Дифференциальный сверхпроводящий детектор Российский патент 2023 года по МПК H01L23/00 

Изобретение относится к области техники электросвязи и измерительной техники, в частности к радиометрическим тепловым сенсорам на основе сверхпроводимости, и может применяться как для регистрации и измерения мощности сверхмалых электрических сигналов, так и системах дистанционного термодинамического контроля, в том числе в изображающих сенсорах в области миллиметровых, субмиллиметровых и инфракрасных волн в радиоастрономии и для систем поддержания общественной безопасности, а также в составе средств неразрушающего контроля устройств и материалов.

Изобретение является синтезом нескольких весьма близких аналогов и устройства-прототипа. Изобретение призвано реализовать технологию дифференциальных (балансных) измерений на основе сверхчувствительных сверхпроводящих детекторов, например, с электронным газом, для применения в матрицах радио-видения, в том числе, в терагерцовом диапазоне частот.

Существует множество функциональных аналогов изобретения, среди которых можно выделить метод диаграммного переключателя узконаправленной антенны в радиоастрономии. Такой переключатель позволяет подавить дрейф высокочувствительных регистраторов в режиме долговременного накопления слабого квазистационарного сигнала, в том числе исключить достаточно быстрые флуктуации прозрачности атмосферы, что мешает выделению слабых объектов на нестабильном тепловом фоне. При использовании данного метода сравниваются (вычитаются) два сигнала с направлений, отстоящих друг от друга на угол равный ширине диаграммы направленности антенны. Такой метод позволяет также легче обнаружить границу объекта, если его интенсивность не только спадает медленно, но и не стабильна во времени.

В данном изобретении используется эффект противонаправленного (дифференциального) воздействия двух терморезистивных мостиков на высокодобротный резонатор, что похоже на работу дифференциального усилителя. Разница состоит в том, что дифференцируются не мгновенные значения напряжения, а усредненные тепловые мощности, поглощаемые на двух оптических входах устройства. Две одинаковые антенны согласованны с терморезистивными мостиками и подключены к резонатору особым способом так, что при равенстве воздействующих на мостики сигналов в резонаторе не происходит изменение добротности и, как следствие в линии возбуждения/считывания не происходит изменения уровня пропускания. Изменение пропускания происходит, если разогрев двух мостиков перестает быть одинаковым.

Прямые аналоги автору изобретения не известны. Однако физический принцип, лежащий в основе изобретения, может быть описан в терминах балансного радиометра (нуль-детектора СВЧ). Устройства СВЧ такого типа широко применяются в технологии неразрушающего контроля устройств и материалов.

Ближайшим аналогом можно считать детектор-прототип, описанный и испытанный в работе (А.В. Меренков, Т.М. Ким, В.И. Чичков, С.В. Калинкин, С.В. Шитов. Сверхпроводящий болометрический детектор с высокочастотным считыванием при температуре 400 mK. Физика твердого тела. 2022. Т. 64, вып. 10. С. 1404-1411. DOI: 10.21883/FTT.2022.10.53081.50HH). Данный сверхпроводящий болометрический детектор, представляет собой интегральную планарную структуру, изготовленную на диэлектрической подложке и содержащую следующие части: четвертьволновой резонатор на основе сверхпроводящей планарной передающей линии СВЧ. сверхпроводящий пленочный микромостик с электронным газом при температуре близкой к температуре сверхпроводящего перехода, включенный в токовый разрыв резонатора, планарную антенну, согласованную с мостиком в полосе частот приема планарной антенны, отрезок линии передачи СВЧ для возбуждения/считывания добротности резонатора, имеющий контакты для подключения внешнего генератора СВЧ. Все вышеперечисленные узлы являются типовыми для сверхпроводящих детекторов с частотной селекцией пикселей. Отличительной чертой данного аналога является способ подключения резонатора к мостику и к линии возбуждения/считывания, что позволяет решить проблему включения мостика с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом непосредственно в резонатор.

Данный прототип функционирует следующим образом. Высокодобротный сверхпроводящий резонатор, связанный с проходной линией возбуждения, на резонансной частоте подавляет прохождение сигнала по линии, то есть появляется провал пропускания. (Этот эффект широко применяется в традиционных устройствах СВЧ, называемых волномерами.) При изменении добротности резонатора, сигнал, проходящий по линии, также меняется. Мостик с нелинейным импедансом, включенный в токовый разрыв резонатора, меняет его добротность, как только внешнее воздействие разогревает его и меняет сопротивление мостика. Терагерцовый сигнал, поступающий от антенны, является таким внешним воздействием, независимым от линии возбуждения, и разогревает микромостик с электронным газом, находящийся при температуре вблизи температуры сверхпроводящего перехода, что приводит к резкому увеличению его сопротивления и меняет (уменьшает) добротность СВЧ резонатора, что приводит к возрастанию пропускания линии возбуждения, то есть к уменьшению глубины провала. Происходит считывание полученного отклика.

