RU2539771C1 - Способ изготовления сверхпроводникового детектора - Google Patents

Способ изготовления сверхпроводникового детектора Download PDF

Info

Publication number
RU2539771C1
RU2539771C1 RU2013141315/28A RU2013141315A RU2539771C1 RU 2539771 C1 RU2539771 C1 RU 2539771C1 RU 2013141315/28 A RU2013141315/28 A RU 2013141315/28A RU 2013141315 A RU2013141315 A RU 2013141315A RU 2539771 C1 RU2539771 C1 RU 2539771C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
antenna
film
superconductor
detector
Prior art date
Application number
RU2013141315/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрий Евгеньевич Григорашвили
Тимур Владимирович Бабушкин
Елена Викторовна Полякова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ)
Priority to RU2013141315/28A priority Critical patent/RU2539771C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2539771C1 publication Critical patent/RU2539771C1/ru

Links

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

Использование: для получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает в себя формирование пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, который представляет собой монофазный текстурированный сверхпроводник состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10, на диэлектрической подложке методом магнетронного распыления из мишени, изготовление чувствительного элемента, антенны и подводящих линий выполняется в едином процессе на одном слое образованной пленки ВТСП (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10. Технический результат: обеспечение возможности повышения рабочей температуры детектора терагерцевого излучения и расширения частотного диапазона приемной антенны, увеличение надежности прибора.

Description

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».
Известен способ изготовления источника и детектора терагерцового излучения на внутренних джозефсоновских переходах высокотемпературных сверхпроводников [2]. Слой монокристаллической сверхпроводящей мезаструктуры состава Bi2Sr2CaCu2O8+X или Tl2Ba2Ca2Cu3O10+X 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.
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 YBa2Cu3O7-δ толщиной 40-50 нм, выращенных магнетронным распылением на подложках LaAlO3 и CeO2 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 3,5·10-9 Вт/Гц1/2.
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)2Sr2Ca2Cu3O10 (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.
Это достигается тем, что чувствительный элемент, антенна и подводящие линии сделаны в едином слое монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 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).
Работа устройства осуществляется следующим образом. Чувствительный элемент охлаждается до температуры полного резистивного нуля Tce. 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.
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 мм2 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.
Получившиеся детекторы имеют структуру монофазного текстурированного высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 с температурой начала сверхпроводящего перехода 110K, резистивным нулем при 107K, критическая плотность тока при температуре кипения жидкого азота 105 А/см2, критический ток чувствительного элемента 0,2 мА.
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 мкм2.
Верхняя граница частотного диапазона работы антенны определяется шириной энергетической щели сверхпроводника. Ширина энергетической щели для системы Bi-2223 при температуре кипения жидкого азота 16,6·10-3 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 10,6·10-3 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.
Для описанной структуры получено значение эквивалентной мощности шума 3,1·10-10 Вт/Гц1/2.
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.

Claims (1)

  1. Способ изготовления сверхпроводникового детектора, включающий формирование пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала на диэлектрической подложке методом магнетронного распыления из мишени стехиометрического состава, изготовление чувствительного элемента, антенны для приема электромагнитных волн терагерцового диапазона и подводящих линий, отличающийся тем, что материал пленки представляет собой монофазный текстурированный высокотемпературный сверхпроводник состава (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3010, а чувствительный элемент, антенна и подводящие линии выполняются в едином процессе фотолитографии на одном слое образованной пленки ВТСП (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10.
RU2013141315/28A 2013-09-10 2013-09-10 Способ изготовления сверхпроводникового детектора RU2539771C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013141315/28A RU2539771C1 (ru) 2013-09-10 2013-09-10 Способ изготовления сверхпроводникового детектора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013141315/28A RU2539771C1 (ru) 2013-09-10 2013-09-10 Способ изготовления сверхпроводникового детектора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2539771C1 true RU2539771C1 (ru) 2015-01-27

Family

ID=53286640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013141315/28A RU2539771C1 (ru) 2013-09-10 2013-09-10 Способ изготовления сверхпроводникового детектора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539771C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU176010U1 (ru) * 2017-05-17 2017-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Оптоволоконный сверхпроводниковый однофотонный детектор
RU2808394C1 (ru) * 2023-07-24 2023-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Терагерцовая фотоника" Детектор терагерцевого излучения на основе тонкопленочных термоэлектрических структур висмута и сурьмы

