一种极低温下半导体量子点低噪测量系统

摘要

一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，包括：热沉部分、铜粉滤波器和PCB板载滤波器；热沉部分由制冷机PT1层线夹热沉、PT2层线夹热沉、Still层线夹热沉、100mK层线夹热沉和MC层线夹热沉构成；测量和控制线进入热沉部分后依次通过制冷机PT1层线夹热沉、制冷机PT2层线夹热沉、制冷机Still层线夹热沉、制冷机100mK层线夹热沉和制冷机MC层线夹热沉后至制冷机混合室冷板，经过制冷机混合室最后一级冷板后焊接在D型接口上，D型接口与铜粉滤波器的D型接口入口相连；测量和控制线再经过铜粉滤波器后，由铜粉滤波器的D型接口出口离开，通过一段测量和控制线后，排针接口进入PCB板载滤波电路，最后测量和控制线连接到量子点测量样品相应的电极上。本发明降低了热噪声和电路噪声。

说明书

技术领域

本发明涉及一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，属于量子计算实验物理学领域。

背景技术

在量子计算实验物理学领域，特别是基于半导体或超导结构的物理实验中，需要探测的物理量都极其微弱。以电流为例，一般为几个到十几个皮安（pA，10E-12A），因此对实验中的噪声要求极小，能否尽可能的降噪，是实验成败的一个关键要素。同时，随着两比特实验的推进，对样品的测量需要更多的电极。以GaAs半导体异质结两比特量子点为例，典型的样品已经需要24根引线（直流电控制和测量部分），由于极低温实验仪器价格昂贵，单个仪器的负载不能无限提高，因此日益增长的需求对实验设备的使用效率提出了挑战。

因此，至少有两个基本问题需要解决：（1）样品所在环境温度和热噪声。该领域对于极低温设备和极低温环境的需求非常高。由于极低温设备结构复杂且在实验室级别难以自制，通常实现这一条件的方法是购买商用极低温制冷机。目前一个先进的制冷机型号是Oxford公司生产的Triton系列稀释制冷机。该型号核心参数为：混合室(温度最低处)温度20mK。该型号制冷机无需液He作为制冷机，结构较以往产品更为简单，放置样品空间较大。但是价格昂贵，占用的空间也不小。故而当前在如上所述的试验中，一个基本的要求在于：希望实现对制冷机效率利用的最大化，在制冷机中放置更多的样品；同时，放置更多的样品意味着引入更多的控制/测量引线，所有引线的一端在样品上，另一端最终与室温相连。引线越多，稀释制冷机的热负载越大，对核心参数的偏离也越大。因此需要解决的一个问题是，在于在对混合室温度无较大影响（温度升高不超过10mK，不引入更大热噪声）的情况下，设计一种新的热沉结构，实现对稀释制冷机制冷效率利用的最大化。（2）电路噪声。测量和控制设备的输出端口、线路两端的温度梯度（室温-接近绝对零度）、线路焊接处不同金属材料，都有可能带来电路噪声。其中高频噪声会使样品中电子温度升高，同时由于实验中需要施加高频信号（几到几十个GHz）来进行操作，直接干扰了操作脉冲信号。考虑到该类实验需要的严格的信号质量，因此很有必要通过设计合适的滤波电路来降噪。同时，由于核心电极的宽度最小只有20nm，因此在将样品从制作间向稀释制冷机转移安装的过程中轻微的脉冲放电或者电压源的突然掉电，完全可能将电极击穿，需要降噪电路同时起到保护电路的作用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，保证成本昂贵的实验设备工作效率最大的前提下，尽可能降低了热噪声和电路噪声。

