Сверхпроводниковый электронный болометр Советский патент 1991 года по МПК H01L39/00 

Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, а именно к сверхпроводниковым болометрам миплиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазона длин волн, в чартности к болометрам на основе традиционных rf высокотемпературных сверхпроводников .

Целью изобретения является повы- шение процента выхода годных чувствительных элементов (ЧЭ) болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивления .

На Лиг. 1 представлен один из .вариеатов топологического рисунка ЧЭ согласно изобретению.

Он включает контактную площадку 1, замкнутые ломаные четырехзвенные полоски 2, перемычки 3, соединяющие замкнутые ломаные полоски. На (Ьиг.2другой вариант топологического рисунка ЧЭ согласно изобретению на Фиг. 3 - многоэлементный электронный болометр согласно изобретению.

Сущность изобретения заключается в следующем. Из сверхпроводниковой пленки на подложке Формируется цепь saNfKHyiiix четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых (см.Лиг.) и 2),указанные замкнутые четырехзвенные ломаные полоски сильно вытянуты вдоль большей стороны и соединены последовательно 1 в средней части больших звеньев. Та.кой топологический рисунок ЧЭ позволяет одновременно получить большое сопротивление элемента и эначительвый процент выхода годных структур даже при наличии разрывов сплошности полосок, При той же ширине полоски сопротивление ЧЭ в рассматриваемом случае оказывается всего в 4 раза меньше., чем сопротивление меандра, заполняющего всю приемную плошадку, однако, из-за существенно меньшей чувствительности предлагаемой топологии к разрывам сплошности полоски ширина его может быть уменьшена по крайней мере вдвое, т.е. сопротивление в результате может быть равно или более чем у обычной структуры меандра. Слабая чувствительность к разрывам обменяется тем, что даже не сколько разрывов в одной половине единичной замкнутой четырехзвенной ломаной полоски не прерывают ток во всей структуре (он течет по второй ненарушенной половине), а большое число последовательно соединенных замкнутых ломаных полосок делает незначительным влияние на свойства всей структуры выхода из строя некоторого количестве поврежденных половин фигур. Отказ всей структуры происходит лишь тогда, когда обрывы имеют место одновременно в обеих по ловинех единичной замкнутой четырехзвенной полсски или когда pagjJbsaaeT. ся лостаточно широкая соединительная .перемычка однако, вероятность этих событий существенно меньше вероятно сти разрыва обычного меандра. Примером предлагаемого устройства являетсл мкогоэлкментый электронный болометр, призех.енный на йиг. 3. Опи сываемая конструкш1я представляет , собой сверхпроводниковые тонкопленочные Б и с контактными гшощадка. . сформированные на подложке 6t : В качестйе сверхпрО1Водникового материала для многоэлементного 9лект1 6нного болометра гелиевого уровня при. меняются тонкие (50-70 А).при поверх ностном сопротивлений ёО-100 Ом/кваа рат пленки ниобия алюминия, а также сплава молибден-рений.. Нанесение пер вых двух материалов осушествлялось методом ис11арения электронной бомбар дировкой (для ниобия) и резистивным испарением (в случае алюминия) в сверхвысоком вакууме (остаточное дав 5А ление мм рт.ст., рабочее давление при испарении 10мм рт.ст.). Такой вакуум обеспечивался специально разработанной для этой цели сверхвысоковакуумной установкой, оснащенной цеолитовыми и магниторазрядными насосами. Нанесение пленок молибденрений осушествлялось как магнетронным распьтением на установке УРМ.3.279.017, оснащенной источником нагнетронного распыления, так и катодным распылением в триодной системе (на установке.УРМЗ.279.014. Подложками дли Фотоприемников гелиевого уровня служили полированный лейкосапФир толщиной 0,3-0,5 мм и кварц толщиной 0,1-0,25 мм. Формирование топологического рисунка ЧЭ по Фиг.2 осуществлялось как методами Фотолитографии с применением Фотошаблонов, изготовленных электронной литографией, так и прямой электронной литографией. Ширина полоски, образующей замкнутую четырехзвенную прямоугольную структуру составляла 0,8 мкм, длина большей стороны прямоугольной Фигуры 500 мкм, длина меньшей стороны 3 мкм, размеры соединительных перемычек 30«30 мкм. Один ЧЭ содержит 210 последовательно соединенных замкнутых четырехзвенных Электрическое сопротивление фигур составляет 5-10 Ом. Контакты к О сверхпровОдниковым структурам Формировались методом обратной литографии и изготавливались из алюминия толщиной О,5.