室最后一級冷板后焊接在D型接口上，D型接口與銅粉濾波器7的D型接口入口相連；測量和控制線I再經(jīng)過銅粉濾波器7后，由銅粉濾波器7的D型接口出口離開，測量和控制線I的接口進(jìn)入PCB板載濾波器8，經(jīng)過PCB板載濾波器8后，測量和控制線I連接到半導(dǎo)體量子點(diǎn)相應(yīng)的電極上。所述每層熱沉均為多層冷板構(gòu)成，延長熱交換線路的長度，它包括主冷板9、兩塊蓋板15、中間蓋板19和固定底板10 ;固定底板10與主冷板9底部連接固定；在主冷板9的兩面分別開有主冷板布線槽11，測量和控制線I放置在一面的主冷板布線槽11中，將一塊蓋板15蓋在主冷板9上并貼合，從而使測量和控制線I緊密夾在主冷板9和蓋板15中；將測量和控制線I彎折越過主冷板9的頂部后，繼續(xù)固定在主冷板9的另一面的主冷板布線槽11中，用中間板19的一側(cè)蓋在主冷板9的另一側(cè)面上并貼合；將測量和控制線I從主冷板9的底部過主冷板底部過線槽14中彎折后，固定在中間蓋板19帶中間蓋板布線槽18的一面，用第二塊蓋板15蓋在中間蓋板19上并貼合，測量和控制線I在熱沉部分每層的主冷板，蓋板，中間蓋板中廻行穿過，然后上述各板之間通過螺釘緊固連接。所述主冷板9、蓋板15、中間蓋板19均需要鍍金，鍍金厚度20um以上，以增加熱導(dǎo)性和表面平整性。所述固定底板10通過主冷板底座固定孔13和平行于地面的稀釋制冷機(jī)冷板固定；固定底板10與釋制冷機(jī)冷板之間需要略微涂抹N-grease真空油脂，填補(bǔ)接觸空隙，以增加導(dǎo)熱性。所述銅粉濾波器7包括銅粉濾波器底座49、銅粉濾波器套筒23、銅粉濾波器蓋板27和繞線柱32構(gòu)成；繞線柱23—端帶有固定螺孔34，直接通過銅粉濾波器底座過孔20固定在銅粉濾波器底座49上；銅粉濾波器蓋板27包括25pin-D型接頭進(jìn)口 29和出口 28，通過D型頭固定孔，將測量和控制線I的接頭固定在銅粉濾波器蓋板27上，銅粉濾波器套筒23中加有銅粉。所述PCB板載貼片濾波器8包括排針接口焊接點(diǎn)37、貼片RC濾波器焊接點(diǎn)41、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)38、貼片RC濾波器接地總線36，到半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)42、高頻線路焊接點(diǎn)43、高頻線路接地焊接點(diǎn)35、半導(dǎo)體量子點(diǎn)所在位置的開口 40與銅底座固定的孔39、排針接口焊接點(diǎn)37 ;其中排針接口焊接點(diǎn)37、貼片RC濾波器焊接點(diǎn)41、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)38和半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)42它們之間依先后順序通過印刷電路線連接在一起，在貼片濾波器焊接完畢后，形成從銅粉濾波器出口端到量子點(diǎn)電極間的濾波電路；高頻線路焊接點(diǎn)43、高頻線路接地焊接點(diǎn)35焊接單獨(dú)的高頻線路；半導(dǎo)體量子點(diǎn)所在位置的開口 40與銅底座固定的孔39用以固定PCB板。本發(fā)明的原理 :本發(fā)明使用Lakeshore SSl作為控制和測量線，該線從室溫進(jìn)入熱沉部分，依次通過五層熱沉至稀釋制冷機(jī)混合室冷板。離開最后一級冷板后，焊接在25Pin D型接口上，D型接口與銅粉濾波器D型接口入口相連。經(jīng)過銅粉濾波器后，由銅粉濾波器D型接口出口離開，通過一段lakeshore SSl線后，通過排針接口進(jìn)入PCB板載濾波電路，并最后進(jìn)入樣品。熱沉部分:熱沉部分用以對測量/控制線路提供充分的熱交換，使得該處的測量/控制線路的溫度降低到與冷板溫度一致，從而降低熱噪聲。熱沉部分由PTl層，PT2層，Still層，IOOmK層級，MC層級五層極熱沉組成。每層熱沉通過多層夾板，延長熱交換線路的長度。