МАТРИЦА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ДЕТЕКТОРОВ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО И ДАЛЬНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ARRAY OF SUPERCONDUCTING DETECTORS OF SUBMILLIMETRE AND FAR-INFRARED RADIATION

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
0
где ρ - 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:
max
- прорезь или заужение имеют длину L/4, где  - полная длина ветви антенны, равная максимальной длине волны приемного диапазона, ρ - 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
r<sub>0</sub>
0.006 мм
0.003 мм
α
0.3125
0.3125
φ<sub>01</sub>
<img file="00000003.tif" he="12" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="12" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
r<sub>end</sub>
0.055 мм
0.027 мм
0
Здесь r - радиус окружности, на которой ветви антенны отклоняются от логарифмической формы для включения в антенну нагрузки;
α - коэффициент плотности закрутки спиральной антенны;
01
φ- угловое расстояние между спиралями, образующими одну ветвь;
end
r - расстояние от центра спиральной антенны до точки соединения антенн.