МАТРИЦА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ДЕТЕКТОРОВ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО И ДАЛЬНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к многоэлементным приемникам субмиллиметрового и дальнего инфракрасного излучения, и может найти применение в терагерцовой микроскопии, при исследовании полупроводниковых излучателей, в системах безопасности, медицине и др.

Матрицы детекторов ИК-излучения обеспечивают большее произведение телесного угла к площади рабочего элемента по сравнению с одиночными детекторами. Матрица сверхпроводящих детекторов позволяет значительно облегчить требования по ориентированию приемника, а также увеличивает чувствительность при наблюдении протяженных источников.

Известна фотоприемная матрица с детекторами на термоэлектронных тепловых диодах Шоттки (RU 2335823 С2, опуб. 10.10.2008). Недостатком таких детекторов является их сравнительно низкая чувствительность в субмиллиметровом и дальнем инфракрасном диапазоне излучения.

Известен детектор ИК-излучения, содержащий матрицу датчиков инфракрасного излучения (туннельный диоды, диоды Шоттки, фотопроводники, болометры) с антеннами в форме логарифмических спиралей. Матрица представляет собой печатную плату с подложкой из кремния, на которую нанесены соединенные друг с другом спиральные антенны, в центре которых расположены датчики ИК-излучения (US 6310346 В1, опуб. 30.10.2001).

Наиболее близкой к предложенной является матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве, содержащая соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению - микроболометром, ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей (ЕР 1369673 В1, опуб. 11.07.2007).

Задача изобретения - улучшение приемных характеристик матрицы детекторов ИК-излучения за счет особенностей соединения контактов логарифмических планарных антенн, обеспечивающих снижение нежелательных изменений импеданса антенны и ее поляризационных свойств.

Технический результат, который будет получен при использовании изобретения, заключается в снижении влияния ВЧ-тока каждой планарной антенны на соседние антенны и, как следствие, в уменьшении взаимовлияния соседних антенн друг на друга.

Технический результат достигается тем, что в матрице сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве, содержащей соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей

где ρ₀ - радиус окружности, на которой рукава антенны отклоняются от логарифмической формы для включения в антенну нагрузки, β - плотность закрутки спиральной антенны), согласно изобретению на каждом участке, соединяющем антенны, выполнена продольная прорезь или заужение.

Выполнение в соединительных перемычках прорези или заужения позволяет дополнительно развязать спиральные антенны в нижней части рабочего диапазона частот регистрируемого ИК-излучения. Это необходимо, чтобы ВЧ-ток одной антенны не заходил в другую антенну, что приводит к нежелательным изменениям импеданса антенны и ее поляризационных свойств. Для этого в месте соединения с помощью прорезей либо заужения образуется четвертьволновой отрезок линии с повышенным волновым сопротивлением, и благодаря конструктивной интерференции волн, отраженных от ближнего и дальнего краев отрезка, на конце спирали реализуется режим, близкий к режиму холостого хода. ВЧ ток отражается в месте начала отрезка с повышенным волновым сопротивлением, и антенна работает в режиме, близком к уединенной антенне.

Достижению технического результата способствуют частные случаи выполнения изобретения:

- прорезь или заужение имеют длину L/4, где - полная длина ветви антенны, равная максимальной длине волны приемного диапазона, ρ_max - расстояние от центра спиральной антенны до точки соединения антенн;

- планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены параллельно с образованием квадратной решетки;

- планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно с образованием квадратной решетки;

- планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно и расположены в шахматном порядке с образованием треугольной решетки;

- каждая планарная антенна с интегрированным в нее элементом, чувствительным к ИК-излучению, включает нанесенный на кремниевую подложку слой NbN с нанесенным поверх него в одном процессе защитным слоем золота с окнами, образующими мостики NbN, а также нанесенные поверх защитного слоя золота ветви антенны, выполненные также из золота.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показана логарифмическая спиральная антенна.

На фиг.2 показана центральная часть антенны с интегрированным элементом, чувствительным к ИК-излучению.

На фиг.3 показана матрица с последовательным соединением антенн.

На фиг.4 показана матрица с параллельным соединением антенн.

На фиг.5 показано поперечное сечение планарной антенны с чувствительным элементом.

На фиг.6 показана матрица с прорезями на участках, соединяющих антенны.

На фиг.6 показана матрица с заужениями на участках, соединяющих антенны.

Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве состоит из детекторов (фиг.1, 2), каждый из которых включает логарифмическую спиральную планарную антенну 1, имеющую две ветви 2 и 3, каждая из которых имеет форму логарифмической спирали, и интегрированный в нее чувствительный элемент 4, представляющий собой нитрид-ниобиевый мостик, соединяющий ветви 2 и 3 антенны 1.

Детекторы могут быть соединены последовательно (фиг.3) или параллельно (фиг.4) с образованием прямоугольной решетки. Они также могут быть соединены последовательно и расположены в шахматном порядке с образованием треугольной сетки (не показано).