銅粉濾波器部分:測量和控制線路經(jīng)過熱沉到達(dá)稀釋制冷機(jī)最下層(MC層)后，由于測量和控制設(shè)備的輸出端口、線路兩端的溫度梯度(室溫-接近絕對零度)、線路焊接處不同金屬材料等影線路中仍然存在一定的電噪聲，直流信號必須進(jìn)行濾波才可以保證純凈。傳統(tǒng)RC濾波器和其他商用貼片濾波器，性質(zhì)最優(yōu)秀者也無法達(dá)到3G以上的濾波效果。而這個頻率及之上的頻率，正是半導(dǎo)體量子點(diǎn)進(jìn)行高頻操作時所使用的典型頻率段。高頻操作信號經(jīng)由專門高頻線路進(jìn)入樣品，因此直流部分中不應(yīng)有高頻噪聲。在GHz波段，需用銅粉濾波器部分用以提供對直流線路中噪聲信號進(jìn)行壓制。PCB板載濾波器部分:PCB板載濾波器用以兩個用途=(I)PCB板載濾波器是保護(hù)電路。在樣品固定在紫銅底座，并通過bonding線與PCB板bonding端連接后,有一段從微納加工車間到稀釋制冷機(jī)上轉(zhuǎn)移的過程。該過程中輕微的脈沖放電，都有可能擊毀樣品。因此需要板載濾波器作為高頻脈沖信號的保護(hù)電路。用以保證樣品在轉(zhuǎn)移過程中的完好。
(2)l/f噪聲也是影響量子點(diǎn)中電子相干特性一個重要因素，通常在幾百M(fèi)Hz左右。由于銅粉濾波器的工作特性，IG以下的低頻噪聲無法通過銅粉濾波器進(jìn)行濾波。此時需要傳統(tǒng)的RC濾波器和其他貼片濾波器配合來實(shí)現(xiàn)濾波效果。綜上，以上三個測量部分以熱沉-銅粉濾波器-PCB板載濾波器級聯(lián)的方式組合在一起。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)傳統(tǒng)使用漆包線或雙絞漆包線作為測量和控制線，此類線無屏蔽，易于受到外界高頻信號的干擾，如果使用本發(fā)明中的排線狀熱沉，密排情況下會增加線路間串?dāng)_，直接影響皮安級別極微弱電流的測量結(jié)果。本發(fā)明使用的Lakeshore SSl本身的不銹鋼屏蔽層具有阻斷線路之間串?dāng)_的效果。(2)盡管lakeshore SSl線的截面積(49mnT2)遠(yuǎn)大于漆包線(9mnT2)，造成了嚴(yán)重的熱負(fù)載，但本發(fā)明設(shè)計(jì)的多層線夾式熱沉為線路提供了足夠的熱交換長度，能成功解決同時在稀釋制冷機(jī)中放入一百根以上的lakeshore SSl測量/控制線后給系統(tǒng)帶來的額外熱負(fù)載問題。對最低溫度的影響不超過5mK。完全可以至少為4塊典型的半導(dǎo)體兩比特量子點(diǎn)樣品提供足夠的測量線路和實(shí)驗(yàn)溫度環(huán)境；且結(jié)構(gòu)簡單，固定測量/控制線時十分快捷方便，節(jié)省了寶貴的實(shí)驗(yàn)時間，保證了稀釋制冷機(jī)使用效率的高效性。(3)傳統(tǒng)的銅粉濾波器如果同時為25路直流信號濾波，體積過大，故無法放入稀釋制冷機(jī)中，通常在稀釋制冷機(jī)外部作為濾波器，因而對稀釋制冷機(jī)內(nèi)部進(jìn)入線路的噪聲無能為力。本發(fā)明中，采用繞線柱間共用濾波銅粉的方法和改換SMA接口為25pin D型接口的辦法，成功地將銅粉濾波器的體積縮小到可以放入稀釋制冷機(jī)最底層的程度。從而可以近乎直接與樣品相連，提高了濾波的實(shí)際效果。(4)傳統(tǒng)所使用的PCB板僅僅為樣品提供與測量/控制線路相連的通道，本發(fā)明的PCB板載濾波器， 能夠直接在距樣品最近的地方完成濾波和保護(hù)兩個作用。實(shí)驗(yàn)上使用的實(shí)際效果是測量到的信號中噪聲小于IpA。


