專利名稱：一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導氮化鈮(NbN)熱電子(HEB)接收檢測裝置，特別是 一種檢測太赫茲波段的超導氮化鈮(NbN)熱電子(HEB)接收檢測裝置。
背景技術(shù)：
太赫茲波(THz)段的接收檢測技術(shù)在射電天文、大氣物理、大氣環(huán)境檢測 (臭氧層的形成和演變)等研究中具有重要的作用，在生物體無損檢測，未來無 線網(wǎng)絡(luò)等方面也具有很好的應(yīng)用潛力。
近十幾年中，由于薄膜制備技術(shù)和微細加工技術(shù)的高速發(fā)展，大大促進了超 導熱電子器件的迅速發(fā)展。超導HEB器件是通過吸收外來輻照，在超導超薄薄膜 中產(chǎn)生非平衡的熱電子，器件的電性能發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對信號的檢測。超導 HEB混頻器主要包括兩個部分 一個是用以檢測THz信號的超導微橋區(qū)，另一個 是連接微橋區(qū)的正常金屬材料的平面天線。平面天線的作用是會聚輻射過來的 THz信號，并導入超導微橋區(qū)。從器件的工作機制上，可將超導HEB分為兩類， 一類是擴散制冷型器件，這類HEB要求器件的長度即超導微橋區(qū)的長度(約為 O.lum)必須小于電子的熱擴散長度。另一類是聲子制冷型服B，又稱晶格制冷 型，這類器件的工作機制是器件吸收外來輻照，產(chǎn)生高于聲子溫度的熱電子，電 子與聲子互作用，交換能量，聲子再將能量傳遞到基底。所以對于聲子制冷型的 HEB，超薄超導薄膜是器件最關(guān)鍵的部分。超導薄膜越薄，能量交換時間越短， HEB混頻器就可獲得更寬的中頻帶寬。NbNHEB混頻器，在lTHz以上頻段，目前 被認為是最好的低噪聲，高分辨率的THz探測器，其靈敏度可以達到IO倍的量 子極限(hv/kT， h為普朗克常量，k為波爾茲曼常量)，并有望做得更低。目前， 世界上許多發(fā)達國家都投入了大量的人、財力量致力于該類器件的研究，例如南 極的HEAT項目，美國NASA的SAFIR計劃，歐洲的ES0RUT項目等。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度、太赫茲波段的超導氮化鈮 (NbN)熱電子(HEB)接收檢測裝置，該裝置具有所需本振功率低，中頻帶寬 寬等優(yōu)點。
3技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計并制備了一種檢測太赫茲頻段信號的高靈敏度超導氮 化鈮(NbN)熱電子(HEB)接收檢測裝置，該裝置包括入射信號源、本振信號
源、光束分離器、超半球透鏡、偏置電源、杜瓦、低溫和常溫放大器、濾波器、
功率計和超導氮化鈮熱電子器件；被檢測信號由入射信號源發(fā)出，通過光束分離
器后，與本振信號一起由制冷機的窗口入射至Si超半球透鏡上，再經(jīng)Si超半球 透鏡匯聚至氮化鈮熱電子器件上，由偏置電壓源提供的直流偏置由T型偏置接頭 提供到氮化鈮熱電子器件上,氮化鈮熱電子器件檢測出的中頻信號經(jīng)由低溫和常 溫放大器放大、濾波器濾波后，由功率計讀出。
超導氮化鈮熱電子器件通過以下技術(shù)實現(xiàn)(1) 3- 5 nm厚度的超薄氮化鈮 超導薄膜的生長技術(shù)(該技術(shù)已經(jīng)申請專利申請?zhí)枮?00710132283.5); (2) 超導氮化鈮熱電子器件制備的微加工技術(shù)。
利用Y因子方法，用冷熱負載(77K/297K)測定了制備的NbN HEB接收機的
高頻響應(yīng)特性。
有益效果本發(fā)明的提供的一種高靈敏度、太赫茲波段的超導氮化鈮(NbN) 熱電子(HEB)接收檢測裝置，該裝置具有所需本振功率低，中頻帶寬寬等優(yōu)點， 實現(xiàn)了對0.4太赫茲波(THz)到5太赫茲波段頻率的微弱信號進行檢測。


圖1是100倍光學放大的HEB器件圖形。
圖2是超導NbN HEB器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是四端子法測量的NbN服B器件的R-T曲線。
圖4是不同溫度下的超導NbN HEB器件的I-V曲線。
圖5是本發(fā)明裝置的信號檢測結(jié)構(gòu)原理圖。
