СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения терагерцового диапазона на их основе.

Известен способ изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов [1]. Этот способ заключается в формировании на диэлектрической подложке канала проводимости из нитрида ниобия любым из известных способов с толщиной не более 20 нм, но не менее толщины, приводящей к нарушению сплошности, и с шириной не более 350 нм и его облучении потоком ускоренных частиц (протонов, атомов гелия, ионов или атомов кислорода или смеси перечисленных частиц) с энергией от 0,5 до 5,0 кэВ в присутствии кислорода. В качестве подложки используется лейкосапфир, прозрачный в области рабочих длин волн (от видимого диапазона до 7 мкм). Недостатком детектора, изготовленного таким способом, является низкая рабочая температура (так как нитрид ниобия - низкотемпературный сверхпроводник). Кроме того, сверхпроводниковый однофотонный детектор не регистрирует электромагнитные волны терагерцового диапазона, так как фотоны этого излучения не имеют достаточной энергии для разрушения куперовских пар и образования «горячего пятна».

Известен способ изготовления источника и детектора терагерцового излучения на внутренних джозефсоновских переходах высокотемпературных сверхпроводников [2]. Слой монокристаллической сверхпроводящей мезаструктуры состава Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+X или Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_10+X крепится на первой подложке с помощью фоторезиста, на сверхпроводник наносится слой золота. Далее методом фотолитографии и травлением формируется Т-образная структура. Верхний слой золота травлением делится на две части, которые соответствуют длинной и короткой стороне Т-образной структуры. На разделенный слой наносятся контакты. Далее структура отсоединяется от первой подложки, переворачивается и присоединяется электродами ко второй подложке таким образом, чтобы обратная сторона мезаструктуры была доступна. На обратную сторону наносятся слой золота и электроды. Методом ионной имплантации кремния между длинной и короткой сторонами Т-образной структуры делается слой изолятора. В результате проделанных операций образуется источник (длинная сторона Т-образной структуры) и детектор (короткая сторона Т-образной структуры) терагерцового излучения. Данный способ изготовления терагерцового детектора технологически сложен. Кроме того, система Tl-2223 ядовита, Bi-2212 имеет более низкую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, чем Bi-2223.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления детектора электромагнитного излучения терагерцового диапазона является способ изготовления болометров на основе тонких пленок системы YBCO [3]. Высокотемпературный (ВТСП) болометр был изготовлен из пленок YBa₂Cu₃O_7-δ толщиной 40-50 нм, выращенных магнетронным распылением на подложках LaAlO₃ и CeO₂ с использованием мишени YBCO стехиометрического состава. В процессе распыления использовалась атмосфера смеси аргона и кислорода при парциальном давлении 50 Па. Температура подложки при изготовлении пленок составляла около 750°C, скорость роста 30 нм/ч. Далее на сформированную пленку термическим распылением наносилась пленка серебра толщиной около 200 нм. Для изготовления структуры болометра использовалась фотолитография. Первой фотолитографией формировалась двухслойная структура серебро-пленка ВТСП, второй фотолитографией делалась чувствительная область болометра. Эквивалентная мощность шума этого болометра 3,5·10^-9 Вт/Гц^1/2.

Недостатком болометра, изготовленного таким способом, является то, что его чувствительный элемент быстро деградирует, так как ВТСП Y-123 гигроскопичен. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у этого материала ниже, чем у ВТСП (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223), а сверхпроводящие эффекты проявляются тем сильнее, чем больше переохлаждение. Кроме того, способ требует большого количества технологических процессов, что усложняет производство детектора.

Задачей данного изобретения является повышение рабочей температуры детектора терагерцового излучения и расширение частотного диапазона приемной антенны, увеличение надежности прибора за счет использования в качестве чувствительного элемента высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223, уменьшение количества технологических процессов.

Это достигается тем, что чувствительный элемент, антенна и подводящие линии сделаны в едином слое монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ в одном процессе фотолитографии.

Высокотемпературный сверхпроводник системы Bi-2223 имеет резистивный ноль при температуре 107K, он не гигроскопичен, поэтому не деградирует при взаимодействии с окружающей средой и не ядовит.

Поскольку антенна сделана из сверхпроводящего материала, допустимый частотный диапазон, в котором она работает, связан с шириной энергетической щели сверхпроводника. При больших частотах излучения квант имеет большую энергию. Он способен стимулировать переход электронов из нижнего энергетического уровня через энергетическую щель, разрывая куперовские пары, что приведет к потерям энергии в приемной антенне. Благодаря высокой критической температуре, энергия разрыва куперовских пар для Bi-2223 достаточно высока, из-за чего расширяется рабочий частотный диапазон приемной антенны.