圖1為本發(fā)明測量系統(tǒng)的組成框圖；圖2為本發(fā)明中每層線夾熱沉結(jié)構(gòu)中的主冷板結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中每層線夾熱沉結(jié)構(gòu)中的蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中每層線夾熱沉結(jié)構(gòu)中的中間蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中每層線夾熱沉的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明中的銅粉濾波器底座示意圖；圖7為本發(fā)明中的銅粉濾波器套筒示意圖；圖8為本發(fā)明中的銅粉濾波器蓋板示意圖；圖9為本發(fā)明中的銅粉濾波器繞線柱示意圖；圖10銅粉濾波器總裝后的前視圖；圖11銅粉濾波器總裝后的后視圖；圖12為本發(fā)明中的帶板載濾波的PCB電路板示意圖；圖13為本發(fā)明應(yīng)用的典型測量線 路圖；圖14為本發(fā)明中用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量銅粉濾波器S21分量圖(0-20GHZ)；圖15為本發(fā)明的試驗(yàn)效果圖一實(shí)際量子點(diǎn)信號測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式如圖1所示,本發(fā)明整個測量系統(tǒng)由Lakshore SSl測量和控制線1、稀釋制冷機(jī)PTl層線夾熱沉2、稀釋制冷機(jī)PT2層線夾熱沉3、稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉4、稀釋制冷機(jī)IOOmK層線夾熱沉5、稀釋制冷機(jī)MC層線夾熱沉6、25pin銅粉濾波器7、PCB板載濾波器8八個部分構(gòu)成。測量和控制線(直流部分)選用Lakeshore公司生產(chǎn)的SSl線(以下稱線)。該線為帶同軸不銹鋼網(wǎng)屏蔽層的不銹鋼線。以一根lakeshore SSl線為例，該線從室溫進(jìn)入熱沉部分，依次通過五層熱沉至稀釋制冷機(jī)混合室冷板，離開最后一級混合冷板后，焊接在25Pin D型接口上，D型接口與銅粉濾波器D型接口入口相連；經(jīng)過銅粉濾波器7后，由銅粉濾波器7的D型接口出口離開，通過一段lakeshore SSl線后，通過排針接口進(jìn)入PCB板載濾波器8，最后連接到半導(dǎo)體量子點(diǎn)延伸出來的表面電極和歐姆接觸電極上。1.熱沉部分本發(fā)明中的熱沉部分實(shí)現(xiàn):使用的稀釋制冷機(jī)平臺為Oxford公司生產(chǎn)的Triton300稀釋制冷機(jī)(以下簡稱制冷機(jī))。原則上，只要是目前這種按冷卻溫度分層的，有足夠內(nèi)部空間的制冷機(jī)，都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的熱沉設(shè)計(jì)。熱沉部分中的每層線夾熱沉的結(jié)構(gòu)都相似，以稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉4為例進(jìn)行說明，其它層相似。如圖2-5所示，稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉4的主要特征在于由多層冷板構(gòu)成，它包括主冷板9、蓋板15、中間蓋板19 ;主冷板布線槽11和中間蓋板布線槽18、固定底板
10、第一緊固用螺孔12、第二緊固用螺孔16和第三緊固用螺孔17 ;主冷板9底部與固定底板10固定連接,作用對象Lakeshore SSl測量和控制線I。使用方法:將15根或更多測量和控制線I排在一起，放置在主冷板布線槽11中。用一塊蓋板15蓋在主冷板9上并貼合，從而使測量和控制線I緊密的夾在主冷板9和蓋板15中。將15根測量和控制線I彎折越過主冷板9的頂部后，繼續(xù)固定在主冷板9的另一側(cè)的布線槽中，用中間板19光滑的一側(cè)蓋在主冷板9的另一側(cè)上并貼合。同理，將15根測量和控制線I從主冷板9的底部過線槽14中彎折后，固定在中間蓋板19帶中間蓋板布線槽18的一面，用第二塊蓋板15蓋在中間蓋板19上并貼合。