Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергетическое разрешение интегрированного с антенной терагерцового NbN микроболометра на горячих электронах. Монография
.pdf
Контроль êàчества получаемых структур NbN/Au провоäèëñÿ ïî
спутникàì, ñ êоторых стравливалсÿ ñëîé Au (â процессе химическîãî
èëè ионно - лучевого травления). Далее исследовались зависимости èõ
сопротивления îò òåìïературы. Ïî ðåçóëüòàòàì измерений провоäèëñÿ
отбор наиболее êàчественных структур, íà основе êоторых äàëåå èçãî-
òавливались образцы детекторов.
Изготовление äâóõслойной структуры NbN/Au
Òехнологичеñêèå параметры процесса реактивного магне-
тронного распыления íà постоÿííîì òîêå
óñòановкà напыления: Z - 400 Leybold Heraeus;
температура ïîäëîæêè: 830◦C;
îñòаточное давление â рабочей êамере:
давление Ar â рабочåé êамере:
5 · 10−3ìáàð;
1, 5 ·10−6ìáàð;
òîê ðàçðÿäà: 300 ìA;
толщина ñëîÿ NbN: 3,5 - 4,0 íì;
толщина ñëîÿ Au: 10 - 20 íì.
Òехнологичеñêèå параметры ионно - лучевого è æèäêîñò-
íîãî травления Au спутникîâ
óñòановкà: ÂÓÏ - 5Ì
рабочий ãàç: Ar;
парциальное давление Ar â рабочей êамере:
òîê ðàçðÿäà: 40 ìÀ;
общее время процесса травления: 25 ñ.
5 · 10−4ìì. ðò. ñò.;
2.2.2 Формирование чувствительного элементà äå-
тектора
Чувствительным элементом детектора фактически являлсÿ открытый
небольшой ó÷àñòîê пленки NbN, ñ поверхности êоторого óдалялсÿ ñëîé
31
Au. Процесс формирования этого зазора â ñëîå Au ïðîõîäèë â äâà ýòàïà.
Сперва íà поверхность ñëîÿ Au наносилсÿ электронный резист, ìåòîäîì
электронной литографии происõîäèëî формирование маски, ïî êоторой
â дальнейшем Au стравливалось â процессе ионного (предварительнî-
ãî) è химическîãî (более ìÿãêîãî ñ целью недопущения деградации ñëîÿ
NbN) травлений. Ðазмеры чувствительного элементà детектора выбира-
ëèñü следующим образом: длина (размер вдоль направления протекàíèÿ
òîêà) 0,2 ìêì, ширина 2 ìêì. Ñ учетом òîãî, ÷òî типичное çíà÷å-
íèå поверхностного сопротивления изготавливаемых пленок ïðè êомнат-
íîé температуре ñîñòавляло 500 Îì íà квадрат, соответствующее типич-
íîå çíàчение сопротивления чувствительного элементà ñîñòавляло îêî-
ëî 50 Îì. Ýòî обеспечивало приемлемое ñîãласование чувствительного
элементà ñ используåìîé планарной антенной, ðå÷ü î êоторой пойдет
íèæå [17].
Ýòàïû формирования чувствительноãî элементà детектора
Покрытие структуры электронным резистом (PMMA 950Ê 2% +
анизол):
a) óñòановкà нанесения: центрифугà Sawatec;
b) ñêорость вращения: 3000 îá/ìèí;
c) îáùåå время: 60 ñ;
d) толщина наносимого ñëîÿ резистà: 0,08 ìêì.
Òермообработкà:
a) температура термостàòà: 170◦C;
b) общее время: 0,5 ÷.
Собственно формирование зазора ìåòîäîì электронной литогра-
ôèè:
a) óñòановкà: JEOL JSM - 6380 (электронный литограф);
b) íàïðÿæåíèå ðàçðÿäà: 30 êÂ.
Ïðîявление:
a) метилбензол:изопропанол = 1:5;
b) общее время ïðîявления: 25 ñ.
