СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА
FABRICATION OF SEMICONDUCTOR DETECTOR

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения терагерцового диапазона на их основе.
Известен способ изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов [1]. Этот способ заключается в формировании на диэлектрической подложке канала проводимости из нитрида ниобия любым из известных способов с толщиной не более 20 нм, но не менее толщины, приводящей к нарушению сплошности, и с шириной не более 350 нм и его облучении потоком ускоренных частиц (протонов, атомов гелия, ионов или атомов кислорода или смеси перечисленных частиц) с энергией от 0,5 до 5,0 кэВ в присутствии кислорода. В качестве подложки используется лейкосапфир, прозрачный в области рабочих длин волн (от видимого диапазона до 7 мкм). Недостатком детектора, изготовленного таким способом, является низкая рабочая температура (так как нитрид ниобия - низкотемпературный сверхпроводник). Кроме того, сверхпроводниковый однофотонный детектор не регистрирует электромагнитные волны терагерцового диапазона, так как фотоны этого излучения не имеют достаточной энергии для разрушения куперовских пар и образования «горячего пятна».
2
2
2
8+X
2
2
2
3
10+X
Известен способ изготовления источника и детектора терагерцового излучения на внутренних джозефсоновских переходах высокотемпературных сверхпроводников [2]. Слой монокристаллической сверхпроводящей мезаструктуры состава BiSrCaCuO или TlBaCaCuO крепится на первой подложке с помощью фоторезиста, на сверхпроводник наносится слой золота. Далее методом фотолитографии и травлением формируется Т-образная структура. Верхний слой золота травлением делится на две части, которые соответствуют длинной и короткой стороне Т-образной структуры. На разделенный слой наносятся контакты. Далее структура отсоединяется от первой подложки, переворачивается и присоединяется электродами ко второй подложке таким образом, чтобы обратная сторона мезаструктуры была доступна. На обратную сторону наносятся слой золота и электроды. Методом ионной имплантации кремния между длинной и короткой сторонами Т-образной структуры делается слой изолятора. В результате проделанных операций образуется источник (длинная сторона Т-образной структуры) и детектор (короткая сторона Т-образной структуры) терагерцового излучения. Данный способ изготовления терагерцового детектора технологически сложен. Кроме того, система Tl-2223 ядовита, Bi-2212 имеет более низкую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, чем Bi-2223.
2
3
7-δ
3
2
-9
1/2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления детектора электромагнитного излучения терагерцового диапазона является способ изготовления болометров на основе тонких пленок системы YBCO [3]. Высокотемпературный (ВТСП) болометр был изготовлен из пленок YBaCuO толщиной 40-50 нм, выращенных магнетронным распылением на подложках LaAlO и CeO с использованием мишени YBCO стехиометрического состава. В процессе распыления использовалась атмосфера смеси аргона и кислорода при парциальном давлении 50 Па. Температура подложки при изготовлении пленок составляла около 750°C, скорость роста 30 нм/ч. Далее на сформированную пленку термическим распылением наносилась пленка серебра толщиной около 200 нм. Для изготовления структуры болометра использовалась фотолитография. Первой фотолитографией формировалась двухслойная структура серебро-пленка ВТСП, второй фотолитографией делалась чувствительная область болометра. Эквивалентная мощность шума этого болометра 3,5·10 Вт/Гц.
2
2
2
3
10
Недостатком болометра, изготовленного таким способом, является то, что его чувствительный элемент быстро деградирует, так как ВТСП Y-123 гигроскопичен. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у этого материала ниже, чем у ВТСП (Bi,Pb)SrCaCuO (Bi-2223), а сверхпроводящие эффекты проявляются тем сильнее, чем больше переохлаждение. Кроме того, способ требует большого количества технологических процессов, что усложняет производство детектора.
Задачей данного изобретения является повышение рабочей температуры детектора терагерцового излучения и расширение частотного диапазона приемной антенны, увеличение надежности прибора за счет использования в качестве чувствительного элемента высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223, уменьшение количества технологических процессов.
2
2
2
3
10
Это достигается тем, что чувствительный элемент, антенна и подводящие линии сделаны в едином слое монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)SrCaCuO в одном процессе фотолитографии.
Высокотемпературный сверхпроводник системы Bi-2223 имеет резистивный ноль при температуре 107K, он не гигроскопичен, поэтому не деградирует при взаимодействии с окружающей средой и не ядовит.
Поскольку антенна сделана из сверхпроводящего материала, допустимый частотный диапазон, в котором она работает, связан с шириной энергетической щели сверхпроводника. При больших частотах излучения квант имеет большую энергию. Он способен стимулировать переход электронов из нижнего энергетического уровня через энергетическую щель, разрывая куперовские пары, что приведет к потерям энергии в приемной антенне. Благодаря высокой критической температуре, энергия разрыва куперовских пар для Bi-2223 достаточно высока, из-за чего расширяется рабочий частотный диапазон приемной антенны.