мкм, нанесенного вакуумным испарением.. ../. . . Многоэлементый электронный болометр азотного уровня также реализуется в конструкции, представленной на .3. Однако подножкой в этом случае служит сапфир толщиной О,3-0,5 мм с нанесенными на него структурообразу1:яшми подслоят ЗгТЮз гО или BaF толщиной 0,1-0.5 мкм. Сверхпроводникоаым материалом азотного уровня является пленка YBaCujOy y толщиной 0,1-0,15 мкм, нанесенная на подложку лазерным испарением. В дальнейшем CTpyKtypa отжигалась в кислороде в печи СДО 125/3 при температуре 930с. Формирование топологии ЧЭ (см.Фиг.1), в этом случае осушествлялось методом Фотолитографии и ионного травле- , кия (также, как в случае болометров гелиевого уровня, здесь применялись Фотошаблоны, изготовленные электронной литографией). Характеристически размеры .структуры приведены вьпве. Контакты из серебра толщиной 0,5 мкм (Ьормировались методом обратной литографии. Ра заключительной стадии изготов ления болометров как гелиевого, так и азотного уровней подложки со стру турами разд лялись на отдельные фрагменты, которые монтировались в стандартный корпус, после чего проводилась разварка микропроволочных выводов с контактных площадок структуры на траверсы корпуса. Конструкция ЧЭ, приведенная на фиг.2, отличается от конструкции, представленной на Фиг.I, лишь формой перемычек, соединяющих замкнутые ло. маные четырехзвенные полоски. Конструкция, приведенная на Фиг.2, является более предпочтительной, так как при ее Формировании ,не возникает трудностей, присущих процессам Формирования ЧЭ., представленного на . Фиг.1, обусловленных существенно раз личными размерами полосок (обычно су микронньоти) и перемычек. Сверхпроводниковый электронный болометр пред лагаемой конструкции Функционирует следующим образом. Его ориентируют так, чтобы плоскость ЧЭ располагалась под заданным углом (в настоящем примере перпендикулярно) .к направлению распространения принимаемого излучения, и помеи-ают в жидкий гелий или его пары, в случае, если сверхпроводниковый ЧЭ выполнен из традиционного низкотемпературного сверхпроводника, например из ниобия. В случае, если чувствительный элемент выполнен из высокотемпературного све проводника, например, из .jO болометр помешак т в жидкий азот или в пары азота. (Для понижения критической температуры сверхпроводящего перехода с помошью магнитного поля устройство может быть помещено в сверхпроводятий соленоид , Контакты болометра подключаются к источнику по стоянного тока и к регистрирующему прибору. Энергия падаюгаего излучения, поглощается ЧЭ и поступает в электронную подсистему сверхпроводника, что приводит к разогреву электронов. Так JfaK в области сверхпроводящего перехода сопротивление сильно зависит от электронной температуры, то при йблучении изменяется сопротивление ЧЭ, что и регистрируется прибором. Технико-экономическая эффективность заключается в существенном повьппении процента выхода годных изделий. Процент выхода для обычных меандровых структур составил 60% (бракованными считались структуры с обрывом). Для структур по изобретению из 1000 образцов бракованных оказалось 2 щт. Электрическое сопротивление годных структур по сравнению с прототипом практически не изменилось. Формула изобретения Сверхпроводниковый электронный болометр миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, -состоящий из размещенной на диэлектрической подложке приемной плошадки, представляющей собой чувствительный элемент в виде последовательно-параллельных полосок сверхпроводника II рода толщиной порядка глубины скин-слоя и щириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник, отличающийся тем, что, с целью повьппения процента выхода годных чувствительных элементов и обеспечения высокого значения их электрического сопротивления, элемент выполнен в виде цепи замкнутых, четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые, длина больших звеньев равна ширине или длине приемной площадки, а менвщих - порядка щирины полоски, причем замкнутые ломаш.те полоски соединены последовательно в средней части больщих звеньев.

Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, а именно к сверхпроводниковым болометрам. Цель изобретения - повышение. процента выхода годных -чувствительныхэлементов болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивления. Это достигается тем, что чувствительный элемент болометра выполнен в виде последовательно -параллельно соединенных полосок сверхпроводника II рода толшиной порядка глубины скин-споя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник ,: топология элемента представляет собой цепь замкнутых четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые, длина больших звеньев равна ширине или длине приемной плошадки, а меньших - порядка ширины полоски, причем заг^Лнутые ломаные полоски соединены последовательно в средней части больших звеньев. 3 ил.