专利名称：一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，特别是 一种检测太赫兹波段的超导氮化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置。
背景技术：
太赫兹波(THz)段的接收检测技术在射电天文、大气物理、大气环境检测 (臭氧层的形成和演变)等研究中具有重要的作用，在生物体无损检测，未来无 线网络等方面也具有很好的应用潜力。
近十几年中，由于薄膜制备技术和微细加工技术的高速发展，大大促进了超 导热电子器件的迅速发展。超导HEB器件是通过吸收外来辐照，在超导超薄薄膜 中产生非平衡的热电子，器件的电性能发生改变，从而实现对信号的检测。超导 HEB混频器主要包括两个部分 一个是用以检测THz信号的超导微桥区，另一个 是连接微桥区的正常金属材料的平面天线。平面天线的作用是会聚辐射过来的 THz信号，并导入超导微桥区。从器件的工作机制上，可将超导HEB分为两类， 一类是扩散制冷型器件，这类HEB要求器件的长度即超导微桥区的长度(约为 O.lum)必须小于电子的热扩散长度。另一类是声子制冷型服B，又称晶格制冷 型，这类器件的工作机制是器件吸收外来辐照，产生高于声子温度的热电子，电 子与声子互作用，交换能量，声子再将能量传递到基底。所以对于声子制冷型的 HEB，超薄超导薄膜是器件最关键的部分。超导薄膜越薄，能量交换时间越短， HEB混频器就可获得更宽的中频带宽。NbNHEB混频器，在lTHz以上频段，目前 被认为是最好的低噪声，高分辨率的THz探测器，其灵敏度可以达到IO倍的量 子极限(hv/kT， h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量)，并有望做得更低。目前， 世界上许多发达国家都投入了大量的人、财力量致力于该类器件的研究，例如南 极的HEAT项目，美国NASA的SAFIR计划，欧洲的ES0RUT项目等。
发明内容
发明目的本发明的目的是提供一种高灵敏度、太赫兹波段的超导氮化铌 (NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置具有所需本振功率低，中频带宽 宽等优点。
3技术方案本发明设计并制备了一种检测太赫兹频段信号的高灵敏度超导氮 化铌(NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置包括入射信号源、本振信号
源、光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、
功率计和超导氮化铌热电子器件；被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离
器后，与本振信号一起由制冷机的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球 透镜汇聚至氮化铌热电子器件上，由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头 提供到氮化铌热电子器件上,氮化铌热电子器件检测出的中频信号经由低温和常 温放大器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。
超导氮化铌热电子器件通过以下技术实现(1) 3- 5 nm厚度的超薄氮化铌 超导薄膜的生长技术(该技术已经申请专利申请号为200710132283.5); (2) 超导氮化铌热电子器件制备的微加工技术。
利用Y因子方法，用冷热负载(77K/297K)测定了制备的NbN HEB接收机的
高频响应特性。
有益效果本发明的提供的一种高灵敏度、太赫兹波段的超导氮化铌(NbN) 热电子(HEB)接收检测装置，该装置具有所需本振功率低，中频带宽宽等优点， 实现了对0.4太赫兹波(THz)到5太赫兹波段频率的微弱信号进行检测。
图1是100倍光学放大的HEB器件图形。
图2是超导NbN HEB器件剖面结构示意图。
图3是四端子法测量的NbN服B器件的R-T曲线。
图4是不同温度下的超导NbN HEB器件的I-V曲线。
图5是本发明装置的信号检测结构原理图。
图6是超导NbN HEB接收机对2. 5THz信号检测时的系统噪声温度。
具体实施例方式
本发明设计并制备了一种用于太赫兹频段信号检测的高灵敏度超导氮化铌 (NbN)热电子(HEB)接收检测装置，该装置包括入射信号源、本振信号源、 光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、功率 计和超导氮化铌热电子器件;被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离器后， 与本振信号一起由制冷机的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球透镜汇 聚至氮化铌热电子器件上，由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头提供到
4氮化铌热电子器件上，氮化铌热电子器件检测出的中频信号经由低温和常温放大 器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。
超导氮化铌热电子器件通过以下技术实现(1)3-5 nm厚度的超薄氮化铌 超导薄膜的生长技术(该技术已经申请专利申请号为200710132283.5); (2) 超导氮化铌热电子器件制备的微加工技术。超导NbN HEB器件由超导微桥和平面 螺旋天线构成，NbN薄膜的厚度为3-5纳米，微桥区尺寸为0.4x4 IX m2，平面天 线采用对数螺旋结构，材料采用250nm的金薄膜，天线频率设计范围为0. 4THz 到5THz。采用磁控溅射的方法制备超薄NbN超导薄膜，利用电子束直写技术、 紫外光刻技术、反应离子刻蚀技术及lift-off技术完成器件天线和微桥区的制 备。
天线设计和阻抗匹配
在NbN HEB的设计中，天线采用一圈半的等角螺旋设计。天线的外径R和内 径r。存在以下关系，
R = r0 * -e |v=3ir = ra * eairs