圖6是超導NbN HEB接收機對2. 5THz信號檢測時的系統(tǒng)噪聲溫度。
具體實施例方式
本發(fā)明設(shè)計并制備了一種用于太赫茲頻段信號檢測的高靈敏度超導氮化鈮 (NbN)熱電子(HEB)接收檢測裝置，該裝置包括入射信號源、本振信號源、 光束分離器、超半球透鏡、偏置電源、杜瓦、低溫和常溫放大器、濾波器、功率 計和超導氮化鈮熱電子器件;被檢測信號由入射信號源發(fā)出，通過光束分離器后， 與本振信號一起由制冷機的窗口入射至Si超半球透鏡上，再經(jīng)Si超半球透鏡匯 聚至氮化鈮熱電子器件上，由偏置電壓源提供的直流偏置由T型偏置接頭提供到
4氮化鈮熱電子器件上，氮化鈮熱電子器件檢測出的中頻信號經(jīng)由低溫和常溫放大 器放大、濾波器濾波后，由功率計讀出。
超導氮化鈮熱電子器件通過以下技術(shù)實現(xiàn)(1)3-5 nm厚度的超薄氮化鈮 超導薄膜的生長技術(shù)(該技術(shù)已經(jīng)申請專利申請?zhí)枮?00710132283.5); (2) 超導氮化鈮熱電子器件制備的微加工技術(shù)。超導NbN HEB器件由超導微橋和平面 螺旋天線構(gòu)成，NbN薄膜的厚度為3-5納米，微橋區(qū)尺寸為0.4x4 IX m2，平面天 線采用對數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)，材料采用250nm的金薄膜，天線頻率設(shè)計范圍為0. 4THz 到5THz。采用磁控濺射的方法制備超薄NbN超導薄膜，利用電子束直寫技術(shù)、 紫外光刻技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)及l(fā)ift-off技術(shù)完成器件天線和微橋區(qū)的制 備。
天線設(shè)計和阻抗匹配
在NbN HEB的設(shè)計中，天線采用一圈半的等角螺旋設(shè)計。天線的外徑R和內(nèi) 徑r。存在以下關(guān)系，
R = r0 * -e |v=3ir = ra * eairs
螺旋值a選為0. 221時，R=8. 03r。，頻率的范圍由天線的內(nèi)徑和外徑?jīng)Q定，頻 率范圍約為0. 4 THz到5 THz。
圖1和圖2顯示了本發(fā)明制備的NbN HEB器件的照片和器件的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖。NbN HEB由超導微橋和金薄膜天線構(gòu)成，NbN薄膜的厚度為5納米。螺旋 天線和NbN微橋之間的電極由兩層材料組成，底層為6納米的NbN，頂層為50 納米的金。6納米的NbN薄膜，起到減小接觸電阻的作用，同時又可以減小由于 金層和超導層接觸引起的臨近效應(yīng)，提高超導層的超導性能。超導微橋區(qū)尺寸為 0.4x4nm2，使用電子束曝光(EBL)技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)實現(xiàn)。天 線采用平面等角螺旋結(jié)構(gòu)，由250nm厚的金薄膜層構(gòu)成，用光刻技術(shù)和lift-off 工藝技術(shù)實現(xiàn)天線的制備。 器件的直流特性測量
制備的NbNHEB器件，微橋區(qū)尺寸為0.4x4um2，器件的溫度電阻(R_T)曲 線如圖3中所示。曲線上有3個臺階，第一個臺階反映的是5nm厚的NbN薄膜本征的Tc，第二個臺階是金電極層與超導薄膜層接觸引起臨近效應(yīng)，導致NbN 薄膜的Tc退化，電阻值約為13Q。溫度于4.75K處出現(xiàn)的臺階，是器件的殘余 電阻約為3Q，主要來自金天線以及金膜層與NbN層的接觸電阻，NbN微橋的電 阻約為78 Q 。
使用電壓源偏置，測量了 NbN HEB器件的電壓-電流(I-V)特性，圖4是 HEB在不同溫度下的I-V曲線。在4.5K溫度的I-V曲線上，在偏置電壓2.95mV 到4. 15mV區(qū)間，HEB處于亞穩(wěn)定的熱電子狀態(tài)，這個區(qū)域隨溫度上升而擴張， 隨溫度下降而收縮，這個區(qū)域是器件最佳工作區(qū)域。 接收機噪聲溫度測量