本发明的技术解决方案：一种极低温下半导体量子点低噪测量系统，包括：测量和控制线1、热沉部分、铜粉滤波器7和PCB板载滤波器8；所述热沉部分由稀释制冷机PT1层线夹热沉2、稀释制冷机PT2层线夹热沉3、稀释制冷机Still层线夹热沉4、稀释制冷机100mK层线夹热沉5、稀释制冷机MC层线夹热沉6五级热沉顺序级联组成；测量和控制线1进入热沉部分后依次通过稀释制冷机PT1层线夹热沉2、稀释制冷机PT2层线夹热沉3、稀释制冷机Still层线夹热沉4、稀释制冷机100mK层线夹热沉5和稀释制冷机MC层线夹热沉6后至稀释制冷机混合室冷板，经过稀释制冷机混合室最后一级冷板后焊接在D型接口上，D型接口与铜粉滤波器7的D型接口入口相连；测量和控制线1再经过铜粉滤波器7后，由铜粉滤波器7的D型接口出口离开，测量和控制线1的接口进入PCB板载滤波器8，经过PCB板载滤波器8后，测量和控制线1连接到半导体量子点相应的电极上。

所述每层热沉均为多层冷板构成，延长热交换线路的长度，它包括主冷板9、两块盖板15、中间盖板19和固定底板10；固定底板10与主冷板9底部连接固定；在主冷板9的两面分别开有主冷板布线槽11，测量和控制线1放置在一面的主冷板布线槽11中，将一块盖板15盖在主冷板9上并贴合，从而使测量和控制线1紧密夹在主冷板9和盖板15中；将测量和控制线1弯折越过主冷板9的顶部后，继续固定在主冷板9的另一面的主冷板布线槽11中，用中间板19的一侧盖在主冷板9的另一侧面上并贴合；将测量和控制线1从主冷板9的底部过主冷板底部过线槽14中弯折后，固定在中间盖板19带中间盖板布线槽18的一面，用第二块盖板15盖在中间盖板19上并贴合，测量和控制线1在热沉部分每层的主冷板，盖板，中间盖板中廻行穿过，然后上述各板之间通过螺钉紧固连接。

所述主冷板9、盖板15、中间盖板19均需要镀金，镀金厚度20um以上，以增加热导性和表面平整性。

所述固定底板10通过主冷板底座固定孔13和平行于地面的稀释制冷机冷板固定；固定底板10与释制冷机冷板之间需要略微涂抹N-grease真空油脂，填补接触空隙，以增加导热性。

所述铜粉滤波器7包括铜粉滤波器底座49、铜粉滤波器套筒23、铜粉滤波器盖板27和绕线柱32构成；绕线柱23一端带有固定螺孔34，直接通过铜粉滤波器底座过孔20固定在铜粉滤波器底座49上；铜粉滤波器盖板27包括25pin-D型接头进口29和出口28，通过D型头固定孔，将测量和控制线1的接头固定在铜粉滤波器盖板27上，铜粉滤波器套筒23中加有铜粉。

所述PCB板载贴片滤波器8包括排针接口焊接点37、贴片RC滤波器焊接点41、铁氧体磁珠滤波器焊接点38、贴片RC滤波器接地总线36，到半导体量子点电极的焊接点42、高频线路焊接点43、高频线路接地焊接点35、半导体量子点所在位置的开口40与铜底座固定的孔39、排针接口焊接点37；其中排针接口焊接点37、贴片RC滤波器焊接点41、铁氧体磁珠滤波器焊接点38和半导体量子点电极的焊接点42它们之间依先后顺序通过印刷电路线连接在一起，在贴片滤波器焊接完毕后，形成从铜粉滤波器出口端到量子点电极间的滤波电路；高频线路焊接点43、高频线路接地焊接点35焊接单独的高频线路；半导体量子点所在位置的开口40与铜底座固定的孔39用以固定PCB板。

本发明的原理：本发明使用Lakeshore SS1作为控制和测量线，该线从室温进入热沉部分，依次通过五层热沉至稀释制冷机混合室冷板。离开最后一级冷板后，焊接在25Pin D型接口上，D型接口与铜粉滤波器D型接口入口相连。经过铜粉滤波器后，由铜粉滤波器D型接口出口离开，通过一段lakeshore SS1线后，通过排针接口进入PCB板载滤波电路，并最后进入样品。

