南京大學吳培亨院士領導的超導電子學研究所王華兵、王永磊研究團隊，以檢測高頻芯片的近場信息為主要目標，在國家重大儀器項目的支持下，自主研發了超導約瑟夫森掃描探針顯微技術，并成功應用于微波芯片的測試和表征。該顯微系統將約瑟夫森結優異的高頻探測性能和掃描探針顯微技術的高空間分辨能力有機結合，為微波至毫米波頻段集成芯片的近場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
顯微鏡應用于集成芯片的近場微波檢測
現代微波技術，往往依賴于微波信號的精準生成、操控與測量。如何確保電磁兼容性、有效抑制信號串擾，成為了亟待解決的技術挑戰。為實現以上目標，對器件近場電磁波分布的精確檢測顯得尤為重要。利用顯微技術檢測近場電磁波信息，不僅有助于深入剖析微波相互作用的復雜機制，更是優化信號耦合效率、提升系統性能的關鍵。
研究團隊從無到有，歷經五年時間成功研制出超導約瑟夫森探針顯微鏡系統。約瑟夫森探針是系統的核心部件，由兩個并聯的弱連接約瑟夫森結構成。研究人員采用帶槽石英管拉制納米探針，并結合磁控濺射薄膜沉積技術，在針尖尖端的弱連接處制備出兩個并聯的約瑟夫森結，得到了納米級鈮基約瑟夫森探針(圖2)，具有工作溫度高、性能穩定、工藝可控等特點，擁有自主知識產權。
圖2 約瑟夫森探針的(a)光學照片和(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，能夠利用約瑟夫森結對近場微波信號進行高靈敏度的檢測。經過多次的工藝迭代優化，目前約瑟夫森探針的最高相干探測頻率已超過200 GHz。利用約瑟夫森結的高度非線性和混頻技術，還可以實現對待測樣品表面任意點近場微波的高精度頻譜測量(圖3)。以上功能進一步豐富了約瑟夫森探針顯微鏡的應用場景，其選頻成像、頻譜解析等功能在芯片的近場檢測技術中具有極大的應用潛力。
圖3 基于(a)混頻檢測技術得到的(b)中頻輸出頻譜和(c)待測信號頻譜。
為了檢驗該系統的各項性能指標，研究團隊對多種微波器件進行了近場電磁成像，觀察到共面波導的駐波分布、壓控振蕩芯片的環狀微波場分布、交指電容中的峰谷特征等現象(圖4)。
圖4 不同器件中的近場微波分布成像
該微波成像系統的空間分辨率已達到亞微米級別，并存在進一步優化的空間。超導約瑟夫森探針顯微鏡作為一種無損的近場頻譜成像技術，具有高空間分辨率、高靈敏度、高頻率分辨和寬頻譜探測的優勢，有望在高頻集成電路、超導量子電路、自旋電子學等前沿領域的科研和工程應用中發揮重要作用。
該成果以“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”為題，發表在National Science Review上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwae308)。南京大學電子學院博士生張平為該工作第一作者，呂陽陽博士、王永磊教授和王華兵教授為該文的共同通訊作者。
為了進一步驗證約瑟夫森探針顯微鏡的實際檢測能力，研究團隊利用顯微鏡系統，對電子科學與工程學院杜源副教授課題組研制的微波振蕩器芯片進行了微波近場探測(圖5)，成功實現了芯片的波譜成像和信號分析。
圖5 超導約瑟夫森探針檢測壓控振蕩器芯片的照片
壓控振蕩器作為半導體產業的基本元件，在高頻集成電路中的鎖相環、時鐘發生器和頻率合成器等各種模塊中有著諸多應用。集成電路芯片的常規分析手段通常是在其后端添加驅動電路，以及額外的接地-信號-接地焊盤或片上天線。這些額外電路和結構引入了不必要的復雜性，同時也缺乏空間分辨率能力，無法準確檢測芯片上特定位置的工作狀態。而超導約瑟夫森探針顯微鏡則為集成電路芯片的無損近場微波檢測提供了一種可行的方案。
圖6 壓控振蕩器芯片的(a)混頻檢測示意圖和(b)局域高精度頻譜曲線
基于超導約瑟夫森探針顯微技術，研究團隊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微變化，以及雜散頻譜、寄生電磁場分布等現象，同時確定了芯片的最佳工作偏置點。以上結果為微波芯片的電磁兼容性分析、缺陷診斷和性能優化提供了重要參考。
圖7 壓控振蕩器芯片的(a)光學成像和(b)近場微波分布成像
該成果以“Near-Field Probing of Microwave Oscillators with Josephson Microscopy”為題，發表在Nano Letters上(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00454)。南京大學電子學院博士生張平和呂晶晶為論文的共同第一作者，呂陽陽博士、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電子學研究所吳培亨院士的精心指導和全體同事的大力支持，電子學院杜力副教授給予了很多建議。該項目得到了國家自然科學基金、江蘇省電磁波先進調控技術重點實驗室、國家博士后科學基金、江蘇省卓博計劃等項目的支持。