采用螺絲和螺母按第一緊固用螺孔12、第二緊固用螺孔16和第三緊固用螺孔17所在位置緊固。線路Lakeshore SSl線在熱沉的主冷板9，蓋板15，中間蓋板19中廻行穿過。如果有必要，可以成對增加中間蓋板19和蓋板15的數(shù)量，延長線路的整個穿行距離，保證充分的熱接觸。固定底板10通過主冷板底座固定孔13和平行于地面的稀釋制冷機(jī)冷板固定。固定底板10與釋制冷機(jī)冷板之間需要略微涂抹N-grease真空油脂，填補(bǔ)接觸空隙，以增加導(dǎo)熱性。以上所述主冷板、蓋板、中間蓋板全部需要鍍金(20um以上)，以增加熱導(dǎo)性和表面平整性。2.銅粉濾波器7部分如圖6-12所示，本發(fā)明中使·用的銅粉濾波器7的特點(diǎn)在于體積小，集成度高，濾波線路數(shù)大，能夠方便的加在稀釋制冷機(jī)上。銅粉濾波器7的基本原理是當(dāng)電流通過濾波器時，高頻信號在金屬粉末環(huán)境中會遭到較大衰減，低頻信號的衰減很小。對于直流信號的濾波來說，阻抗匹配并無意義，故為了追求更大的接觸面積，本發(fā)明采用螺旋繞線式方法。如圖6-12所示，本發(fā)明中的銅粉濾波器7由銅粉濾波器底座49、銅粉濾波器套筒23、銅粉濾波器蓋板27和繞線柱32構(gòu)成；繞線柱32 —端帶有固定螺孔34，直接通過銅粉濾波器底座的過孔20固定在銅粉濾波器底座49上；銅粉濾波器蓋板27包括25pin-D型接頭進(jìn)口 29和出口 28，通過D型頭固定孔30，將測量和控制線I的接頭固定在銅粉濾波器蓋板27上。另外，使用的銅粉混合物配方也是該濾波器特征之一。銅粉濾波器套筒23中加有銅粉。銅粉濾波器7的制作方法:(I)用6米長的漆包線密繞在繞線柱32上，為描述方便，以有漆包線固定孔33的一端為A端，另一端為B端。自A端起，沿繞線柱32繞線至B端，再從B端折回，并沿繞線柱32繞線至A端(順逆結(jié)合方式)，增加繞線長度并避免磁效應(yīng)。固定孔的作用是，直接將線穿過固定孔，外部繞一圈后再次穿過，則直接完成打結(jié)固定，無需用膠。(2)用螺絲將繞好線的繞線柱32固定在銅粉濾波器底座49上，依次完成25根繞線柱32，并將銅粉濾波器套筒23套在銅粉濾波器底座49上，套筒底面固定孔24和底座固定螺孔22之間用螺絲固定，縫隙處用縮醛樹脂灌注密封。(3)配置青銅粉末-粘合劑混合物。粘合劑具有很好的導(dǎo)熱性，同時保證銅粉分布均勻。用直徑50um的青銅粉末和環(huán)氧樹脂粘合劑各50%制作銅粉混合物。選擇青銅粉末，原因在于青銅粉末電阻率大，且隨溫度的變化小。粘合劑用Emerson&Cuming公司生產(chǎn)的2850FT 和 stycastl266A/B，固化劑用 24LV。按質(zhì)量比例為:2850FT75%，stycast A126610%,stycast B126610%24LV5%。青銅粉末為前述混合物總重1.5倍。待粘合劑和固化劑混合完畢后，倒入混合物中，并充分?jǐn)嚢琛?4)將配好的混合物倒入銅粉濾波器套筒23內(nèi)，注意不要沒過繞線柱32頂端，等待完全凝固，凝固時間約I天左右。完全凝固后，每個繞線柱32的A端都有兩根外露的線，分別是信號的入口和出口。(5)將25pin D型接口經(jīng)過D型頭固定孔30分別固定在蓋板25pin_D型接頭進(jìn)口29和出口 28上。(6)將繞線柱32的A端的兩根線分別焊接在入口 D型頭和出口 D型頭上，依次完成25根繞線柱32。(7)將上蓋板蓋在套筒上，與套筒臺面26貼合。并用螺絲通過蓋板固定孔31進(jìn)入套筒臺面固定螺孔25，完成蓋板銅粉濾波器蓋板27和銅粉濾波器套筒23的固定。整個銅粉濾波器7即制作完畢，如圖8所示。本發(fā)明實(shí)施例中的銅粉濾波器7的體積為:46x46x60 (mm)。實(shí)際測量時，使用一段lakeshore SI線實(shí)現(xiàn)D型頭與SMA接頭轉(zhuǎn)接。采用網(wǎng)絡(luò)分析儀(300KHZ-20GHZ)測量S21分量如圖14所示。2G以上幾乎全部都在50db以下，平均衰減在55db。