Вывешенный сверхпроводящий детектор терагерцового диапазона Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535-1

П.А. Ларионов, С.А. Рябчун, М.И. Финкель, Г.Н. Гольцман Московский педагогический государственный университет

Вывешенный сверхпроводящий детектор терагерцового диапазона

Рассматриваются технологические особенности создания чувствительного вывешенного детектора терагерцевого диапазона на основе плёнки MoRe. Предлагается возможный маршрут создания такого детектора и поясняется выбор материалов, используемых для создания детектора.

Ключевые слова: вывешенный болометр, терагерцовый диапазон, сверхпроводящие пленки.

В настоящее время резко возрос интерес к детекторам терагерцового диапазона, обладающим высокой чувствительностью. Одним из возможных путей создания такого детектора является размещение чувствительного элемента болометра в вывешенном над подложкой состоянии. В этом случае неравновесные фононы уже не могут уходить в подложку, и энергетическая релаксация происходит лишь с использованием диффузионного канала охлаждения, то есть тепло уходит в контакты. Ранее увеличение чувствительности достигалось уменьшением объёма чувствительного элемента детектора и уменьшением рабочей температуры до субкельвиновых температур [1]. Но для этого необходимо дорогостоящее оборудование, и существуют трудности в достижении этих температур. Впервые вывешенный детектор был предложен в работе, но чувствительный элемент детектора был размещён на мембране, для увеличения механической прочности детектора и электрическая эквивалентная мощность шума (electrical NEP) этого детектора составляла 1,4 ■ 10-14 Вт/^ГЦ [2].

Мы создали детектор без мембраны в надежде ещё улучшить значение NEP. В процессе создания вывешенных детекторов нами была проведена работа по выбору диэлектрика. В применении к нашим задачам он должен обладать равномерной структурой без дефектов (пор, микронапряжений в плёнке), стойкостью (долговечностью нахождения в воздухе) и селективностью жидкостного травления относительно сверхпроводника. В нашем распоряжении были моно- и диоксид кремния (SiO, SiO2), оксид магния (MgO) и нитрид кремния (Si3N4). Оксиды кремния имеют низкую селективность травления относительно сверхпроводника, а оксид магния неустойчив на воздухе. Таким образом, всем технологическим требованиям удовлетворяет нитрид кремния. В качестве сверхпроводника был выбран молибден-рений (Mo60Re40), но ведётся работа и с другими сверхпроводниками — ниобием (Nb) и нитридом ниобия (NbN).

Мы выполнили детекторы на подложке из высокоомного кремния. Маршрут их изготовления представлен ниже.

• При создании детектора на кремниевую подложку наносился слой диэлектрика нитрида кремния Si3N4 толщиной 1 мкм, который впоследствии будет удалён из-под мостика. Диэлектрик наносили плазменно-стимулированным осаждением из газовой фазы (PECVD). С помощью этого метода удаётся получить наиболее качественный Si3N4, практически не имеющий пор и обладающий достаточно ровной поверхностью, что важно для последующего нанесения сверхпроводника.

• Сверхпроводник MoRe толщиной 40-50 нм наносился методом магнетронного распыления при постоянном токе.

• Далее были выполнены фото- и электронно-графические знаки совмещения Ti-Au (3-150 нм) методом взрывной (lift-off) фотолитографии и резистивного напыления.

• Чувствительный элемент детектора формировался следующим образом: с помощью взрывной электронной литографии формировался рисунок мостика (длина — l, ширина — w;

l ■ w: 10 х 0,7 мкм2 и 5 х 0,5 мкм2) с прилегающими к нему малыми контактами и методом электронно-лучевого напыления создавался слой защитной металлизации Ti-Au (3-70 нм).

• Контактные площадки Ti-Au (3-150 нм) формировались методом взрывной фотолитографии и резистивного напыления.

• Методом плазмохимического травления удалялся незащищённый металлизацией слой сверхпроводника.

• Далее методом прямой электронной литографии формировалась область под травление.

• Через область под травление с поверхности сверхпроводника удалялся слой защитной металлизации методом селективного жидкостного травления.

• Также из-под сверхпроводника удалялся слой диэлектрика методом селективного изотропного жидкостного травления.

Для повышения чувствительности мостика увеличивалась его длина. В процессе работы были сформированы мостики длиной до 10 мкм. Существенное увеличение длины мостика, а также уменьшение толщины плёнки сверхпроводника ограничено ухудшением механических характеристик мостика, что приводит к деформациям и механическим разрушениям. Микроснимок детектора представлен на рис. 1.

Применение методов сухого изотропного травления может позволить увеличить длину детектора, что в свою очередь должно привести к увеличению его чувствительности.

На данном этапе исследований оптическая эквивалентная мощность шума нашего детектора составляет 1,4 ■ 10-13 Вт/у/Гц на частоте 140 ГГц при температуре сверхпроводящего перехода и 3 ■ 10-10 Вт/уГц на той же частоте при комнатной температуре.

Поисковая научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК №№ П144, П1287, НШ-3265.2010.2, 02.740.11.0251, 02.740.11.0228, 16.740.11.0378, 14.740.11.1074, 16.740.11.0580.

Литература

1. Wai J., Olaya D., Karasik B.S., Pereverzev S.V., Sergeev A.V., Gershenson M.E. Ultrasensitive hot-elektron nanobolometers for terahertz astrophysics // Nature Nanotechnology. — 2008. — V. 3. — P. 496-500.

2. Luukanen A., Pekola J.P. A superconducting antenna-coupled hot-spot microbolometer // Appl. Phys. Lett. — 2003. — V. 82, N 22. — P. 3970-3972.

Рис. 1. Микроснимок вывешенного детектора (air bridge bolometer)

Поступила в редакцию 27.04.2011.