32
Травление ñëîÿ Au â зазоре:
a) óñòановкà: ÂÓÏ - 5Ì;
b) рабочий ãàç: Ar.
c) парциальное давление Ar:
d) òîê ðàçðÿäà: 40 ìÀ;
e) îáùåå время травления: 25 c;
Óдаление резистà â ïîдогретом диметилкетоне:
a) Общее время процесса: 5 ìèí.
5 · 10−4ìì. ðò. ñò.;
2.2.3 Последующие технологические ýòàïû изготов-
ления îбразцов детекторов
Последующие технологические ýòàïû изготовления образцов детекторов
связаны ñ формированием планарной ëîãарифмическîé спиральной àí-
тенны, ñ êîòîðîé интегрироâàëñÿ чувствительный элемент детектора.
Использование ýòîé антенны áûëî ïðîдиктовано òåì, ÷òî длина волны
принимаемого излучения ÒÃö частотного диапазона áûëà много больше
õарактерных размеров чувствительного элементà детектора. Проведен-
íûå íàìè исследованèÿ, ðåçóëüòàòû êоторых представлены â работе [17],
ïîêазали, ÷òî данная антенна õарактеризуåòñÿ óëüтраширокîé âõîäíîé
полосой, âåðõíÿÿ граничная частотà êоторой превышает 8 ÒÃö.
Выбор данной топологии антенны объяснялсÿ íåñêолькими причи-
íàìè. Âî - первых, ýòî áûëî связано ñ простотой технологии åå изготов-
ления. Âî - вторых, ñ низкими омическими потерÿìè данной антенны
относительно других аналогов. Íàêîíåö, óëüтраширокàÿ âõîäíàÿ ïîëî-
ñà антеннû позволила ïðîâîäèòü измерения ñ îäíèì è òåì æå образцом
детектора íà разных частотàõ, ÷òî позволило óéòè îò ðÿäà неопрåäå-
ленностей, связанных ñ заменой образца детектора è åãî совмещением ñ
геометрическим центром используåìîé кремниевой линзы.
Ìåòîäîì электронной литографии происõîäèëî формирование
внутренней части спиральной антенны, представляющей собой структу-
ðó:
Cr(3 íì) Au(70 íì) Ti(8 íì).
33
Здесь è далее перечисление слоев èäåò îò ïîäëîæêè. Здесь Cr èñ-
пользовалсÿ äëÿ обеспечения лучшей адгезии, à Ti â êàчестве защитно-
ãî материала. Внешние êîíòàêòû è внешняя часть спиральной антенны
формировались â процессе фотолитографии. Ñõåìà структуры:
Ti(5 íì) Au(200 íì) Ti(5 íì).
Здесь äëÿ обеспечения лучшей адгезии èñïользовалсÿ ñëîé Ti. Далее
следовало нанесение защитной маски SiO äëÿ последующего травлåíèÿ
структуры Au/NbN ïî ïîëþ. Ñõåìàòèå÷êîå изображением вертикàëü-
íîé структуры слоев изготовленных образцов детекторов представлено
íà ðèñ. 2.1. Íà îòäельные ÷èïû ïîäëîæêà разрезалась ñ помощью скрай-
áåðà.
2.3 Первичные исследования изготовлен-
íûõ образцов íà постоянном òîêå
 данном параграфе представлено описание ìåòîäèêè первичного тести-
рования образцов íà постоянном òîêå, включающего исследование òåì-
пературной çàâèñèìîñòè сопротивления образцов детекторов, à òàêæå
исследование èõ âîëüò - амперных õàðактеристик ïðè различных çíà÷å-
íèÿõ тепловой ванны.