Технический результат, достигаемый в данном аналоге, заключается в упрощении конструкции, позволяющей использовать мостик с «удобным» импедансом в диапазоне 0,1-10 Ом, а также подавление фазового и частотного шума генератора возбуждения за счет работы на центральной частоте резонансного провала.

Технический результат, согласование относительно высокоомного мостика, в данном аналоге достигается за счет использования принципа частичного включения нагрузки в резонатор, что позволяет управлять уровнем рассеиваемой мощности и поддерживать высокую добротность независимо от импеданса мостика. Известно, что небольшой сегмент вблизи открытого конца планарного резонатора можно рассматривать как небольшую часть полной электрической емкости, определяющей частоту резонатора. Мысленно отсечем такой сегмент, назовем его «концевой» емкостью C_b и будем считать, что

где C_b - концевая емкость резонатора; C_R - полная емкость резонатора.

Согласно закону Кирхгофа, ток, который проходит по сечению проводника резонатора, отделяющему концевую емкость, равен токам смещения, текущим через саму концевую емкость. Если включить мостик с сопротивлением R_b в этот разрыв, то эквивалентное значение активного импеданса, r_b, включенного последовательно в резонансный контур можно рассчитать, используя комплексный импеданс последовательных и параллельных элементов цепи, и этот импеданс для полного тока резонатора окажется на порядки меньше сопротивления R_b:

где r_b - эквивалентное значение потерь в резонаторе;

R_b - сопротивление мостика, включенного через концевую емкость.

Физически это означает, что омические потери, вносимые в резонатор произвольным R_b могут быть сделаны сколь угодно малыми, так как ток через R_b ограничен в соответствие с отношением C_b/C_R. Это и есть эффект частичного включения. Поскольку место включения мостика и терагерцовой антенны в данном аналоге привязано к открытому концу четвертьволнового резонатора, то участок возбуждения резонатора не может быть выполнен «традиционным» образом, как описано в работах по детекторам на кинетической индуктивности (Peter K Day, Henry G LeDuc, Benjamin A Mazin, Anastasios Vayonakis, Jonas Zmuidzinas. A broadband superconducting detector suitable for use in large arrays. Nature. 2003 Oct 23;425(6960):817-21 DOI:10.1038/nature02037), где резонатор возбуждается электрическим полем со стороны открытого конца за счет емкостного элемента связи. Резонатор в аналоге возбуждается обратным путем - магнитным полем через общий индуктивный элемент связи.

Технический результат по прямому включению мостика с электронным газом в резонатор в данном аналоге основан также на правильном выборе частоты для возбуждения/считывания резонатора. Теория Маттиса-Бардина позволяет оценить сопротивление R и крутизну сверхпроводящего перехода мостика, dR/dT, под воздействием СВЧ тока резонатора. Определив оптимальное сопротивление мостика, можно рассчитать точку включения такого нелинейного резистора в резонатор, как описано в работе (A. Kuzmin, S. V. Shitov, A. Scheuring, J.М. Meckbach, K.S. Il'in. S. Wuensch, A.V. Ustinov, M. Siegel. Development of TES Bolometers with High-Frequency Readout Circuit. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. January 2013. DOI:10.1109/TTHZ.2012.2236148). При исследовании аналога-прототипа было показано, что мостик с электронным газом может быть равно чувствителен к разогреву током антенны (ТГц частоты) и СВЧ-током резонатора (ГГц частоты, или RF). При этом на RF частотах мостик может сохранять нелинейность, аналогичную сенсору на сверхпроводящем переходе (TES), который работает на постоянном токе. Эти свойства аналога позволили присвоить такой технологии детектирования название RFTES (Radio Frequency Transition Edge Sensor).

Преимуществом данного аналога является продемонстрированная экспериментально возможность использовать диапазон активных сопротивлений 0,1-10 Ом, сохраняя добротность резонатора Q на уровне 10⁴, а также малое влияние фазовых шумов генератора возбуждения/считывания резонатора. Принципиальное снижение влияние фазового и частотного шума генератора, используемого для возбуждения/считывания резонатора, объясняется активным импедансом мостика с электронным газом, что позволяет работать на центральной частоте резонатора, где отклик резонатора dP на изменение частоты df мал, то есть dP/df ≈ 0.