3.PCB板載貼片濾波器8部分PCB板載貼 片濾波器8特征是:包括排針接口焊接點(diǎn)37、貼片RC濾波器焊接點(diǎn)41、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)38、貼片RC濾波器接地總線36，到半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)42、高頻線路焊接點(diǎn)43、高頻線路接地焊接點(diǎn)35、半導(dǎo)體量子點(diǎn)所在位置的開口 40與銅底座固定的孔39、排針接口焊接點(diǎn)37 ;其中貼片RC濾波器焊接點(diǎn)41、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)38、半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)42，它們之間依次通過印刷電路線連接在一起，將貼片濾波器焊接完畢后，即形成從銅粉濾波器出口端到量子點(diǎn)電極間的濾波電路。如圖13所示，測量和控制線I通過排針接口焊接到排針接口焊接點(diǎn)37上，貼片式RC濾波器焊接貼片RC濾波器焊接點(diǎn)41上。每側(cè)所有的貼片RC濾波器接地端通過每側(cè)的一條接地總線，經(jīng)由環(huán)裝過孔連到背面接地。貼片式鐵氧體磁珠濾波器焊接在相應(yīng)的鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)38上。如圖13所示的電極延伸至最中央的末端作為到半導(dǎo)體量子點(diǎn)對應(yīng)電極的bonding點(diǎn)。高頻信號控制線焊接在高頻信號焊接點(diǎn)34上。其接地屏蔽層焊接在高頻接地焊接點(diǎn)35的覆層44上，高頻接地焊接點(diǎn)35焊接覆層44上布置大量小過孔與覆金的背面相連，以便良好接地。整個PCB電路板通過與銅底座固定的孔39固定在銅底座上，半導(dǎo)體量子點(diǎn)也用銀膠粘在銅底座上，并露出在中央開口位置。連帶銅底座，半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以隨意的轉(zhuǎn)移。對于測量/控制而言，直流部分和高頻部分實(shí)現(xiàn)分離。直流信號在進(jìn)入量子點(diǎn)之前，進(jìn)行了濾波純化。如圖12所示，本發(fā)明實(shí)施過程中一個典型的測量線路結(jié)構(gòu)，它是一個在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體兩比特量子點(diǎn)上的一個測量的實(shí)例:電壓源在室溫輸出一路直流電壓，相應(yīng)的lakeshore SSl控制線依次經(jīng)過稀釋制冷機(jī)上的PTl熱沉、PT2熱沉、Still熱沉、IOOmK熱沉和MC熱沉。線上的溫度依次被降到70K、4.2K、700mK、100mK、20mK。當(dāng)?shù)竭_(dá)最低端時，不會再向半導(dǎo)體量子點(diǎn)樣品帶來多余的熱量，即熱噪聲被充分消除。然后該線進(jìn)入銅粉濾波器，消除線路中IG以上的噪聲。然后進(jìn)入板載濾波器，消除IG以下的噪聲,最后通過Al質(zhì)bonding wire連接到半導(dǎo)體量子點(diǎn)延伸出來的表面電極和歐姆接觸電極上。限于空間有限，圖12上的控制線路部分以一個電極為示例，不再一一標(biāo)明。變換輸出電壓(速度IOOHz以下，不會被濾波)，以實(shí)現(xiàn)對電極上電壓的調(diào)制。量子點(diǎn)表面電極上電壓被調(diào)制時，測量到的信號也會發(fā)生變化。16根(根據(jù)量子點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)不同可以有變化)經(jīng)過如上敘述的濾波純化的Lakeshore SSl線接在半導(dǎo)體量子點(diǎn)的表面電極上。