На фиг.1 изображена конструкция сверхпроводникового детектора электромагнитного излучения терагерцового диапазона. Детектор содержит монокристаллическую подложку MgO с ориентацией (100) (1), антенну типа «бабочка» для приема электромагнитного излучения терагерцового диапазона (2), чувствительный элемент (мостик) (3) и подводящие линии (4), сделанные из высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223. Для соединения детектора с электронным оборудованием изготавливаются серебряные контакты (5).
ce
Работа устройства осуществляется следующим образом. Чувствительный элемент охлаждается до температуры полного резистивного нуля T. Рабочая точка поддерживается системой регулирования по величине смещения по постоянному напряжению. Система настроена на время релаксации около 60 секунд. При облучении структуры электромагнитным излучением, в приемной антенне наводится ток, который также протекает через чувствительный элемент. Дополнительный нагрев смещает чувствительный элемент в область резистивного состояния.
2
Для создания детектора излучения слой монофазного текстурированного сверхпроводника Bi-2223 толщиной 80…150 нм формируется на очищенной и отожженной при температуре 1000°C подложке монокристаллического оксида магния с ориентацией (100), площадью 10×10 мм и толщиной 0,5 мм, методом магнетронного распыления из стехиометрической мишени в атмосфере смеси аргона и кислорода (80% и 20%) при парциальном давлении до 4,7 Па, с температурой подложки 150°C и скоростью роста 100 нм/ч. Далее методом фотолитографии на пленке формируются антенна для приема электромагнитного излучения терагерцового диапазона, чувствительный элемент в центре антенны и подводящие линии. После формирования структуры детектора производится рекристаллизационный отжиг при температуре 860°C в атмосфере содержания кислорода не более 20% в течение 10 ч для формирования требуемой фазы сверхпроводника висмутовой системы. При этом обеспечивается парциальное давление насыщенных паров висмута и свинца. Используемая технология позволяет получить на поверхности монокристаллической подложки MgO эпитаксиальную пленку Bi-2223. На подводящие линии нанесены четыре серебряных контакта.
2
2
2
3
10
5
2
Получившиеся детекторы имеют структуру монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)SrCaCuO с температурой начала сверхпроводящего перехода 110K, резистивным нулем при 107K, критическая плотность тока при температуре кипения жидкого азота 10 А/см, критический ток чувствительного элемента 0,2 мА.
2
После напыления фотолитографией изготавливается топологический рисунок, который содержит элементы приемной антенны типа «бабочка», чувствительный элемент и подводящие линии. Для эффективного приема электромагнитных волн частотой 1 ТГц, «бабочка» имеет следующие размеры: длина лепестка 38,5 мкм, ширина 34,7 мкм. Чувствительный элемент в центре, соединяющий лепестки антенны, имеет размеры 2×2 мкм.
-3
-3
Верхняя граница частотного диапазона работы антенны определяется шириной энергетической щели сверхпроводника. Ширина энергетической щели для системы Bi-2223 при температуре кипения жидкого азота 16,6·10 эВ. Таким образом, антенна будет работать на частотах менее 4 ТГц. Нижняя граница принимаемой частоты будет определяться геометрией приемной антенны. Для нашего случая она будет равна 0,95 ТГц. Для сравнения, ширина энергетической щели сверхпроводника Y-123 составляет 10,6·10 эВ, что соответствует граничной частоте 2,56 ТГц. Антенна для нашего сверхпроводника будет эффективно работать на частотах менее 2,5 ТГц. Приемная антенна, чувствительный элемент в середине антенны и подводящие линии сделаны из одного материала в одном технологическом процессе, что упрощает производство таких приемников излучения.
Измерение отклика чувствительного элемента происходит четырехзондовым методом. Для этого на подводящие линии нанесены контакты: два на крайних (для токовых зондов), два рядом с чувствительным элементом (для потенциальных зондов). Контакты сделаны из серебра, так как оно обладает хорошей адгезией и формирует низкоомный омический контакт к высокотемпературному сверхпроводнику системы Bi-2223.
-10
1/2
Для описанной структуры получено значение эквивалентной мощности шума 3,1·10 Вт/Гц.
Достоинства полученного прибора следующие:
- самая высокая частота принимаемого сигнала для сверхпроводниковой антенны за счет применения сверхпроводника Bi-2223, имеющего наибольшую ширину щели среди используемых в болометрах высокотемпературных сверхпроводников;
- высокое значение эквивалентной мощности шума за счет интегральной технологии изготовления чувствительного элемента, приемной антенны и подводящих линий;
- низкий уровень собственного шума по сравнению с болометрами на резистивных материалах (не сверхпроводники). Рабочий режим соответствует переходу полного резистивного нуля. Тепловой шум в этом случае практически также равен нулю при большом числе квадратов.
- высокая устойчивость к деградации за счет применения сверхпроводника системы Bi-2223.
Источники информации:
1. Патент РФ №2476373
2. Патент США №20040149983
3. Терагерцовый отклик болометров на основе тонких пленок YBCO / А.В. Смирнов и др. // Журнал технической физики. - 2012. - Т.82. - вып.12. - С.108-111 - прототип.