CN108793057A - 碳化硅基石墨烯超导tes器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅基石墨烯超导TES器件及其制作方法，涉及太赫兹器件技术领域。所述TES器件采用在碳化硅基衬底上采用热升华的方式，升华硅原子，得到近自由态的石墨烯作为热沉基板，在石墨烯上制作超导薄膜，实现对太赫兹波的探测。所述器件的制作工艺简单，与现有TES器件工艺兼容；采用碳化硅基升华硅原子生长得到的二维高散热率石墨烯材料作为声子耦合材料，热耦合系数更高。因此所述TES器件的有效恢复时间更短，响应速率更高。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种碳化硅基石墨烯超导TES器件及其制作方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在 100GHz-10THz范围内的电磁波，与毫米波的高端、亚毫米波及远红外有所交叠，处于宏观电子学向微观光子学的过度领域。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。在太赫兹的研究方向主要为源，探测和传输。在太赫兹的探测技术中，分为常温探测和超导体低温探测，常温探测由于受到室温量子极限的限制，其探测灵敏度一般低于超导体的探测灵敏度。因此基于超导体的太赫兹探测器受到关注。其中探测灵敏度最高的当数超导转变边沿探测器。
超导转变边沿探测器是采用超导转变边沿传感器 (transition edge sensor，TES) 作为温度计的一类低温超导探测器，偏置在正常态至超导态转变区域内的一层超导薄膜，利用其在转变区域内陡峭的电阻-温度(R-T)关系，可以作为高灵敏的温度计使用。为了降低探测器的噪声， TES 温度计通常采用超导转变温度(transition temperature，Tc)为几百mK的超导薄膜。TES温度计采用的电压偏置给系统引入了电热负反馈，使超导TES探测器在噪声特性、响应线性度、响应速度等方面与采用其他温度计技术的热探测器相比具有明显的优势。此外， 超导TES探测器还具有适用波长范围广、易开发单片集成探测器阵列并可用超导量子干涉 (superconducting quantum interference device， SQUID)放大器对探测器阵列实现复用读出等特点。因此，该类探测器在近十多年来被广泛应用于较长波段范围内的光探测，如作为辐射热探测器构成天文宇宙学实验中的探测焦平面， 用来探测宇宙中的太赫兹波、毫米波和微米波。
目前应用于太赫兹波的TES传感器，多是基于硅基材料来实现，由于硅材料在散热方面散热系数不佳，导致超导体中声子系统和硅基热沉之间强热耦合不佳，影响了TES探测器的有效恢复时间，限制了其相应速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种有效恢复时间更短，响应速率更高的碳化硅基石墨烯超导TES器件。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：包括碳化硅衬底层，所述碳化硅衬底层的上侧设置有石墨烯层，所述石墨烯层的上侧设置有超导薄膜层。
进一步的技术方案在于：所述器件还包括位于石墨烯层与所述超导薄膜层之间的Ti 薄膜层。
进一步的技术方案在于：所述超导薄膜层包括位于下侧的声子超导薄膜层以及位于上侧的电子超导薄膜层。
优选的，所述声子超导薄膜层的制作材料为Au或Pd。
优选的，所述电子超导薄膜层的制作材料为Ti。
本发明还公开了一种碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
在碳化硅衬底上采用热升华的方式，升华硅原子，得到近自由态的石墨烯层作为热沉基板；
在所述石墨烯层上制作超导薄膜层，通过所述超导薄膜层实现对太赫兹波的探测。
进一步的技术方案在于：所述超导薄膜层通过电子束蒸发或磁控溅射的方式生长，且其厚度为30nm-60nm。
进一步的技术方案在于：所述超导薄膜层包括位于下侧的声子超导薄膜层以及位于上侧的电子超导薄膜层，所述声子超导薄膜层的制作材料为Au或Pd，所述电子超导薄膜层的制作材料为Ti，在生长所述超导薄膜层之前先沉积一层厚度为10nm-15 nm的Ti 薄膜。
进一步的技术方案在于：所述超导薄膜层生长完毕之后， 做一次光刻， 通过刻蚀的方法完成所述薄膜的图形化，形成具有特定尺寸的 TES超导器件。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述TES超导器件的制作工艺简单，与现有TES器件工艺兼容。采用碳化硅基升华硅原子生长得到的二维高散热率石墨烯材料作为声子耦合材料，热耦合系数更高。TES器件有效恢复时间更短，响应速率更高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述器件的结构示意图；
图2是本发明实施例所述方法的流程图；
图3是现有技术中典型的热探测器的结构示意图；
图4是本发明实施例中所述器件的热路示意图；
其中：1、碳化硅衬底层2、石墨烯层3、超导薄膜层31、声子超导薄膜层32、电子超导薄膜层4、Ti 薄膜层5、热沉6、吸收体7、弱热连接8、强热耦合9、若热耦合。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种碳化硅基石墨烯超导TES器件，包括碳化硅衬底层1，所述碳化硅衬底层1的上侧设置有石墨烯层2，所述石墨烯层2的上侧设置有超导薄膜层3。
如图2所示，本发明实施例还公开了一种碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，包括如下步骤：