热沉部分：热沉部分用以对测量/控制线路提供充分的热交换，使得该处的测量/控制线路的温度降低到与冷板温度一致，从而降低热噪声。热沉部分由PT1层，PT2层，Still层，100mK层级，MC层级五层极热沉组成。每层热沉通过多层夹板，延长热交换线路的长度。

铜粉滤波器部分：测量和控制线路经过热沉到达稀释制冷机最下层（MC层）后，由于测量和控制设备的输出端口、线路两端的温度梯度（室温-接近绝对零度）、线路焊接处不同金属材料等影线路中仍然存在一定的电噪声，直流信号必须进行滤波才可以保证纯净。传统RC滤波器和其他商用贴片滤波器，性质最优秀者也无法达到3G以上的滤波效果。而这个频率及之上的频率，正是半导体量子点进行高频操作时所使用的典型频率段。高频操作信号经由专门高频线路进入样品，因此直流部分中不应有高频噪声。在GHz波段，需用铜粉滤波器部分用以提供对直流线路中噪声信号进行压制。

PCB板载滤波器部分：PCB板载滤波器用以两个用途：（1）PCB板载滤波器是保护电路。在样品固定在紫铜底座，并通过bonding线与PCB板bonding端连接后，有一段从微纳加工车间到稀释制冷机上转移的过程。该过程中轻微的脉冲放电，都有可能击毁样品。因此需要板载滤波器作为高频脉冲信号的保护电路。用以保证样品在转移过程中的完好。（2）1/f噪声也是影响量子点中电子相干特性一个重要因素，通常在几百MHz左右。由于铜粉滤波器的工作特性，1G以下的低频噪声无法通过铜粉滤波器进行滤波。此时需要传统的RC滤波器和其他贴片滤波器配合来实现滤波效果。

综上，以上三个测量部分以热沉-铜粉滤波器-PCB板载滤波器级联的方式组合在一起。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）传统使用漆包线或双绞漆包线作为测量和控制线，此类线无屏蔽，易于受到外界高频信号的干扰，如果使用本发明中的排线状热沉，密排情况下会增加线路间串扰，直接影响皮安级别极微弱电流的测量结果。本发明使用的Lakeshore SS1本身的不锈钢屏蔽层具有阻断线路之间串扰的效果。

（2）尽管lakeshore SS1线的截面积（49mm^2）远大于漆包线（9mm^2），造成了严重的热负载，但本发明设计的多层线夹式热沉为线路提供了足够的热交换长度，能成功解决同时在稀释制冷机中放入一百根以上的lakeshore SS1测量/控制线后给系统带来的额外热负载问题。对最低温度的影响不超过5mK。完全可以至少为4块典型的半导体两比特量子点样品提供足够的测量线路和实验温度环境；且结构简单，固定测量/控制线时十分快捷方便，节省了宝贵的实验时间，保证了稀释制冷机使用效率的高效性。

（3）传统的铜粉滤波器如果同时为25路直流信号滤波，体积过大，故无法放入稀释制冷机中，通常在稀释制冷机外部作为滤波器，因而对稀释制冷机内部进入线路的噪声无能为力。本发明中，采用绕线柱间共用滤波铜粉的方法和改换SMA接口为25pin D型接口的办法，成功地将铜粉滤波器的体积缩小到可以放入稀释制冷机最底层的程度。从而可以近乎直接与样品相连，提高了滤波的实际效果。

（4）传统所使用的PCB板仅仅为样品提供与测量/控制线路相连的通道，本发明的PCB板载滤波器，能够直接在距样品最近的地方完成滤波和保护两个作用。实验上使用的实际效果是测量到的信号中噪声小于1pA。

