研究背景与意义
随着5G/6G、汽车雷达、安检成像等领域的爆发式发展，毫米波CMOS芯片已成为现代射频前端的核心。然而，芯片特征尺寸已逼近电子德布罗意波长，电磁行为从经典向量子跃迁；同时高集成度剧增导致单元间距急剧缩小，寄生电磁耦合、串扰、杂散频谱成为制约芯片性能的致命瓶颈。传统远场测试（如GSG探针、天线耦合）不仅占用宝贵版图面积、引入额外损耗散，还完全丧失空间分辨能力，无法定位芯片内部哪一处电路产生干扰。
如何实现芯片工作状态下的亚微米级空间分辨+GHz级频谱分辨无损近场探测，成为毫米波/太赫兹集成电路表征的“终极难题”。
核心突破：全球首台约瑟夫森探针显微镜（JPM）成功用于多款压控振荡器（VCO）近场成像与频谱追踪
南京大学超导电子学研究所王华兵教授、吕阳阳助理教授团队，首次将超导约瑟夫森探针显微镜应用于28 nm CMOS毫米波VCO芯片的无损近场探测，实现亚微米空间分辨率 + 百MHz频谱分辨率的同步表征，成功捕捉芯片内部杂散谱、频率漂移、寄生电磁场分布等关键现象，为毫米波芯片电磁兼容优化提供了前所未有的诊断手段。
关键技术亮点
1. 约瑟夫森探针（JP）：尖端200 nm双Nb弱连接，Ic≈13.5 μA，天然宽带（DC–THz）混频器。
2. 无外部本振被动混频：利用Josephson交流效应直接下转换VCO信号，实现<1 MHz频谱分辨。
3. 近场成像：探针离芯片表面仅500 nm–10 μm，实现亚微米级电磁场分布成像。
4. 零损伤：低温（3.5 K）探针+室温兼容芯片，无需额外射频垫或天线。
重大发现与科学价值
1. 频谱漂移与杂散谱：低压偏置下中心频率漂移+侧 lobe 出现，揭示电源噪声与非线性失真机制。
2. 寄生电磁场来源精准定位：
· 电源走线产生低频辐射；
· 分频器连接线产生强寄生场；
· 双VCO同时工作时寄生场叠加，形成严重串扰。
3. 最优偏置点判定：通过场分布演化，锁定VVCOA=0.70 V、VVCOB=0.90 V为最佳工作点（谱最纯、辐射最小）。
4. 电磁兼容设计依据：首次从实验直观揭示“走线拐角”“分频器布局”对相位噪声的致命影响。
性能指标
· 空间分辨率：<1 μm（探针尖端200 nm决定）；
· 频谱分辨率：<1 MHz（混频+频谱仪联合）；
· 探测带宽：DC–THz（Josephson本征特性）；
· 扫描高度：500 nm–10 μm；
· 成像面积：mm²级（已实现9 mm×9 mm区域）。
科学意义与应用前景
1. 开创性方法：首次将超导量子探针用于商用CMOS芯片无损近场诊断，填补THz/毫米波芯片表征空白。
2. 诊断能力革命：从“黑盒远场测试”迈向“白盒近场成像+频谱”，相当于给芯片做“核磁共振”。
3. 直接指导芯片设计：
· 优化电源/地线布局抑制寄生辐射；
· 调整分频器位置降低相位噪声；
· 筛选最优偏置点提升谱纯度。
4. 广泛适用性：
· 6G毫米波/THz前端芯片；
· 量子芯片微波串扰诊断；
· 自旋电子学器件局部磁场成像；
· 高Tc超导探针升级后可室温芯片直接测试。
图文导读
图1：约瑟夫森探针显微系统
(a) 尖端200 nm双Nb弱连接SEM。（b）JPM探测示意图。（c）多频段VCO芯片实物。（d-f）双VCO电路原理图。
图2：探针微波响应特性
(a) IV曲线+20 GHz照射出现Shapiro台阶。（b）贴近VCOA表面后出现多阶台阶。（c）dV/dI–V曲线清晰显示台阶位置。（d）不同偏置下台阶深度变化，反映VCO输出功率线性增加。
图3：频谱追踪
(a,b) 本振功率/频率变化导致中频信号强度与位置同步变化。（c）10 MHz步进本振，实现<1 MHz分辨率。（d）欠压状态下中心频率漂移+侧瓣出现（绿色vs红色）。
图4：双VCO近场成像
(a) 约瑟夫森探针贴近芯片实物照片。(b) 激光辅助光学成像，标示扫描区域与电源走线。(c-e) 单独/同时开启VCOA/B时的微波强度分布，清晰显示电源线与分频器寄生辐射。
图5：VCOA精细成像
(a) 500 nm高度下环形场分布。（b）HFSS仿真高度吻合。（c）不同偏置下沿白线扫描，最优偏置（0.70 V）辐射最小、分布最规整。
论文信息
成果以“Near-Field Probing of Microwave Oscillators with Josephson Microscopy”为题，发表于纳米领域顶级期刊《Nano Letters》（影响因子10.8）
文献来源
Ping Zhang, Jingjing Lv, Shoucheng Hou, Tao Liu, Xinsheng Cheng, Zihan Wei, Yang-Yang Lyu*, Yong-Lei Wang, Yuan Du*, Li Du, Huabing Wang*, Peiheng Wu. “Near-Field Probing of Microwave Oscillators with Josephson Microscopy” Nano Lett. 2024, 24, 18, 5572–5578