基于NV色心的芯片电磁兼容测试技术 | 应用物理前沿推介系列No.28
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本期推介
基于NV色心的芯片电磁兼容测试技术
芯片是整个信息化时代的基础和原动力，是产业竞争、科技竞争的战略制高点，在通信、大数据、智能汽车、智能家电、智能医疗设备、雷达、射电天文、深空探测等领域都得到广泛应用。随着制造工艺的进步，集成电路工艺进入纳米时代，芯片的集成度越来越高，然而，集成度、布线密度与工作频率的提高，使得芯片内部的电磁干扰不断恶化，电磁兼容性问题突出，电磁干扰检测成为芯片性能与可靠性的保障。为了保证芯片的正常运行，需要精密的电磁干扰测量设备，定位电磁干扰源，解决集成电路芯片的电磁兼容性问题。
电磁近场测量的主流技术为基于电磁感应探头的平面扫描技术（图1），电磁探头通过电磁感应获得待测件的电磁辐射场强，再通过平面扫描可获得待测件表面的二维电磁场辐射图像，但是电磁感应探头由于采用了金属材料，对待测场会产生扰动，影响了测量的精度，并且受限于探头尺寸，电磁场测量空间分辨率提升有限。
图 1. 传统电磁感应探头。
2019年，国际计量局宣布人类进入量子计量时代，所有物理量包括高频电磁场要需要建立量子计量标准，业内普遍认为，采用原子体系实现电磁场的测量是最佳途径之一。原子体系测量电磁场的基本原理是外部电磁场和原子内部能级的共振相互作用[1]，其显著优势在于：通过选择合适的原子体系，采用磁共振技术对相互作用后原子体系的量子态进行测量与读取，对待测电磁场的干扰非常低，可以实现真正意义上的非破坏测量；第二，通过外场（一般是稳态电场和磁场）调节原子内部能级，可以实现原子和任意频率电磁场的共振相互作用，实现从微波毫米波到太赫兹的（准）全频谱测量；第三，由于原子体系可以将电磁测量转换为光学工程，光学学科中发展成熟的技术和方法可以嫁接到电磁测量，比如通过光学宽场成像，对原子体系感受的电磁场进行二维高速成像，相比于场探头点扫描成像技术，将大大提高成像效率。
2010年，瑞士巴塞尔大学的科学家首次基于激光冷却原子实现了对原子芯片（Atomic Chip）微波近场分布的非破坏测量。图2a展示了冷原子微波场成像的设备示意图。其原理是利用激光冷却和囚禁技术“束缚”原子，可用于弱场的操控和精密测量。冷原子的超精细能级与可与外界微波相干耦合振荡，实现微波磁场的微米级分辨的测量。但是采用冷原子体系测量微波磁场，必须将温度降低至nK量级,同时需要在真空环境中进行操纵，并且装置十分复杂，因此不适合推广到芯片电磁兼容测试上[2,3]。
2014年，研究人员搭建出热原子微波场成像系统（图2b）。该系统采用碱金属蒸汽例如铷原子蒸汽作为媒介，这些原子外存在一个未耦合的电子，较容易操控。通过激光泵浦和外部磁场的共同作用下，可以实现微波场矢量成像。由于是热原子体系，所以可以在室温下进行操作，但由于气体扩散和系统物理厚度，限制了工作距离，分辨率只能达到100 μm左右，仍然无法满足晶圆级的电磁兼容测试[4,5]。
图 2. (a）冷原子微波场成像系统（b）室温原子微波成像系统。
金刚石NV色心是一类性能优异的固态量子比特，由金刚石晶格中的一个碳原子被氮原子替代，结合相邻的一个空位形成（图3a）。在室温环境下，金刚石NV色心具有稳定的晶体结构、长的自旋相干时间、并且可以利用光学手段对其自旋进行初始化和读出[6-8]。利用NV色心进行微波场探测的基本原理是二能级原子在微波的共振作用下，发生周期拉比振荡（图3b），通过精确测量拉比频率，即可反推出待测微波场强度，具体公式为[9]：
B = Ω/(2πγNV)
在上式中，B为待测微波场强，γNV = 28 KHz/μT是旋磁比，Ω为拉比振荡角频率。
得益于NV色心极小的物理尺寸，在室温下即可实现微米甚至纳米尺度的空间分辨率，同时基于非金属材料的特性，NV色心不会对待测电磁场产生扰动。
图 3. （a）金刚石NV色心晶体结构（b）NV色心拉比振荡。
2019年，国内研究团队将微米尺寸金刚石NV色心颗粒与锥形光纤相结合（如图4所示），将其作为扫描探头，研制出了晶圆级芯片电磁兼容测试原型机，实现了对芯片表面微波场的高分辨率扫描成像。
图4. 光纤金刚石量子探针。
图5为晶圆级电磁兼容测试原型机及芯片测试过程。右侧是原型机的四大模块：光学模块、测控模块、扫描成像模块、软件模块；左上方展示的是待测芯片，左下方展示的是光纤探针，其用于探测的尖端尺寸在微米量级。测量时，首先将待检测芯片固定于电动位移台上，并将光纤探针缓慢靠近样品直至达到所需距离，这一过程可以通过显微镜成像在屏幕上，便于实时监控探头的位置。之后激光通过光纤激发尖端的金刚石NV色心，NV色心发出红色荧光并通过光纤收集，送到数据处理模块进行处理，得到该点的微波磁场强度。程控位移台上在XY（Z）平面内移动，光纤探针通过逐点扫描获取芯片微波场强度分布信息。
图5. 芯片电磁兼容测试系统原型机。
与传统的电磁探头相比，基于锥形光纤量子探针的微波场测试技术有以下的技术优势（图6）：1）金刚石NV色心颗粒尺寸可达亚微米量级，光纤探头可深入内部结构进行多测量，实现三维成像；2）此方法通过NV色心受激产生荧光信号实现各物理量测量，其灵敏度可达到微特斯拉量级；3）得益于亚微米级的金刚石尺寸，微波场测量具有极高的空间分辨率，并且提升空间很大；4）一般的金属电磁探头在进行测量时会对待测物理量本身产生干扰，破坏成像效果，而金刚石NV色心则可以实现非破坏性成像。
图6. 锥形光纤量子NV探针微波场测试技术优势。