附图说明

图1为本发明测量系统的组成框图；

图2为本发明中每层线夹热沉结构中的主冷板结构示意图；

图3为本发明中每层线夹热沉结构中的盖板结构示意图；

图4为本发明中每层线夹热沉结构中的中间盖板结构示意图；

图5为本发明中每层线夹热沉的结构示意图；

图6为本发明中的铜粉滤波器底座示意图；

图7为本发明中的铜粉滤波器套筒示意图；

图8为本发明中的铜粉滤波器盖板示意图；

图9为本发明中的铜粉滤波器绕线柱示意图；

图10铜粉滤波器总装后的前视图；

图11铜粉滤波器总装后的后视图；

图12为本发明中的带板载滤波的PCB电路板示意图；

图13为本发明应用的典型测量线路图；

图14为本发明中用网络分析仪测量铜粉滤波器S21分量图（0-20GHz）；

图15为本发明的试验效果图—实际量子点信号测量结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明整个测量系统由Lakshore SS1测量和控制线1、稀释制冷机PT1层线夹热沉2、稀释制冷机PT2层线夹热沉3、稀释制冷机Still层线夹热沉4、稀释制冷机100mK层线夹热沉5、稀释制冷机MC层线夹热沉6、25pin铜粉滤波器7、PCB板载滤波器8八个部分构成。测量和控制线（直流部分）选用Lakeshore公司生产的SS1线（以下称线）。该线为带同轴不锈钢网屏蔽层的不锈钢线。以一根lakeshore SS1线为例，该线从室温进入热沉部分，依次通过五层热沉至稀释制冷机混合室冷板，离开最后一级混合冷板后，焊接在25Pin D型接口上，D型接口与铜粉滤波器D型接口入口相连；经过铜粉滤波器7后，由铜粉滤波器7的D型接口出口离开，通过一段lakeshore SS1线后，通过排针接口进入PCB板载滤波器8，最后连接到半导体量子点延伸出来的表面电极和欧姆接触电极上。

1．热沉部分

本发明中的热沉部分实现：使用的稀释制冷机平台为Oxford公司生产的Triton300稀释制冷机（以下简称制冷机）。原则上，只要是目前这种按冷却温度分层的，有足够内部空间的制冷机，都可以实现本发明的热沉设计。热沉部分中的每层线夹热沉的结构都相似，以稀释制冷机Still层线夹热沉4为例进行说明，其它层相似。

如图2-5所示，稀释制冷机Still层线夹热沉4的主要特征在于由多层冷板构成，它包括主冷板9、盖板15、中间盖板19；主冷板布线槽11和中间盖板布线槽18、固定底板10、第一紧固用螺孔12、第二紧固用螺孔16和第三紧固用螺孔17；主冷板9底部与固定底板10固定连接，作用对象Lakeshore SS1测量和控制线1。

使用方法：将15根或更多测量和控制线1排在一起，放置在主冷板布线槽11中。用一块盖板15盖在主冷板9上并贴合，从而使测量和控制线1紧密的夹在主冷板9和盖板15中。将15根测量和控制线1弯折越过主冷板9的顶部后，继续固定在主冷板9的另一侧的布线槽中，用中间板19光滑的一侧盖在主冷板9的另一侧上并贴合。同理，将15根测量和控制线1从主冷板9的底部过线槽14中弯折后，固定在中间盖板19带中间盖板布线槽18的一面，用第二块盖板15盖在中间盖板19上并贴合。采用螺丝和螺母按第一紧固用螺孔12、第二紧固用螺孔16和第三紧固用螺孔17所在位置紧固。线路Lakeshore SS1线在热沉的主冷板9，盖板15，中间盖板19中廻行穿过。如果有必要，可以成对增加中间盖板19和盖板15的数量，延长线路的整个穿行距离，保证充分的热接触。

固定底板10通过主冷板底座固定孔13和平行于地面的稀释制冷机冷板固定。固定底板10与释制冷机冷板之间需要略微涂抹N-grease真空油脂，填补接触空隙，以增加导热性。