2.3.1 Исследование температурной зависимости ñî-
противления образцов детекторов
Ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî исследованию температурной çà-
висимости сопротивления изготовленных образцов детекторов предстàâ-
ëåíà íà ðèñ. 2.2. Òемпература термометра è образца, детектора óñòà-
новленного â непосредственной близости ê термометру íà специальном
латунном äåðæателе, êонтролировалась ñ помощью монитора LakeShore
218 Temperature Monitor. Существенным óсовершенствованием исполь-
çóåìîé ìåòîäèêè относительно повышения точности измерения сопро-
тивления ñòàëî использованием â êàчестве измерителя сопротивления
детектора измерительного ìîñòà LakeShore 370 AC Resistance Bridge, àì-
плитуäà переменного зондирующий òîêà êоторого ñîñòавляла 300 íÀ è
меньше. Ýòî позволило практически полностью èñêлючить влияние òàê
называемого эффектà саморазогрева чувствительного элементà боломет-
34
Ðèñ. 2.2.Ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî измерению òåмпературной çàâè-
симости сопротивления изготовленных образцов детекторов.
ðà ïîä воздействием протекающего ïî íåìó зондирующего òîêà ïðè èç-
мерении сопротивления.
Полученная êðèâàÿ температурной зависимости сопротивления îá-
разца детектора â ëîãарифмическîì масштàáå ïî îñè сопротивлений
представлена íà ðèñ. 2.3. Наличие дополнительных перехîäîâ ïðè более
низких температурах относительно ãлавного перехîäà объясняетсÿ âëèÿ-
íèåì òàê называемого эффектà близости [8486]. Данный эффект возни-
êàåò â месте êîíòàêòà ñâåðхпровоäíèêà è нормального ìåòàëëà (NS - êîí-
òàêò). Эффект близости ïðîявляетсÿ â òîì, ÷òî â области NS - êîíòàêòà
небольшой участок нормального ìåòàëëà íàчинает ïðîявлять свойства
ñâåðхпровоäíèêà, â òî время êàê свойства êîíòактирующего ñâåðõïðî-
âîäíèêà ÷астично ïîäàâляютсÿ. Ýòî ïðîявляетсÿ, â частности, â умень-
шении критическîé температуры участкà ñâåðхпровоäíèêîâîé пленки,
íàõîдящейсÿ ïîä слоем нормального ìåòàëëà [87].
Ýòî именно òà ñèòóàöèÿ, êоторая реализуåòñÿ â нашем случае. Îñ-
новной ñâåðхпроводящий перехîä, возникающий ïðè температуре
(Tc1)
соответствуåò перехîäó собственно чувствительного элементà детектора
(участкà пленки NbN, ñ êоторого ñëîé Au полностью óдален). Äâà äî-
полнительных перехîäà возникàþò вследствие эффектà близости между
слоем ñâåðхпровоäíèêà NbN è ñëîÿìè нормальнîãî ìåòàëëà Au толщи-
íîé 20 íì
(Tc2)
è 70 íì
(Tc3)
, соответственно. Строго говорÿ, íà участкå
антенны, êоторый формировалсÿ â процессе фотолитографии, существу-
35
,
Ðèñ. 2.3.Òåìïåратурнàÿ зависимость сопротивления детектора. Основной ñâåðõ-
проводящий перехîä, возникающий ïðè температуре
чувствительного элемеíòà детектора. Äâà дополнительных ñâåðхпроводящих ïåðå-
õîäà возникàþò вследствие эффектà близости между слоем ñâåðхпровоäíèêà NbN è
ñëîÿìè нормального ìåòàëëà Au толщиной 20 íì
(Tc2)
(Tc1)
, соответствуåò перехîäó
è 70 íì
(Tc3)
, соответственно.
åò åùå îäíà область, ãäå толщина ñëîÿ Au превыщает 200 íì. Однакî,
четвертого ñâåðõïðîâîдящего перехîäà íà ðèñ. 2.3 íå наблюдаетсÿ. Îáú-
ясняетсÿ ýòî òåì, ÷òî длина êогерентности â òîíêîé пленкå NbN ñóùå-
ственно меньше 70 íì [88], поэтому дальнейшее увеличение толщины
ñëîÿ Au íå привоäèò ê åùå большему ïîдавлению ñâåðхпроводимости
êîíòактирующего ñëîÿ NbN çà ñ÷åò эффектà близости.