Принцип частичного включения активного импеданса в резонатор можно реализовать в индуктивном сегменте резонатора. Рассмотрим параллельное включение резистора R_b и индуктивног о сегмента L_c при следующих условиях на частоте резонатора:

где L_c - индуктивность сегмента резонатора;

L_R - полная индуктивность резонатора.

где ω - круговая частота резонатора

При этих условиях активная часть параллельного включения будет пересчитана в последовательное сопротивление как

Таким образом активное сопротивление, влияющее на добротность резонатора, может быть сделано очень малым, много меньше сопротивления мостика, но уже не при помощи концевой емкости, а с помощью шунтирующего индуктивного сегмента. Если подобрать параметры цепи так, чтобы выполнялось условие равенства вносимых потерь мостика, включенного на любом из концов четвертьволнового резонатора, то такое условие выглядит так:

Уравнение (6) соответствует условию полного взаимного согласования двух мостиков, помещенных одновременно вблизи разомкнутого и замкнутого концов четвертьволнового резонатора. В этом случае для последовательной цепи резонатора можно записать сопротивление эквивалентных потерь как

При этом легко заметить, что производные по температуре для двух мостиков имеют разные знаки, а при равенстве сопротивлений мостиков эффективный температурный коэффициент потерь в резонаторе обращаются в ноль:

Таким образом, если выполняется условие (6) и (7), то добротность резонатора не будет меняться при синхронном разогреве обоих мостиков (детекторов), и в устройстве реализуется режим дифференциального приема сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг. 1 представлен упрощенный лэйаут чипа дифференциального сверхпроводящего детектора, на фиг. 2 представлены эквивалентные электрические схемы, поясняющие трансформацию потерь, вносимых двумя одинаковыми терморезистивными датчиками в резонатор.

Фиг. 1 иллюстрирует устройство чипа активного сверхпроводящего детектора, который включает в себя следующие элементы, обозначенные цифрами: диэлектрическая подложка 1, которая является оптически прозрачной на частотах принимаемого электромагнитного излучения и покрыта сплошным слоем сверхпроводящего металла, выполняющего роль СВЧ экрана, в котором сформированы остальные элементы устройства. Резонатор 2, выполнен в виде четвертьволнового отрезка копланарного волновода. Разомкнутый конец волновода выполнен в точности, как у аналога-прототипа и содержит мостик 3, согласованный с планарной двухщелевой антенной 4. Закороченный конец волновода выполнен в виде двух перемычек-индукторов 8 (L_c), разделяющих копланарную структуру на собственно резонатора и структуру со второй, точно такой же антенной 4, в которую точно также включен мостик 3. При выполнении условия (6) мы имеем два идентичных терагерцовых детектора, которые одинаково связаны и с резонатором, и с линией возбуждения/считывания. Резонатор возбуждается линией 5, на которую с контактов 6 подается монохроматический сигнал в полосе резонатора, и которая имеет с резонатором общий проводник 7, через который осуществляется магнитная связь, а также происходит считывание добротности резонатора. Концевая емкость резонатора 9 и индуктор 8 определяют коэффициент включения потерь R_b в резонатор для каждого из двух мостиков.

Фиг. 2 (а) иллюстрирует эквивалентную схему дифференциального сверхпроводящего детектора: цифры на эквивалентной схеме соответствую цифрам на фиг. 1. Резонатор 2 нагружен мостиком 3, имеющим сопротивлением R_b, и описывается четырьмя элементами: емкостью C_R, концевой емкостью C_b (9), и индукторами L_R и L_c (8). Элементы, представляющие терагерцовые антенны 4, на схемах не показаны, так как их импеданс пренебрежимо мал на частотах резонатора порядка 1 ГГц. Линия возбуждения 5 с контактами 6 представлена лишь сегментом магнитной связи 7, величина которого не играет принципиальной роли в данном рассмотрении. Фиг. 2(б) представляет собой электродинамический эквивалент схемы с фиг. 2 (a), полученный в результате преобразования последовательно-параллельных цепей в цепь с последовательным включением модифицированных потерь, обозначенных резисторами r_b- и r_b+, что отражает увеличение или уменьшение сигнала считывания при нагреве соответствующего резистора. Параметры цепи и уровень подогрева детектора выбираются так, чтобы потери r_b- и r_b+ в рабочем режиме были равны.