螺旋值a选为0. 221时，R=8. 03r。，频率的范围由天线的内径和外径决定，频 率范围约为0. 4 THz到5 THz。
图1和图2显示了本发明制备的NbN HEB器件的照片和器件的剖面结构示 意图。NbN HEB由超导微桥和金薄膜天线构成，NbN薄膜的厚度为5纳米。螺旋 天线和NbN微桥之间的电极由两层材料组成，底层为6纳米的NbN，顶层为50 纳米的金。6纳米的NbN薄膜，起到减小接触电阻的作用，同时又可以减小由于 金层和超导层接触引起的临近效应，提高超导层的超导性能。超导微桥区尺寸为 0.4x4nm2，使用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)技术实现。天 线采用平面等角螺旋结构，由250nm厚的金薄膜层构成，用光刻技术和lift-off 工艺技术实现天线的制备。 器件的直流特性测量
制备的NbNHEB器件，微桥区尺寸为0.4x4um2，器件的温度电阻(R_T)曲 线如图3中所示。曲线上有3个台阶，第一个台阶反映的是5nm厚的NbN薄膜本征的Tc，第二个台阶是金电极层与超导薄膜层接触引起临近效应，导致NbN 薄膜的Tc退化，电阻值约为13Q。温度于4.75K处出现的台阶，是器件的残余 电阻约为3Q，主要来自金天线以及金膜层与NbN层的接触电阻，NbN微桥的电 阻约为78 Q 。
使用电压源偏置，测量了 NbN HEB器件的电压-电流(I-V)特性，图4是 HEB在不同温度下的I-V曲线。在4.5K温度的I-V曲线上，在偏置电压2.95mV 到4. 15mV区间，HEB处于亚稳定的热电子状态，这个区域随温度上升而扩张， 随温度下降而收縮，这个区域是器件最佳工作区域。 接收机噪声温度测量
利用Y因子方法，用冷热负载(77K/300K)测定了制备的NbN HEB接收装置 的噪声温度特性。图5为接收机信号检测结构原理图。被检测信号由黑体(冷、 热负载)发出，通过光束分离器后，与本振信号一起由杜瓦的窗口入射至Si超 半球透镜上，再经Si超半球透镜汇聚至NbN服B器件上。由偏置电压源提供的 直流(DC)偏置由T型偏置接头提供到NbNHEB器件上，检测出的中频信号经由 低温和常温放大器放大滤波后，由功率计读出。
本振信号源采用远红外二氧化碳激光器产生1. 6THz和2. 5THz的高频信号。 在4.5K的环境下，分别对1.6THz和2.5THz的高频信号进行了混频研究。在未 计入入射窗口对信号的损耗情况下，对1. 6 THz的信号混频，测得NbN HEB接收 机系统的最低噪声温度为980K。大约为IO倍量子噪声极限。对2.5THz的信号 混频，NbNHEB接收机系统的最低噪声温度为1530K，图6给出2. 5THz混频时， 在不同的偏置电压下的NbN HEB接收机的噪声温度的变化，图中a和b分别是 无微波辐照和加载2. 5THz信号辐照时NbN HEB混频器的I-V曲线。
权利要求
1、一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检测装置，其特征是该装置包括入射信号源、本振信号源、光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、功率计和超导氮化铌热电子器件；被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离器后，与本振信号一起由杜瓦的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球透镜汇聚至氮化铌热电子器件上，由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头提供到氮化铌热电子器件上，氮化铌热电子器件检测出的中频信号经由低温和常温放大器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。
2、 根据权利要求1所述的一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检 测装置，其特征在于所述的入射信号源为冷负载为77K或热负载为297K的一个 黑体。
3、 根据权利要求1所述的一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检 测装置，其特征是所述的超导氮化铌热电子器件是利用超薄氮化铌超导薄膜的生 长技术和微加工技术制得的。
4、 根据权利要求1或3所述的一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接 收检测装置，其特征是所述的氮化铌热电子器件由超导氮化铌微桥和金薄膜的平 面天线构成，氮化铌微桥的厚度为3-5纳米，超导氮化铌微桥区尺寸为0.4x4u m2，平面天线采用对数螺旋结构，材料采用250nm的金薄膜，天线频率范围为 0. 4THz到5THz。
5、 根据权利要求3所述的一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检 测装置，其特征是所述的微加工技术采用磁控溅射的方法制备超薄NbN超导薄 膜，使用电子束曝光技术和反应离子刻蚀技术实现超导微桥区尺寸，用光刻技术 和lift-off工艺技术实现天线的制备。
全文摘要
本发明公开了一种检测太赫兹信号的超导氮化铌热电子接收检测装置，该装置包括入射信号源、本振信号源、光束分离器、超半球透镜、偏置电源、杜瓦、低温和常温放大器、滤波器、功率计和超导氮化铌热电子器件。被检测信号由入射信号源发出，通过光束分离器后，与本振信号一起由杜瓦的窗口入射至Si超半球透镜上，再经Si超半球透镜汇聚至氮化铌热电子器件上。由偏置电压源提供的直流偏置由T型偏置接头提供到氮化铌热电子器件上，检测出的中频信号经由低温和常温放大器放大、滤波器滤波后，由功率计读出。本发明所述的超导氮化铌热电子接收检测装置具有灵敏度高，所需本振功率低，中频带宽宽等优点。
文档编号G01R31/00GK101452032SQ20081024290
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者吴培亨, 琳 康, 敏 梁, 王金平, 健 陈 申请人:南京大学