同樣兩根Lakeshore SSl線經(jīng)過如上敘述的濾波純化處理，分別接在半導(dǎo)體量子點(diǎn)QPC (Quantum Point Contact)測量通道的源極和漏極相應(yīng)的歐姆接觸電極上，一端為輸入激勵信號，由鎖相放大器輸出的低頻的正弦激勵信號，與直流偏執(zhí)電壓在加法器相加后，沿測量信號線接入QPC源極，QPC漏極信號沿測量線進(jìn)入鎖相放大器得到輸出信號。本發(fā)明的實(shí)施效果:利用該熱沉，實(shí)際布線數(shù)目達(dá)到了 100根。核心參數(shù)混合室溫度較裸機(jī)未超過5mK，實(shí)際結(jié)果是:布線前，稀釋制冷機(jī)混合室溫度21.19mK，布線后，23.7mK ;實(shí)際測量銅粉濾波器時，使用一段lakeshore SI線實(shí)現(xiàn)D型頭與SMA接頭轉(zhuǎn)接，用網(wǎng)絡(luò)分析儀(300K-20G)測量S21分量如15圖所示。IG以上幾乎全部都在50db以下，平均衰減在55db。PCB板載濾波器8的效果由具體購買的商用元件的特性來保證。按照發(fā)明測量量子點(diǎn)的實(shí)際測量得到的一條線，噪聲在500fA，也就是IpA的一半，如圖15所示。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述，僅為本發(fā)明部分具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的人員在 本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于包括:測量和控制線(I)、熱沉部分、銅粉濾波器(7)和PCB板載濾波器(8);所述熱沉部分由稀釋制冷機(jī)PTl層線夾熱沉(2)、稀釋制冷機(jī)PT2層線夾熱沉(3)、稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉(4)、稀釋制冷機(jī)IOOmK層線夾熱沉(5)、稀釋制冷機(jī)MC層線夾熱沉(6)五級熱沉順序級聯(lián)組成；測量和控制線(I)進(jìn)入熱沉部分后依次通過稀釋制冷機(jī)PTl層線夾熱沉(2)、稀釋制冷機(jī)PT2層線夾熱沉(3)、稀釋制冷機(jī)Still層線夾熱沉(4)、稀釋制冷機(jī)IOOmK層線夾熱沉(5)和稀釋制冷機(jī)MC層線夾熱沉(6)后至稀釋制冷機(jī)混合室冷板，經(jīng)過稀釋制冷機(jī)混合室最后一級冷板后焊接在D型接口上，D型接口與銅粉濾波器(7)的D型接口入口相連；測量和控制線(I)再經(jīng)過銅粉濾波器(7 )后，由銅粉濾波器(7 )的D型接口出口離開，測量和控制線(I)的接口進(jìn)入PCB板載濾波器(8)，經(jīng)過PCB板載濾波器(8)后，測量和控制線(I)連接到半導(dǎo)體量子點(diǎn)相應(yīng)的電極上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于:所述每層熱沉均為多層冷板構(gòu)成，延長熱交換線路的長度，它包括主冷板(9)、兩塊蓋板(15)、中間蓋板(19 )和固定底板(10 );固定底板(10 )與主冷板(9 )底部連接固定；在主冷板(9 )的兩面分別開有主冷板布線槽(11 )，測量和控制線(I)放置在一面的主冷板布線槽(11)中，將一塊蓋板(15)蓋在主冷板(9)上并貼合，從而使測量和控制線(I)緊密夾在主冷板(9)和蓋板(15)中；將測量和控制線(I)彎折越過主冷板(9)的頂部后，繼續(xù)固定在主冷板(9)的另一面的主冷板布線槽(11)中，用中間板(19)的一側(cè)蓋在主冷板(9)的另一側(cè)面上并貼合；將測量和控制線(I)從主冷板(9)的底部過主冷板底部過線槽(14)中彎折后，固定在中間蓋板(19)帶中間蓋板布線槽(18)的一面，用第二塊蓋板(15)蓋在中間蓋板(19)上并貼合，測量和控制線(I)在熱沉部分每層的主冷板，蓋板，中間蓋板中廻行穿過，然后上述各板之間通過螺釘緊固連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于:所述主冷板(9 )、蓋板(15 )、中間蓋板(19 )均需要鍍金，鍍金厚度20um以上，以增加熱導(dǎo)性和表面平整性。