该系统测试的对象是一款宽带低噪声分布式放大器芯片（图7），频率范围覆盖DC-20 GHz，小信号增益13 dB，P-1dB输出功率16 dBm，带内典型噪声系数2.0 dB，电源供电：+8V/60 mA，500HM输入/输出，芯片尺寸：2.5*1.6*0.1 mm。
图7. 低噪声放大器芯片及微观结构。
图8a和b分别展示了德国Langer EMV电磁近场探头以及利用此探头对低噪放芯片微波场的扫描结果；图8c和d分别展示了锥形光纤量子探头以及利用此探头对低噪放芯片微波场的扫描结果。从两者的测试结果可见，左侧输入端信号较小，右侧输出端信号较大，电磁场强度明显增强，信号变化趋势在两次测试结果中保持一致。对比两次测试结果发现由于光纤量子探头尺寸更小、探测距离更近、相邻点的步进更小，扫描结果更能够直接呈现芯片的内部结构特征，在芯片测试上更加准确、分辨率也更高，性能优势非常明显。
图8.（a）商用高精度探头（b）商用探头微波场扫描结果（c）锥形光纤量子探头（c）锥形光纤量子探头微波场扫描结果。
此外，本系统还可进行芯片其他方面的测试。图9a展示了高功率芯片工作时的温度分布成像，红色区域代表高温度区，蓝色区域代表低温度区，温度的振荡分布反映了芯片内部的电路分布。图9b展示了利用光纤金刚石探针对材料的缺陷进行表征，因为微米级的裂痕通常是光学不可见的，而利用我们的光纤探针则可以“看”到电磁屏蔽材料内部的“暗”缺陷。图9c展示了设备还可以实现芯片表面脉冲电流检测，这里分别展示了1毫秒芯片表面电流脉冲检测。
图9.（a）温度成像（b）电磁屏蔽材料暗缺陷成像（c）1毫秒脉冲电流检测。
基于金刚石NV色心的芯片电磁兼容测试方法，为芯片高精度的电磁干扰与电磁兼容测试提供保证。通过高空间分辨率、高灵敏度、宽频率范围的电磁测量仪器的研制，为新一代通信、超宽带相控阵雷达、新材料新器件等领域的科学研究与高新技术开发的实现提供必需的技术支持。但目前该技术仍存在难点与挑战：一是高纯度金刚石晶体生长及NV色心可靠制备，作为传感核心，NV色心的质量直接决定了测量成像质量，如何提高N到NV色心的转化率、抑制高杂质浓度引入的非均匀应力分布和自旋磁噪声、延长自旋相干时间、提高NV色心荧光亮度，是未来的研究重点；二是提高微弱荧光收集效率，锥形光纤尖端的金刚石尺寸决定了空间分辨率的上限，而减小金刚石尺寸会使得荧光信号变得微弱，探测灵敏度下降，如何对光纤结构模式进行优化设计，并对采集到的微弱荧光信号进行数据处理，从而提高信噪比、提升测量灵敏度，是未来的重要研究方向。
推介人
马宗敏 中北大学教授、博士生导师，主要从事固态量子传感、超高分辨精密测量等研究工作。
参考资料
[1] John K. Webb et al., “Search for Time Variation of the Fine Structure Constant”, Phys. Rev. Lett. 82, 884 (1999).
[2] H. Xia et al.,“Magnetoencephalography with an atomic magnetometer”, Appl. Phys. Lett. 89, 211104 (2006).
[3] D. Sheng et al., “Subfemtotesla Scalar Atomic Magnetometry Using Multipass Cells”, Phys. Rev. Lett. 110, 160802(2013).
[4] P. Böhi et al., “Simple microwave field imaging technique using hot atomic vapor cells”, Appl. Phys. Lett. 101, 181107 (2012).
[5] A. Horsley, G. X. Du, P. Treutlein, “Widefield microwave imaging in alkali vapor cells with sub-100 µm resolution”, New J. Phys. 17,112002 (2015).
[6] A. Lenef and S. C. Rand. “Electronic structure of the N-V center in diamond: Theory”, Physical Review B, 53, 13441-13455 (1996).
[7] Eisuke Abe and Kento Sasaki. “Tutorial: Magnetic resonance with nitrogen-vacancy centers in diamond—microwave engineering, materials science, and magnetometry”, Journal of Applied Physics, 123, 161101(2019).
[8] F. Jelezko and J. Wrachtrup. “Single defect centres in diamond: A review”, physica status solidi (a), 203, 3207-3225(2006) .
[9] K. Li et al. “Dressing-Shaped Rabi Oscillation of Photon Pairs in Hot Atomic Ensemble”. Advanced Quantum Technologies, 4, 2000098(2021).
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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