以上所述主冷板、盖板、中间盖板全部需要镀金（20um以上），以增加热导性和表面平整性。

2．铜粉滤波器7部分

如图6-12所示，本发明中使用的铜粉滤波器7的特点在于体积小，集成度高，滤波线路数大，能够方便的加在稀释制冷机上。铜粉滤波器7的基本原理是当电流通过滤波器时，高频信号在金属粉末环境中会遭到较大衰减，低频信号的衰减很小。对于直流信号的滤波来说，阻抗匹配并无意义，故为了追求更大的接触面积，本发明采用螺旋绕线式方法。

如图6-12所示，本发明中的铜粉滤波器7由铜粉滤波器底座49、铜粉滤波器套筒23、铜粉滤波器盖板27和绕线柱32构成；绕线柱32一端带有固定螺孔34，直接通过铜粉滤波器底座的过孔20固定在铜粉滤波器底座49上；铜粉滤波器盖板27包括25pin-D型接头进口29和出口28，通过D型头固定孔30，将测量和控制线1的接头固定在铜粉滤波器盖板27上。另外，使用的铜粉混合物配方也是该滤波器特征之一。铜粉滤波器套筒23中加有铜粉。

铜粉滤波器7的制作方法：

（1）用6米长的漆包线密绕在绕线柱32上，为描述方便，以有漆包线固定孔33的一端为A端，另一端为B端。自A端起，沿绕线柱32绕线至B端，再从B端折回，并沿绕线柱32绕线至A端（顺逆结合方式），增加绕线长度并避免磁效应。固定孔的作用是，直接将线穿过固定孔，外部绕一圈后再次穿过，则直接完成打结固定，无需用胶。

（2）用螺丝将绕好线的绕线柱32固定在铜粉滤波器底座49上，依次完成25根绕线柱32，并将铜粉滤波器套筒23套在铜粉滤波器底座49上，套筒底面固定孔24和底座固定螺孔22之间用螺丝固定，缝隙处用缩醛树脂灌注密封。

（3）配置青铜粉末-粘合剂混合物。粘合剂具有很好的导热性，同时保证铜粉分布均匀。用直径50um的青铜粉末和环氧树脂粘合剂各50%制作铜粉混合物。选择青铜粉末，原因在于青铜粉末电阻率大，且随温度的变化小。粘合剂用Emerson&Cuming公司生产的2850FT和stycast1266A/B，固化剂用24LV。按质量比例为：2850FT75%，stycast A126610%，stycast B126610%24LV5%。青铜粉末为前述混合物总重1.5倍。待粘合剂和固化剂混合完毕后，倒入混合物中，并充分搅拌。

（4）将配好的混合物倒入铜粉滤波器套筒23内，注意不要没过绕线柱32顶端，等待完全凝固，凝固时间约1天左右。完全凝固后，每个绕线柱32的A端都有两根外露的线，分别是信号的入口和出口。

（5）将25pin D型接口经过D型头固定孔30分别固定在盖板25pin-D型接头进口29和出口28上。

（6）将绕线柱32的A端的两根线分别焊接在入口D型头和出口D型头上，依次完成25根绕线柱32。

（7）将上盖板盖在套筒上，与套筒台面26贴合。并用螺丝通过盖板固定孔31进入套筒台面固定螺孔25，完成盖板铜粉滤波器盖板27和铜粉滤波器套筒23的固定。整个铜粉滤波器7即制作完毕，如图8所示。

本发明实施例中的铜粉滤波器7的体积为：46x46x60（mm）。实际测量时，使用一段lakeshore S1线实现D型头与SMA接头转接。采用网络分析仪（300KHz-20GHz）测量S21分量如图14所示。2G以上几乎全部都在50db以下，平均衰减在55db。

