Сверхпроводящий фотоприемник Советский патент 1989 года по МПК H01L39/14 

Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, точнее к фотоприемникам миллйметрового, субмиллиметроврго и инфракрасного диапазона длин волн.

Существуют фотоприемники, чувствительные к излучению в очень широкой области электромагнитного спектра - от радиоволн, до видимой области, т.е. в миллиметровом, субмиллиметровом и ИК-диапазонах длин волн,это болометры.. Среди различных типов таких приборов можно вьщелить в качестве аналогов предлагаемого устройства сверхпроводящие болометры, чувствительным элементом которых служит сверхпроводящая пленка с контактами на диэлектрической подложке.

Чувствительный элемент имеет температуру, соответствующую максимальной крутизне зависимости сопротивления пленки от температуры в области , сверхпроводящего перехода. Регистрируется изменение сопротивления пленки иэ-за увеличения температуры при поглощении падающего излучения.

Наиболее близким по технической сущности является сверхпроводящий болометр, который работает как фотоприемник миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящий из приемной площадки, содержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектрической подложки. Этот приемник имеет в качестве чувствительного элемента двойную пленку Ag-Sn общей толщиной около 300 А и соотнощением толщин слоев Ag и Sn 1:1. Пленка напылялась на подложку из сапфира/Я 7 м и формировалась приемная площадка 12«12 мм. На пленку наносилась система царапин для увеличения сопротивления постоянному току, причем ширина полоски была много больше глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля . На обратную сторону подложки напылялась пленка из нихрома, использовавшаяся как нагреватель в системе стабилизации температуры.. Для плавного изменения в нещироких пределах критической температуры пленки применялось магнитное поле, напряженностью много меньше критической.

Для получения малой инерционности отклика болометра необходимо осуществить хороший теплоотвод от чувствительного элемента, для чего его помещают в сверхтекучий гелий. Чтобы критическая температура соответствовала сверхтекучести гелия нужно уменьшить значение параметра порядка Sn, что в описываемом прототипе достигается, металлическим подслоем из Ag. Так как чувствительность (/) балометра прямо связана с температурной крутизной сопротивления, то последнюю величину стремятся сделать как можно большей, а это приводит к сильному влиянию флуктуации температуры галиевой ванны на характеристики прибора. Такое влияние удается значительно уменьшить лишь применением специальных схем стабилизации температуры. I

Основным недостатком такого прибора, как и болометров вообще, является то, что он не позволяет получить высокое быстродействие без значительной потери чувствительности, так как чувствительность (ys) и постоянная времени (t) болометра

связаны соотношением/ /f con8t. Поэтому в рассматриваемом прототипе при быстродействии 5 не пороговая

чувствительность оказалась низкой, 10+10 Вт . Кроме того, к существенным недостаткам его относятся необходимость стабилизации рабочей температуры а также то, что

) без специальных устройств он не позволяет анализировать поляризацию принимаемо го излучения.

Цель изобретения - получение высокой чувствительности в широкой

5 области спектра и повьшение быстродействия, а также избирательного отклика на определенное направление поляризации принимаемого излучения. Цель достигается тем, что в фото0 Приемнике миллиметрового, субмиллиметрового и -ИК-диапазонов длин волн, состоящем из приемной площадки, сотдержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон ди- , электрической подложки, чувствительные элементы изготовлены из полосок сверхпроводника II рода толщиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля, которые соединены последовательно-параллельно ,

С целью пространственной селекции или приема изображения приемная площадка выполнена в многоэлементном ввде. Кроме того, с целью анализа поляризации принимаемого излучения фотоприемник вьтолнен с возможностью кругового вращения.

Приемная площадка помещается в магнитное поле . Чг верхнее критическое поле) перпендикулярное плоскости пленки. Через полоску прое пускается транспортный ток I. При любой другой температуре величина поля и тока подбирается так, чтобы реализовать абсолютный максимум двухпараметрической зависимости чувствительности (1,11).

0 I

При таких условиях полоски находятся в неоднородном по длине резистивнрм состоянии. Величина сопротивления полоски определяется средним

5 значением параметров порядка, зависящим в свою очередь от магнитного поля и транспортного тока. Электромагнитное излучение поглощается квазичастицами и изменяет их функцию

распределения, что приводит к умень

шению среднего значения параметра порядка и увеличению сопротивления полоски. Быстродействие такого механизма детектирования-определяется временем остывания газа квазичастиц и не связано с чувствительность. Теоретический расчет чувствительности при современном состоянии теории не представляется возможным.