利用Y因子方法，用冷熱負載(77K/300K)測定了制備的NbN HEB接收裝置 的噪聲溫度特性。圖5為接收機信號檢測結(jié)構(gòu)原理圖。被檢測信號由黑體(冷、 熱負載)發(fā)出，通過光束分離器后，與本振信號一起由杜瓦的窗口入射至Si超 半球透鏡上，再經(jīng)Si超半球透鏡匯聚至NbN服B器件上。由偏置電壓源提供的 直流(DC)偏置由T型偏置接頭提供到NbNHEB器件上，檢測出的中頻信號經(jīng)由 低溫和常溫放大器放大濾波后，由功率計讀出。
本振信號源采用遠紅外二氧化碳激光器產(chǎn)生1. 6THz和2. 5THz的高頻信號。 在4.5K的環(huán)境下，分別對1.6THz和2.5THz的高頻信號進行了混頻研究。在未 計入入射窗口對信號的損耗情況下，對1. 6 THz的信號混頻，測得NbN HEB接收 機系統(tǒng)的最低噪聲溫度為980K。大約為IO倍量子噪聲極限。對2.5THz的信號 混頻，NbNHEB接收機系統(tǒng)的最低噪聲溫度為1530K，圖6給出2. 5THz混頻時， 在不同的偏置電壓下的NbN HEB接收機的噪聲溫度的變化，圖中a和b分別是 無微波輻照和加載2. 5THz信號輻照時NbN HEB混頻器的I-V曲線。
權(quán)利要求
1、一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢測裝置，其特征是該裝置包括入射信號源、本振信號源、光束分離器、超半球透鏡、偏置電源、杜瓦、低溫和常溫放大器、濾波器、功率計和超導氮化鈮熱電子器件；被檢測信號由入射信號源發(fā)出，通過光束分離器后，與本振信號一起由杜瓦的窗口入射至Si超半球透鏡上，再經(jīng)Si超半球透鏡匯聚至氮化鈮熱電子器件上，由偏置電壓源提供的直流偏置由T型偏置接頭提供到氮化鈮熱電子器件上，氮化鈮熱電子器件檢測出的中頻信號經(jīng)由低溫和常溫放大器放大、濾波器濾波后，由功率計讀出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢 測裝置，其特征在于所述的入射信號源為冷負載為77K或熱負載為297K的一個 黑體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢 測裝置，其特征是所述的超導氮化鈮熱電子器件是利用超薄氮化鈮超導薄膜的生 長技術(shù)和微加工技術(shù)制得的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接 收檢測裝置，其特征是所述的氮化鈮熱電子器件由超導氮化鈮微橋和金薄膜的平 面天線構(gòu)成，氮化鈮微橋的厚度為3-5納米，超導氮化鈮微橋區(qū)尺寸為0.4x4u m2，平面天線采用對數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)，材料采用250nm的金薄膜，天線頻率范圍為 0. 4THz到5THz。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢 測裝置，其特征是所述的微加工技術(shù)采用磁控濺射的方法制備超薄NbN超導薄 膜，使用電子束曝光技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)實現(xiàn)超導微橋區(qū)尺寸，用光刻技術(shù) 和lift-off工藝技術(shù)實現(xiàn)天線的制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測太赫茲信號的超導氮化鈮熱電子接收檢測裝置，該裝置包括入射信號源、本振信號源、光束分離器、超半球透鏡、偏置電源、杜瓦、低溫和常溫放大器、濾波器、功率計和超導氮化鈮熱電子器件。被檢測信號由入射信號源發(fā)出，通過光束分離器后，與本振信號一起由杜瓦的窗口入射至Si超半球透鏡上，再經(jīng)Si超半球透鏡匯聚至氮化鈮熱電子器件上。由偏置電壓源提供的直流偏置由T型偏置接頭提供到氮化鈮熱電子器件上，檢測出的中頻信號經(jīng)由低溫和常溫放大器放大、濾波器濾波后，由功率計讀出。本發(fā)明所述的超導氮化鈮熱電子接收檢測裝置具有靈敏度高，所需本振功率低，中頻帶寬寬等優(yōu)點。
文檔編號G01R31/00GK101452032SQ20081024290
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者吳培亨, 琳 康, 敏 梁, 王金平, 健 陳 申請人:南京大學