在碳化硅衬底1上采用热升华的方式，升华硅原子，得到近自由态的石墨烯层2作为热沉基板；
在所述石墨烯层2上制作超导薄膜层3，通过所述超导薄膜层3实现对太赫兹波的探测。
下面结合附图来阐述本发明的具体实施方式。
超导TES单太赫兹光子探测器本质上属于热探测器的一种，典型的热探测器包括吸收能量的吸收体6，测量温度变化的温度计， 维持恒定温度的热沉5， 以及吸收体6与热沉5之间的弱热连接，如附图3所示。 其中吸收体6的热容为 C，弱热连接7的热导为 G，热沉5的温度为 Tb。当能量为 Eph 的太赫兹光子入射并被吸收时，吸收体的温度瞬间产生∆T= Eph/C 的增加量。随着热量通过弱热连接耗散掉， 吸收体的温度逐渐降低并最终恢复至初始值， 温度计通过测量∆T 从而获得入射光子的能量信息，这就是热探测器的工作原理。
超导TES单太赫兹光子探测器是指采用TES温度计，用于探测太赫兹波。目前已经开发出的 TES探测器采用的超导薄膜材料不同， 但在器件结构上却是相似的。探测器的核心是由一层生长在硅衬底上、尺寸在 20 µm × 20 µm 左右、厚度为几十纳米的超导薄膜。在薄膜的两端施加恒定电压， 由于低温下薄膜中电子与声子之间的弱热耦合作用，作为单光子探测器使用时， 超导薄膜中的电子系统同时承担了热探测器的吸收体和TES温度计的双重功能。由于薄膜中声子系统与石墨烯和硅衬底之间较强的热耦合作用，声子系统的温度等于石墨烯层的温度。
附图4为所述TES器件的热路示意图。目前制备所述TES器件的工艺流程已基本成熟，在制作本发明所提出的石墨烯TES器件时，首先在碳化硅基衬底上采用热升华的方式，升华硅原子，得到近自由态的石墨烯，通过电子束蒸发或磁控溅射的方式生长一层几十纳米厚的单层或双层超导薄膜，对于 Ti/Au或 Ti/Pd 双层薄膜来说， 正常金属层Au或Pd薄膜先生长， 超导层 Ti薄膜后生长。 在生长Au或Pd正常金属层之前， 一般先沉积一层厚度为10nm-15 nm的Ti 薄膜来提高Au或 Pd与石墨烯/Si衬底之间的黏合性。为了使不同金属薄膜层之间保持干净良好的界面， 制备 Ti/Au或Ti/Pd双层薄膜的三次薄膜生长过程需要在同一次真空环境下完成。薄膜生长完毕之后，做一次光刻，通过刻蚀的方法完成薄膜的图形化， 形成具有特定尺寸的 TES。
Ti 的刻蚀可以选择使用反应离子刻蚀技术 (reactive ion etching， RIE)或者采用一定浓度的氢氟酸 (HF) 进行湿法腐蚀。Au和Pd 可以用干法刻蚀， Au 也可采用碘化钾和碘的混合溶液 (KI/I2) 来湿法腐蚀。接下来是制备 TES 所需的超导引线以及芯片周围的焊盘， 引线和焊盘一般采用超导铌 (Nb) 或铝 (Al) 材料来实现。二者的 Tc 值分别为 9.5 和 1.1 K， 在探测器几百 mK的工作温度下是完全超导的。引线和焊盘通常为同一层， 厚度在 100nm-150 nm 之间， 该层一般采用溅射方法生长并使用剥离技术完成图形化。
由于本发明中采用了石墨烯作为热沉材料，其散热系数大，且与目前常用的TES制作工艺兼容，大大提高了TES探测器的有效响应速度。
Claims (9)
1.一种碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：包括碳化硅衬底层（1），所述碳化硅衬底层（1）的上侧设置有石墨烯层（2），所述石墨烯层（2）的上侧设置有超导薄膜层（3）。
2.如权利要求1所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：所述器件还包括位于石墨烯层（2）与所述超导薄膜层（3）之间的Ti 薄膜层（4）。
3.如权利要求1所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：所述超导薄膜层（3）包括位于下侧的声子超导薄膜层（31）以及位于上侧的电子超导薄膜层（32）。
4.如权利要求3所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：所述声子超导薄膜层（31）的制作材料为Au或Pd。
5.如权利要求3所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件，其特征在于：所述电子超导薄膜层（32）的制作材料为Ti。
6.一种碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
在碳化硅衬底（1）上采用热升华的方式，升华硅原子，得到近自由态的石墨烯层（2）作为热沉基板；
在所述石墨烯层（2）上制作超导薄膜层（3），通过所述超导薄膜层（3）实现对太赫兹波的探测。
7.如权利要求6所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，其特征在于：所述超导薄膜层（3）通过电子束蒸发或磁控溅射的方式生长，且其厚度为30nm-60nm。
8.如权利要求6所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，其特征在于：所述超导薄膜层（3）包括位于下侧的声子超导薄膜层（31）以及位于上侧的电子超导薄膜层（32），所述声子超导薄膜层（31）的制作材料为Au或Pd，所述电子超导薄膜层（32）的制作材料为Ti，在生长所述超导薄膜层（3）之前先沉积一层厚度为10nm-15 nm的Ti 薄膜。
9.如权利要求6所述的碳化硅基石墨烯超导TES器件的制作方法，其特征在于：所述超导薄膜层（3）生长完毕之后，做一次光刻，通过刻蚀的方法完成所述薄膜的图形化，形成具有特定尺寸的 TES超导器件。
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