матрица сверхпроводящих детекторов субмиллиметрового и дальнего инфракрасного излучения
Классы МПК: | H01L27/14 содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и специально предназначенные как для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию, так и для управления электрической энергией с помощью таких излучений |
Автор(ы): | Гольцман Григорий Наумович (RU), Финкель Матвей Ильич (RU), Селиверстов Сергей Валерьевич (RU), Третьяков Иван Васильевич (RU), Каурова Наталья Сергеевна (RU), Кардакова Анна Игоревна (RU), Ларионов Павел Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский педагогический государственный университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-11-15 публикация патента:
10.05.2014 |
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. Технический результат изобретения заключается в снижении влияния ВЧ-тока каждой планарной антенны на соседние антенны и, как следствие, в уменьшении взаимовлияния соседних антенн друг на друга. Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве содержит соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей. На каждом участке, соединяющем антенны друг с другом, выполнена по меньшей мере одна продольная прорезь или заужение. Этот участок обладает 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. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.
Формула изобретения
1. Матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве, содержащая соединенные друг с другом планарные антенны с интегрированным в каждую элементом, чувствительным к ИК-излучению, причем ветви каждой антенны имеют форму логарифмических спиралей, отличающаяся тем, что на каждом участке, соединяющем антенны друг с другом, выполнена по меньшей мере одна продольная прорезь или заужение.
2. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что прорезь или заужение имеют длину L/4, где L - полная длина ветви антенны, равная максимальной длине волны приемного диапазона.
3. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены параллельно с образованием квадратной решетки.
4. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно с образованием квадратной решетки.
5. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что планарные антенны с интегрированным в каждую чувствительным элементом соединены последовательно и расположены в шахматном порядке с образованием треугольной решетки.
6. Матрица по п.1, отличающаяся тем, что 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.
Описание изобретения к патенту
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
где 0 - радиус окружности, на которой рукава антенны отклоняются от логарифмической формы для включения в антенну нагрузки, - 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:
- прорезь или заужение имеют длину L/4, где - полная длина ветви антенны, равная максимальной длине волны приемного диапазона, max - 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 |
r0 | 0.006 мм | 0.003 мм |
0.3125 | 0.3125 | |
01 | ||
rend | 0.055 мм | 0.027 мм |
Здесь r0 - радиус окружности, на которой ветви антенны отклоняются от логарифмической формы для включения в антенну нагрузки;
- коэффициент плотности закрутки спиральной антенны;
01 - угловое расстояние между спиралями, образующими одну ветвь;
rend - расстояние от центра спиральной антенны до точки соединения антенн.
Класс H01L27/14 содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и специально предназначенные как для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию, так и для управления электрической энергией с помощью таких излучений