3．PCB板载贴片滤波器8部分

PCB板载贴片滤波器8特征是：包括排针接口焊接点37、贴片RC滤波器焊接点41、铁氧体磁珠滤波器焊接点38、贴片RC滤波器接地总线36，到半导体量子点电极的焊接点42、高频线路焊接点43、高频线路接地焊接点35、半导体量子点所在位置的开口40与铜底座固定的孔39、排针接口焊接点37；其中贴片RC滤波器焊接点41、铁氧体磁珠滤波器焊接点38、半导体量子点电极的焊接点42，它们之间依次通过印刷电路线连接在一起，将贴片滤波器焊接完毕后，即形成从铜粉滤波器出口端到量子点电极间的滤波电路。

如图13所示，测量和控制线1通过排针接口焊接到排针接口焊接点37上，贴片式RC滤波器焊接贴片RC滤波器焊接点41上。每侧所有的贴片RC滤波器接地端通过每侧的一条接地总线，经由环装过孔连到背面接地。贴片式铁氧体磁珠滤波器焊接在相应的铁氧体磁珠滤波器焊接点38上。如图13所示的电极延伸至最中央的末端作为到半导体量子点对应电极的bonding点。

高频信号控制线焊接在高频信号焊接点34上。其接地屏蔽层焊接在高频接地焊接点35的覆层44上，高频接地焊接点35焊接覆层44上布置大量小过孔与覆金的背面相连，以便良好接地。

整个PCB电路板通过与铜底座固定的孔39固定在铜底座上，半导体量子点也用银胶粘在铜底座上，并露出在中央开口位置。连带铜底座，半导体量子点可以随意的转移。对于测量/控制而言，直流部分和高频部分实现分离。直流信号在进入量子点之前，进行了滤波纯化。

如图12所示，本发明实施过程中一个典型的测量线路结构，它是一个在GaAs/AlGaAs异质结半导体两比特量子点上的一个测量的实例：

电压源在室温输出一路直流电压，相应的lakeshore SS1控制线依次经过稀释制冷机上的PT1热沉、PT2热沉、Still热沉、100mK热沉和MC热沉。线上的温度依次被降到70K、4.2K、700mK、100mK、20mK。当到达最低端时，不会再向半导体量子点样品带来多余的热量，即热噪声被充分消除。然后该线进入铜粉滤波器，消除线路中1G以上的噪声。然后进入板载滤波器，消除1G以下的噪声，最后通过Al质bonding wire连接到半导体量子点延伸出来的表面电极和欧姆接触电极上。限于空间有限，图12上的控制线路部分以一个电极为示例，不再一一标明。变换输出电压（速度100Hz以下，不会被滤波），以实现对电极上电压的调制。

量子点表面电极上电压被调制时，测量到的信号也会发生变化。16根（根据量子点的具体结构不同可以有变化）经过如上叙述的滤波纯化的Lakeshore SS1线接在半导体量子点的表面电极上。同样两根Lakeshore SS1线经过如上叙述的滤波纯化处理，分别接在半导体量子点QPC（Quantum Point Contact）测量通道的源极和漏极相应的欧姆接触电极上，一端为输入激励信号，由锁相放大器输出的低频的正弦激励信号，与直流偏执电压在加法器相加后，沿测量信号线接入QPC源极，QPC漏极信号沿测量线进入锁相放大器得到输出信号。

本发明的实施效果：利用该热沉，实际布线数目达到了100根。核心参数混合室温度较裸机未超过5mK，实际结果是：布线前，稀释制冷机混合室温度21.19mK，布线后，23.7mK；实际测量铜粉滤波器时，使用一段lakeshore S1线实现D型头与SMA接头转接，用网络分析仪（300K-20G）测量S21分量如15图所示。1G以上几乎全部都在50db以下，平均衰减在55db。PCB板载滤波器8的效果由具体购买的商用元件的特性来保证。

按照发明测量量子点的实际测量得到的一条线，噪声在500fA，也就是1pA的一半，如图15所示。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。