На фиг.1 изображена конструкция сверхпроводникового детектора электромагнитного излучения терагерцового диапазона. Детектор содержит монокристаллическую подложку MgO с ориентацией (100) (1), антенну типа «бабочка» для приема электромагнитного излучения терагерцового диапазона (2), чувствительный элемент (мостик) (3) и подводящие линии (4), сделанные из высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223. Для соединения детектора с электронным оборудованием изготавливаются серебряные контакты (5).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Чувствительный элемент охлаждается до температуры полного резистивного нуля T_ce. Рабочая точка поддерживается системой регулирования по величине смещения по постоянному напряжению. Система настроена на время релаксации около 60 секунд. При облучении структуры электромагнитным излучением, в приемной антенне наводится ток, который также протекает через чувствительный элемент. Дополнительный нагрев смещает чувствительный элемент в область резистивного состояния.

Для создания детектора излучения слой монофазного текстурированного сверхпроводника Bi-2223 толщиной 80…150 нм формируется на очищенной и отожженной при температуре 1000°C подложке монокристаллического оксида магния с ориентацией (100), площадью 10×10 мм² и толщиной 0,5 мм, методом магнетронного распыления из стехиометрической мишени в атмосфере смеси аргона и кислорода (80% и 20%) при парциальном давлении до 4,7 Па, с температурой подложки 150°C и скоростью роста 100 нм/ч. Далее методом фотолитографии на пленке формируются антенна для приема электромагнитного излучения терагерцового диапазона, чувствительный элемент в центре антенны и подводящие линии. После формирования структуры детектора производится рекристаллизационный отжиг при температуре 860°C в атмосфере содержания кислорода не более 20% в течение 10 ч для формирования требуемой фазы сверхпроводника висмутовой системы. При этом обеспечивается парциальное давление насыщенных паров висмута и свинца. Используемая технология позволяет получить на поверхности монокристаллической подложки MgO эпитаксиальную пленку Bi-2223. На подводящие линии нанесены четыре серебряных контакта.

Получившиеся детекторы имеют структуру монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ с температурой начала сверхпроводящего перехода 110K, резистивным нулем при 107K, критическая плотность тока при температуре кипения жидкого азота 10⁵ А/см², критический ток чувствительного элемента 0,2 мА.

После напыления фотолитографией изготавливается топологический рисунок, который содержит элементы приемной антенны типа «бабочка», чувствительный элемент и подводящие линии. Для эффективного приема электромагнитных волн частотой 1 ТГц, «бабочка» имеет следующие размеры: длина лепестка 38,5 мкм, ширина 34,7 мкм. Чувствительный элемент в центре, соединяющий лепестки антенны, имеет размеры 2×2 мкм².

Верхняя граница частотного диапазона работы антенны определяется шириной энергетической щели сверхпроводника. Ширина энергетической щели для системы Bi-2223 при температуре кипения жидкого азота 16,6·10^-3 эВ. Таким образом, антенна будет работать на частотах менее 4 ТГц. Нижняя граница принимаемой частоты будет определяться геометрией приемной антенны. Для нашего случая она будет равна 0,95 ТГц. Для сравнения, ширина энергетической щели сверхпроводника Y-123 составляет 10,6·10^-3 эВ, что соответствует граничной частоте 2,56 ТГц. Антенна для нашего сверхпроводника будет эффективно работать на частотах менее 2,5 ТГц. Приемная антенна, чувствительный элемент в середине антенны и подводящие линии сделаны из одного материала в одном технологическом процессе, что упрощает производство таких приемников излучения.

Измерение отклика чувствительного элемента происходит четырехзондовым методом. Для этого на подводящие линии нанесены контакты: два на крайних (для токовых зондов), два рядом с чувствительным элементом (для потенциальных зондов). Контакты сделаны из серебра, так как оно обладает хорошей адгезией и формирует низкоомный омический контакт к высокотемпературному сверхпроводнику системы Bi-2223.

Для описанной структуры получено значение эквивалентной мощности шума 3,1·10^-10 Вт/Гц^1/2.

Достоинства полученного прибора следующие:

- самая высокая частота принимаемого сигнала для сверхпроводниковой антенны за счет применения сверхпроводника Bi-2223, имеющего наибольшую ширину щели среди используемых в болометрах высокотемпературных сверхпроводников;

- высокое значение эквивалентной мощности шума за счет интегральной технологии изготовления чувствительного элемента, приемной антенны и подводящих линий;

- низкий уровень собственного шума по сравнению с болометрами на резистивных материалах (не сверхпроводники). Рабочий режим соответствует переходу полного резистивного нуля. Тепловой шум в этом случае практически также равен нулю при большом числе квадратов.

- высокая устойчивость к деградации за счет применения сверхпроводника системы Bi-2223.

Источники информации:

1. Патент РФ №2476373

2. Патент США №20040149983

3. Терагерцовый отклик болометров на основе тонких пленок YBCO / А.В. Смирнов и др. // Журнал технической физики. - 2012. - Т.82. - вып.12. - С.108-111 - прототип.