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于:所述固定底板(10)通過主冷板底座固定孔(13)和平行于地面的稀釋制冷機(jī)冷板固定；固定底板(10)與釋制冷機(jī)冷板之間需要略微涂抹N-grease真空油脂，填補(bǔ)接觸空隙，以增加導(dǎo)熱性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于:所述銅粉濾波器(7)包括銅粉濾波器底座(49)、銅粉濾波器套筒(23)、銅粉濾波器蓋板(27)和繞線柱(32)構(gòu)成；繞線柱(23)—端帶有固定螺孔(34)，直接通過銅粉濾波器底座過孔(20)固定在銅粉濾波器底座(49)上；銅粉濾波器蓋板(27)包括25pin-D型接頭進(jìn)口(29)和出口(28)，通過D型頭固定孔，將測量和控制線(I)的接頭固定在銅粉濾波器蓋板(27)上，銅粉濾波器套筒(23)中加有銅粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，其特征在于:所述PCB板載貼片濾波器(8)包括排針接口焊接點(diǎn)(37)、貼片RC濾波器焊接點(diǎn)(41)、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)(38)、貼片RC濾波器接地總線(36)，到半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)(42)、高頻線路焊接點(diǎn)(43)、高頻線路接地焊接點(diǎn) 35)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)所在位置的開口(40)與銅底座固定的孔(39)、排針接口焊接點(diǎn)(37);其中排針接口焊接點(diǎn)(37)、貼片RC濾波器焊接點(diǎn)(41)、鐵氧體磁珠濾波器焊接點(diǎn)(38)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)電極的焊接點(diǎn)(42)它們之間依先后順序通過印刷電路線連接在一起，在貼片濾波器焊接完畢后，形成從銅粉濾波器出口端到量子點(diǎn)電極間的濾波電路；高頻線路焊接點(diǎn)(43)、高頻線路接地焊接點(diǎn)(35)焊接單獨(dú)的高頻線路；半導(dǎo)體量子點(diǎn) 所在位置的開口(40)與銅底座固定的孔(39)用以固定PCB板。
全文摘要
一種極低溫下半導(dǎo)體量子點(diǎn)低噪測量系統(tǒng)，包括熱沉部分、銅粉濾波器和PCB板載濾波器；熱沉部分由制冷機(jī)PT1層線夾熱沉、PT2層線夾熱沉、Still層線夾熱沉、100mK層線夾熱沉和MC層線夾熱沉構(gòu)成；測量和控制線進(jìn)入熱沉部分后依次通過制冷機(jī)PT1層線夾熱沉、制冷機(jī)PT2層線夾熱沉、制冷機(jī)Still層線夾熱沉、制冷機(jī)100mK層線夾熱沉和制冷機(jī)MC層線夾熱沉后至制冷機(jī)混合室冷板，經(jīng)過制冷機(jī)混合室最后一級冷板后焊接在D型接口上，D型接口與銅粉濾波器的D型接口入口相連；測量和控制線再經(jīng)過銅粉濾波器后，由銅粉濾波器的D型接口出口離開，通過一段測量和控制線后，排針接口進(jìn)入PCB板載濾波電路，最后測量和控制線連接到量子點(diǎn)測量樣品相應(yīng)的電極上。本發(fā)明降低了熱噪聲和電路噪聲。
文檔編號G01R31/26GK103235251SQ20131012517
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者尚汝南, 郭國平, 李海鷗, 曹剛, 肖明, 郭光燦 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)