Чувствительный элемент помещается в жидкий Не и располагается так, чтобы длинная сторона полоски была перпендикулярна вектору Е принимаемого излучения. В этом случае коэффициент отражения излучения от поверхности элемента оказывается значительно меньше, большая часть излучения проходит внутрь, а отклик относительно велик. Тем самым осуществляется избирательность по направлению поляризации излучения. Для одновременного согласования с прини.маемым излучением и схемой последующей регистрации применяется последовательно-параллельное соединение чувствительных элементов, заполняющих приемную площадку, а толщина пленки выбирается порядка «Г-глубины скин-слоя. Таким саособом можно подобрать сопротивление фотоприемника, согласованное с входом последующего усилителя, не делая пленку ни слишком толстой (тогда излучение поглощалось бы лишь в поверхностном слое, а отклик щунтировался остальной частью пленки), ни слишком тонкой (тогда излучение проходило бы насквозь, мало поглощаясь в пленке). Ширина полоски должна быть сделана порядка Г для достижения равномерного растекания транспортного тока по сечению чувствительного элемента и, тем самым, лучшего взаимодействия излучения с электронным газом пленки. Температурная крутизна сопротивления теперь вообще не связана с чувствительностью и поэтому отпадает необходимость делать ее большой и стабилизировать рабочую температуру.

Пленочная технология (напыление и фотолитография) позволяет легко приспосабливать геометрию приемной площадки к, конкретным задачам фотоприема. Так, мультиплицируя чувствительные элементы, можно сформировать линейную многоэлементную структуру или матрицу с целью пространственной

селекции и получения изображения. Единичный элемент структуры или матрицы выполняется в виде последовательного, последовательно-параллельного или параллельного соединения полосок сверхпроводника. Если необходимо перевести принимаемую информацию на СВЧ, то формируется несимметричная полосковая линия, для чего контактная площадка выполняется в виде полоски, а обратная сторона диэлектрической подложки металлизируется. Толщина металлизации и контактных площадок превышает глубину скин-слоя на СВЧ.

На фиг. 1.показан общий вид фотоприемника; на фиг. 2 - общий вид многоэлементной (мозаичной) приемной площадки.

Фотоприемник содержит сверхпроводящую пленку 1, диэлектрическую подложку 2, контактные площадки 3.

Примером устройства является приемник, изготовленный из пленки 1Л

О

толщиной 100 А и шириной 1 мкм, напьшенной на сапфировую подложку размером ,5 мм. Геометрия пленки формировалась с помощью фотолитограФии. ФотОприемник из Nb имеет следующие характеристики: Критическая температура, К

Рабочая температура, К

Рабочее магнитное поле И, кЭ

Динамический диапа Поляризационная избира тельно сть 5.10-° с; у

Изменяя характер включения полосок сверхпроводника от параллельного до последовательного, получаем следующий диапазон изменения параметров:

Рабочее сопротивлекие. Ом

10-10

Воль т-ва ттная

чувствительность,

В. Вт5.

Рабочий ток I, А

Полученное сочетание чувствительg ности и быстродействия является рекордным для субмиллиметрового диапазона длин волн. Оно позволяет использовать устройство для создания супергетеродинных приемных схем.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ФОТОПРИЕМНИК миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящий из приемной площадки, содержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектрической подложки, отличающйй с я тем, что, с целью получения высокой чувствительности в широкой области спектра и повышения быстродействия, а также избирательного отклй-ка на определенное направление поляризации принимаемого излучентш чувствительные элементы выполнены из полосок сверхпроводника II рода, толщиной порядка глубины скйн-елря и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля| которые соединены последовательно-параллельно . 2.Фотоприемиик по п. 1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью пространственной селекции и приема (Л изображения, приемная площадка выполнена в многоэлементном виде 3.Фотоприемник по п. 1, отличающий ся тем, что, с цeJIЬю анализа поляризации,принимаемо го нэпу чения, выполнен с возможностью кругового вращения.