Антенны 1 детекторов соединены непосредственно концами спиралей, а также посредством перемычек 5 между рядами антенн. На каждом участке, соединяющем антенны 1, выполнена одна или несколько продольных прорезей 6 (фиг.6) или заужение 7 (зауженный участок) длиной L/4 (фиг.7). Этот участок обладает пониженным поперечным сечением и, вследствие этого, повышенным волновым сопротивлением, и благодаря конструктивной интерференции волн, отраженных от ближнего и дальнего краев отрезка, на конце спирали реализуется режим, близкий к режиму холостого хода. ВЧ-ток отражается в месте начала отрезка с повышенным волновым сопротивлением, и антенна работает в режиме, близком к уединенной антенне.

На фиг.5 показано поперечное сечение одного детектора. Детектор включает нанесенный на кремниевую подложку 8 слой 9 NbN с нанесенным поверх него в одном процессе напыления защитным слоем 10 золота с окнами 11, образующими мостики NbN. Поверх защитного слоя золота нанесены ветви 2 и 3 антенны также из золота, выполненные также из золота. Нанесение защитного слоя 10 золота на слой 9 NbN in situ, то есть в одном процессе напыления, позволяет защитить поверхность NbN от окисления до нанесения антенны. Это позволяет снизить контактное сопротивление между слоями Au и NbN до пренебрежимо малого значения, что позволяет получить более стабильные характеристики детектора.

Каждый элемент матрицы (детектор) используется в режиме прямого детектирования. Температура детектора поддерживается вблизи сверхпроводящего перехода. Смещение осуществляется в режиме стабилизации тока при последовательном соединении антенн 1 и в режиме стабилизации напряжения при параллельном. Использование антенн 1 позволяет повысить чувствительность детекторов за счет уменьшения их размера без ухудшения согласования с входным излучением. Данный подход не использован в режиме работы ближайших конкурентов НЕВ-детекторов - приемников на основе TES.

Квадратная матрица изготавливается из произвольного числа детекторов на одном чипе. Детекторы изготавливаются по технологии in situ. Данная технология позволяет минимизировать контактное сопротивление между сверхпроводящим мостиком NbN и портами антенны. По отдельности оптическая эквивалентная мощность шума каждого детектора составляет 5∗10^-14 Вт/√Гц. При объединении в матрицу детекторы включаются параллельно или последовательно. При этом произведение телесного угла к площади рабочего элемента увеличивается кратно числу детекторов в матрице.

Матрица сверхпроводящих детекторов предназначена для регистрирования излучения терагерцового диапазона частот (0.1-10 ТГц) и позволяет обеспечить большее произведение телесного угла к площади рабочего элемента по сравнению с одиночным детектором.

В таблице приведены геометрические параметры используемых планарных спиральных логарифмических антенн (см. фиг.1, 2):

Геометрический параметр Дизайн А Дизайн В r₀ 0.006 мм 0.003 мм α 0.3125 0.3125 φ₀₁ r_end 0.055 мм 0.027 мм

Здесь r₀ - радиус окружности, на которой ветви антенны отклоняются от логарифмической формы для включения в антенну нагрузки;

α - коэффициент плотности закрутки спиральной антенны;

φ₀₁ - угловое расстояние между спиралями, образующими одну ветвь;

r_end - расстояние от центра спиральной антенны до точки соединения антенн.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к многоэлементным приемникам субмиллиметрового и дальнего инфракрасного излучения, и может найти применение в терагерцовой микроскопии, при исследовании полупроводниковых излучателей, в системах безопасности, медицине и др. Технический результат изобретения заключается в снижении влияния ВЧ-тока каждой планарной антенны на соседние антенны и, как следствие, в уменьшении взаимовлияния соседних антенн друг на друга. Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве содержит соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей. На каждом участке, соединяющем антенны друг с другом, выполнена по меньшей мере одна продольная прорезь или заужение. Этот участок обладает повышенным волновым сопротивлением, и, благодаря конструктивной интерференции волн, отраженных от ближнего и дальнего краев отрезка, на конце спирали реализуется режим, близкий к режиму холостого хода. ВЧ-ток отражается в месте начала отрезка с повышенным волновым сопротивлением, и антенна работает в режиме, близком к уединенной антенне. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве, содержащая соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей, отличающаяся тем, что на каждом участке, соединяющем антенны друг с другом, выполнена по меньшей мере одна продольная прорезь или заужение.

2. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что прорезь или заужение имеют длину L/4, где L - полная длина ветви антенны, равная максимальной длине волны приемного диапазона.

3. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены параллельно с образованием квадратной решетки.

4. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно с образованием квадратной решетки.

5. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно и расположены в шахматном порядке с образованием треугольной решетки.

6. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что каждая планарная антенна с интегрированным в нее элементом, чувствительным к ИК-излучению, включает нанесенный на кремниевую подложку слой NbN с нанесенным поверх него в одном процессе защитным слоем золота с окнами, образующими мостики NbN, а также нанесенные поверх защитного слоя золота ветви антенны, выполненные также из золота.