2.3.2 Исследование âîëüò - амперíûõ õарактеристик
изготовленных образцов детекторов ïðè ðàç-
личных çíàчениях температуры тепловой âàí-
íû
Ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî исследованию âîëüò - амперных
õарактеристик изготовленных образцов детекторов ïðè различных çíà-
чениях температуры тепловой ванны представлена íà ðèñ. 2.4. Òåìïå-
ратура детектора êонтролировалась ñ помощью монитора LakeShore 218
Temperature Monitor. Криогенный термометр располагàëñÿ â непосред-
ственной близости îò образца детектора â специальном латунном äåð-
æателе, располоæенном íà êîíöå âñòàâêè â гелиевый ñîñóä Дьюара. Èñ-
точник смещения работàë â режиме ñòабилизации íàïðÿæåíèÿ.
36
Ðèñ. 2.4.Ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî исследованию зависимости âîëüò
- амперных õарактеристèê образцов детекторов îò температуры.
Полученное â ýêсперименте семейство âîëüòамперных õарактери-
ñòèê образца детектора ïðè различных çíàчениях тепловой ванны ïðåä-
ñòавлено íà ðèñ. 2.5. Ïîдобные âîëüò - амперные õàðàêтеристики áûëè
äåòально описанû ранее, ê примеру, â работе [89]. Âîëüò - àìïерную õà-
рактеристику детектора ïðè температуре 4,2 Ê (красная кривая íà ðè-
ñóíêå) называют ненакàченной. Óсловно åå ìîæíî разбить íà òðè участ-
êà, êоторые выделены íà рисункå различнûìè öâåòàìè.
Левый почти ïðямолинейный участок соответствуåò ñâåðхпровоäÿ-
ùåìó состоÿíèþ чувствительного элементà детектора. Небольшой íà-
êëîí объясняетсÿ наличием íåêоторого îñòаточного ñîпротивления (îêî-
ëî 2 Îì) между ñëîÿìè â структуре детекторà. Ïèêîâîå çíàчение òî-
êà смещения íà данном участкå âîëüò - амперной õарактеристики ñîîò-
ветствуåò критическîìó òîêó, ïðè êотором ñâåðхпроводимость чувстви-
тельного элементà детектора íàчинает разрушатьсÿ. Далее следуåò ó÷à-
ñòîê òàê называемого промежуточного состоÿíèÿ ñâåðхпровоäíèêà [90],
â êаждой òî÷êå êоторого чувствительный элемент детектора íàõîäèò-
ñÿ îäíîâðåìåííî â ñâåðхпроводящем è нормальном состояниях. Наличие
данного состоÿíèÿ свойственно ñâåðхпровоäíèêàì II ðîäà, ê числу êî-
торых относитсÿ è NbN. Данная область являетсÿ íåñòабильной, здесь
наблюдаютсÿ осцилляции íàïðÿæåíèÿ íà детекторе ìåæäó двумя сосед-
íèìè участкàìè âîëüò - амперной õарактеристики [91]. Правый участок
37
Ðèñ. 2.5.Âîëüò - амперные õарактеристики детектора ïðè различных çíàчениях
температуры тепловой ванны. Ñ повышением температуры âîëüò - амперные õàðàê-
теристики ñòановяòñÿ âñå более линейными, à çíàчение критическîãî òîêà уменьша-
åòñÿ. Íà рисункå проведена 18 - омная нагрузочная ïðÿìàÿ детектора.
âîëüò - амперной õарактеристиêè соответствуåò нормальному состоÿíèþ
чувствительного элементà детектора. Â ýòîé области ñâåðхпроводимость
полностью ïîдавлена, à наклон âîëüò - амперной õарактеристики ñîîò-
ветствуåò нормальному сопротивлению образца детектора.