Изобретение реализуется методами, аналогичными тем, что применяются для большинства других микросхем СВЧ. На первом этапе производится расчет топологии с помощью одного из известных пакетов электромагнитного моделирования [Cadence AWR Microwave Office https://www.awr.com/awr-software/products/awr-design-environment, Ansys HFSS https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss и др.], исходя из желаемой полосы частот. Изготовление устройства производят с использованием стандартных приемов тонкопленочных технологий [Курносое А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с., ил.]. На гладкую поверхность диэлектрической подложки 1 подходящей формы осаждается пленка толщиной 10-50 нм из материала, который проявляет эффект электронного газа, например, гафний, титан, и формируется мостик 3. После мостика формируются более массивные компоненты схемы из пленок толщиной 100-200 нм: резонатор 2, антенна 4, линия возбуждения 5 с контактами 6, участком связи с резонатором 7 и индуктор 8. Сверхпроводящие пленки осаждаются одним из известных методов: термическим испарением, магнетронным или электронно-лучевым осаждением в вакууме - это зависит от конкретных материалов. Сверхпроводящим материалом пленок может быть ниобий, алюминий, тантал и др. Осажденные пленки подвергаются литографической обработке в условиях чистой зоны. Структура, включающая в себя мостик 3, тело резонатора и относительно массивные электроды могут быть сформированы с помощью процессов обратной литографии (lift-off), плазмохимического или жидкостного травления пленок с использованием полимерных масок, полученных методом оптической или электронно-лучевой литографии. Материал и морфология мостиков 3 должны удовлетворять условию, что критическая температура мостика лежит заметно ниже критической температуры подводящих электродов. Критическим фактором является воспроизводимость параметров мостиков.

При практической реализации и внедрения изобретения оптические оси двух антенн следует располагать на расстоянии, соответствующем дифракционному разрешению оптической системы. Для этого резонатор может быть изогнут в плоскости подложки необходимым образом. При этом двухщелевые антенны должны сохранять одинаковую поляризацию. В случае применения иммерсионной линзы оптическую ось линзы следует поместить посередине отрезка, соединяющего центры двух антенн.

Преимущества изобретения состоят в улучшении чувствительности и пространственного разрешения сверхпроводящего терморезистивного датчика до предела, ограниченного фундаментальными соотношениями для чувствительности детектора и дифракционными эффектами терагерцовой оптики, а также в технической простоте получения такого результата. Условие резонансного согласования между двумя сенсорами с дифференциальным эффектом относительно падающего терагерцового излучения гарантирует высокую степень помехозащищенности детекторов. Если баланс статического нагрева или принятый тератерцовый сигнал изменится в пользу какого-то одного из двух детекторов, их можно различить по возрастанию или уменьшению мощности в линии считывания.

Изобретение относится к области техники электросвязи и измерительной техники, в частности к радиометрическим тепловым сенсорам на основе сверхпроводимости, и может применяться как для регистрации и измерения мощности сверхмалых электрических сигналов, так и в системах дистанционного термодинамического контроля, в том числе в изображающих сенсорах в области миллиметровых, субмиллиметровых и инфракрасных волн в радиоастрономии и для систем поддержания общественной безопасности, а также в составе средств неразрушающего контроля устройств и материалов. Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в получении сигнала, пропорционального разности мощностей, приходящих на две планарные антенны. Технический результат достигается в изобретении за счет нового решения по интеграции двух одинаковых антенн, согласованных с терморезистивными мостиками, в резонатор так, что при равенстве воздействующих на мостики сигналов в резонаторе не происходит изменение добротности. Преимущества изобретения состоят в улучшении чувствительности и пространственного разрешения сверхпроводящего терморезистивного датчика до предела, ограниченного фундаментальными соотношениями для чувствительности детектора и дифракционными эффектами терагерцевой оптики, а также в технической простоте получения такого результата. 2 ил.

Дифференциальный сверхпроводящий детектор, представляющий собой интегральную планарную структуру, изготовленную на диэлектрической подложке и содержащую следующие части: четвертьволновой резонатор на основе сверхпроводящей планарной передающей линии СВЧ; два одинаковых терморезистивных пленочных мостика, каждый из которых согласован с одинаковой планарной антенной в полосе частот приема антенны и подключен к резонатору так, что один мостик включен в разрыв тока резонатора со стороны его емкостной части, а другой включен параллельно индуктивному сегменту резонатора со стороны его индуктивной части; резонатор возбуждается отрезком линии передачи СВЧ, имеющим контакты для подключения внешнего генератора СВЧ, и отличающуюся тем, что оба мостика в точках их подключения к резонатору одновременно удовлетворяют условию согласования с импедансом резонатора в полосе частот резонатора.