南京大学吴培亨院士领导的超导电子学研究所王华兵、王永磊研究团队，以检测高频芯片的近场信息为主要目标，在国家重大仪器项目的支持下，自主研发了超导约瑟夫森扫描探针显微技术，并成功应用于微波芯片的测试和表征。该显微系统将约瑟夫森结优异的高频探测性能和扫描探针显微技术的高空间分辨能力有机结合，为微波至毫米波频段集成芯片的近场电磁表征提供了一种超宽带、高灵敏、高分辨的全新手段，为高频、高速集成芯片的发展提供了一种新型的表征手段(图1)。
图1 约瑟夫森探针
显微镜应用于集成芯片的近场微波检测
现代微波技术，往往依赖于微波信号的精准生成、操控与测量。如何确保电磁兼容性、有效抑制信号串扰，成为了亟待解决的技术挑战。为实现以上目标，对器件近场电磁波分布的精确检测显得尤为重要。利用显微技术检测近场电磁波信息，不仅有助于深入剖析微波相互作用的复杂机制，更是优化信号耦合效率、提升系统性能的关键。
研究团队从无到有，历经五年时间成功研制出超导约瑟夫森探针显微镜系统。约瑟夫森探针是系统的核心部件，由两个并联的弱连接约瑟夫森结构成。研究人员采用带槽石英管拉制纳米探针，并结合磁控溅射薄膜沉积技术，在针尖尖端的弱连接处制备出两个并联的约瑟夫森结，得到了纳米级铌基约瑟夫森探针(图2)，具有工作温度高、性能稳定、工艺可控等特点，拥有自主知识产权。
图2 约瑟夫森探针的(a)光学照片和(b)SEM照片
约瑟夫森探针显微镜在保证高空间分辨能力的同时，能够利用约瑟夫森结对近场微波信号进行高灵敏度的检测。经过多次的工艺迭代优化，目前约瑟夫森探针的最高相干探测频率已超过200 GHz。利用约瑟夫森结的高度非线性和混频技术，还可以实现对待测样品表面任意点近场微波的高精度频谱测量(图3)。以上功能进一步丰富了约瑟夫森探针显微镜的应用场景，其选频成像、频谱解析等功能在芯片的近场检测技术中具有极大的应用潜力。
图3 基于(a)混频检测技术得到的(b)中频输出频谱和(c)待测信号频谱。
为了检验该系统的各项性能指标，研究团队对多种微波器件进行了近场电磁成像，观察到共面波导的驻波分布、压控振荡芯片的环状微波场分布、交指电容中的峰谷特征等现象(图4)。
图4 不同器件中的近场微波分布成像
该微波成像系统的空间分辨率已达到亚微米级别，并存在进一步优化的空间。超导约瑟夫森探针显微镜作为一种无损的近场频谱成像技术，具有高空间分辨率、高灵敏度、高频率分辨和宽频谱探测的优势，有望在高频集成电路、超导量子电路、自旋电子学等前沿领域的科研和工程应用中发挥重要作用。
该成果以“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”为题，发表在National Science Review上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwae308)。南京大学电子学院博士生张平为该工作第一作者，吕阳阳博士、王永磊教授和王华兵教授为该文的共同通讯作者。
为了进一步验证约瑟夫森探针显微镜的实际检测能力，研究团队利用显微镜系统，对电子科学与工程学院杜源副教授课题组研制的微波振荡器芯片进行了微波近场探测(图5)，成功实现了芯片的波谱成像和信号分析。
图5 超导约瑟夫森探针检测压控振荡器芯片的照片
压控振荡器作为半导体产业的基本元件，在高频集成电路中的锁相环、时钟发生器和频率合成器等各种模块中有着诸多应用。集成电路芯片的常规分析手段通常是在其后端添加驱动电路，以及额外的接地-信号-接地焊盘或片上天线。这些额外电路和结构引入了不必要的复杂性，同时也缺乏空间分辨率能力，无法准确检测芯片上特定位置的工作状态。而超导约瑟夫森探针显微镜则为集成电路芯片的无损近场微波检测提供了一种可行的方案。
图6 压控振荡器芯片的(a)混频检测示意图和(b)局域高精度频谱曲线
基于超导约瑟夫森探针显微技术，研究团队表征了多波段微波振荡器芯片中局域的高精度频谱信息(图6)以及近场微波分布(图7)；观察到了在不同偏置电压下芯片工作频率的细微变化，以及杂散频谱、寄生电磁场分布等现象，同时确定了芯片的最佳工作偏置点。以上结果为微波芯片的电磁兼容性分析、缺陷诊断和性能优化提供了重要参考。
图7 压控振荡器芯片的(a)光学成像和(b)近场微波分布成像
该成果以“Near-Field Probing of Microwave Oscillators with Josephson Microscopy”为题，发表在Nano Letters上(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00454)。南京大学电子学院博士生张平和吕晶晶为论文的共同第一作者，吕阳阳博士、杜源副教授、王华兵教授为论文的共同通讯作者。
以上工作得到了超导电子学研究所吴培亨院士的精心指导和全体同事的大力支持，电子学院杜力副教授给予了很多建议。该项目得到了国家自然科学基金、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室、国家博士后科学基金、江苏省卓博计划等项目的支持。