Èç Ðèñ. 2.5 видно, ÷òî ñ повышением температуры âîëüò - амперные
õарактеристики ñòановятсÿ âñå более линейными, à çíàчение критиче-
ñêîãî òîêà уменьшаетсÿ. Íà рисункå проведена 18 - омная нагрузочная
ïðÿìàÿ детектора. Далее áóäåò ïîêазано, ÷òî â процессе работы детекто-
ðà рабочàÿ òî÷êà íà âîëüò - амперной õарактеристикå осциллируåò вдоль
ýòîé нагрузочной ïðÿìîé ñ частотой ìîäóляции падающего излучения.
Ïðè ýòîì, â òîì случае åñëè детектор смещаетсÿ â режиме ñòабилиçà-
öèè òîêà, ýòà ïðÿìàÿ ñòàновитсÿ горизонтальной, òàê êàê нагрузочное
сопротивление, соответствующее âûõîдному сопротивлению источникà,
принимает çíàчение много большее сопротивления детектора.
Стоит отметить, ÷òî âñå описанные процессы проводились íà áàçå
Учебно - íàучного радиофизическîãî центра ÌÏÃÓ íà самом современ-
íîì технологическîì оборуäîвании. Ïðè ýòîì êàчество изготавливаемых
наноструктур íå толькî íå óступает мировым аналогàì, íî è превосõî-
äèò èõ ïî íåêоторым õарактеристикàì. Ýòî ïîдтверждаетсÿ â первую
38
очередь òåì, ÷òî ðÿä íàучных групп, являющихñÿ мировыми лидерами
â области исследований неравновесной ñâåðхпроводимости, предпочитà-
þò работàòü ñ наностуктурами, изготовленными именно íà áàçå ÓÍÐÖ
ÌÏÃÓ [16, 92].
39
Ãëàâà 3. Èññëедование âîëüò - ваттной
чувствительности, оптическîé
эквивалентной мощности øóìà è
энергетическîãî разрешения болометра íà
основе эффектà ýëåктронного разогрева
 ãëàâå 3 представлены ðåçóëüòàòû теоретическîãî è ýêспериментàëü-
íîãî исследования âîëüò - ваттной чувствительности, оптическîé ýêâè-
валентной ìощности øóìà è энергетическîãî разрешения детекторной
системы íà основе ñâåðхпровоäíèêового электронно - разогревного áî-
лометра.
3.1 Ìîделирование âîëüò - ваттной чувстви-
тельности болометра ïðè температуре
близкîé ê êðèтическîé
Êàê óæå áûëî отмечено âî введении, существуåò äâå основные ìîäåëè áî-
лометра íà эффекте электронного разогрева: ìîäåëü îднородного ðàçî-
грева è ìîäåëü ãîðячего пятна, представляющего собой область ïë¼íêè ñ
ïîдавленной ñâåðхпроводимостью, êоторая возникàåò вследствие ïîãëî-
щения ïë¼íêîé падающего излучения è разогрева транспортным òîêîì.
Ìîäåëü îднородного разогрева являетсÿ ïî своей ñóòè ìîделью сосре-
доточенного элементà, à òî время êàê ìîäåëü ãîðячего пятна явялетсÿ
ìîделью распределенного элемена.
Ïðè ýòîì физикà работы болометра, êîãäà рабочая òåìïература äå-
тектора достигàåòñÿ çà ñ÷¼ò фононнîãî разогрева, существенно îòëè÷à-
åòñÿ îò случая разогрева болометра излучением гетероäèíà. Â последнем
случае чувствительный ýëåìåíò болометра, íàõîдящийсÿ â резистивном
состоÿíèè, ïî ñóòè соедин¼н ñî ñâåðõïðîâîдящей антенной (ò.í. S'SS' -
система), òîãäà êàê â исследуåìîì случае участок ñâåðхпровоäíèêà, íà-
õîдящийсÿ ïîä ìåòаллическîé антенной, òàêæå íàõîäèòñÿ â резистивном
состоÿíèè (ò.í. NSN - система). Ýòî привоäèò ê òîìó, ÷òî открываетсÿ
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]