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040149983A1 (en) * 2003-01-30 2004-08-05 Pohang University Of Science And Technology Foundation Terahertz electromagnetic wave radiation and detection device using high-Tc superconducting intrinsic josephson junctions, and fabrication method thereof
RU2327253C2 (ru) * 2006-08-15 2008-06-20 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами
RU2476373C1 (ru) * 2011-06-16 2013-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") Способ изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040149983A1 (en) * 2003-01-30 2004-08-05 Pohang University Of Science And Technology Foundation Terahertz electromagnetic wave radiation and detection device using high-Tc superconducting intrinsic josephson junctions, and fabrication method thereof
RU2327253C2 (ru) * 2006-08-15 2008-06-20 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами
RU2476373C1 (ru) * 2011-06-16 2013-02-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") Способ изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Терагерцовый отклик болометров на основе тонких пленок YBCO//Смирнов А.В. и др.//Журнал технической физики, 2012, т.82, вып.12, с.108-111. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU176010U1 (ru) * 2017-05-17 2017-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Оптоволоконный сверхпроводниковый однофотонный детектор
RU2808394C1 (ru) * 2023-07-24 2023-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Терагерцовая фотоника" Детектор терагерцевого излучения на основе тонкопленочных термоэлектрических структур висмута и сурьмы

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Barner et al. All a‐axis oriented YBa2Cu3O7− y‐PrBa2Cu3O7− z‐YBa2Cu3O7− y Josephson devices operating at 80 K
Mizuno et al. Fabrication of thin‐film‐type Josephson junctions using a Bi‐Sr‐Ca‐Cu‐O/Bi‐Sr‐Cu‐O/Bi‐Sr‐Ca‐Cu‐O structure
KR910002311B1 (ko) 초전도 디바이스
US8055318B1 (en) Superconducting integrated circuit technology using iron-arsenic compounds
US5250817A (en) Alkali barrier superconductor Josephson junction and circuit
Chaudhuri et al. Infrared pulsed laser deposition of niobium nitride thin films
RU2539771C1 (ru) Способ изготовления сверхпроводникового детектора
Dömel et al. Resonant tunneling transport across YBa2Cu3O7–SrRuO3 interfaces
Missert et al. Growth and characterization of YBCO/insulator/YBCO trilayers
Uzun et al. Fabrication of high-Tc superconducting multilayer structure with YBa2Cu3O7− x thin films separated by SrTiO3 interlayers
Villegier et al. In-situ deposition and processing of YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7-x/films and multilayers for optoelectronic devices
Kreisler et al. New Trend in THz Detection: High Tc Superconducting Hot Electron Bolometer Technology May Exhibit Advantage vs Low Tc Devices
Alff et al. Ramp-edge Josephson junctions with Nd1. 85Ce0. 15CuO4− y barriers
Sanders et al. Evidence for tunneling and magnetic scattering at in situ YBCO/noble-metal interfaces
Villegier et al. Y Ba Cu O-based multilayers for optoelectronic devices
Satoh et al. High-temperature superconducting edge junctions with modified interface barriers
Grib et al. Experimental and theoretical investigation on high-Tc superconducting intrinsic Josephson junctions
RU2308123C1 (ru) Способ изготовления сверхпроводникового прибора
Ying et al. All‐YBa2Cu3O7 trilayer tunnel junctions with Sr2AlTaO6 barrier
Camerlingo et al. Preliminary results on tunnel junctions on YBCO bulk with an artificial barrier
JP3216089B2 (ja) 超電導デバイスの製造方法並びにそれを用いた超電導トランジスタ
JP3379533B2 (ja) 超電導デバイスの製造方法
Vale et al. Small area Y-Ba-Cu-O thin films for applications in hot-electron bolometers
James et al. Superconducting YBa2Cu3O7 films on Si and GaAs with conducting indium tin oxide buffer layers
Talvacchio et al. Oxidation of multilayer HTS digital circuits

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200911