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超导NbN材料,相对于其它一些低温超导材料而言,具有较高的工作温度和工作频率,已成为目前超导器件的主要制备材料之一。基于NbN/AlN/NbN三层结构的超导SIS结器件,由于材料的能隙频率在1.4THz,可寄希望在1THz频段的外差接收技术中具有良好的噪声特性。基于NbN超薄薄膜的超导热电子HEB(Hot Electron Bolometer)混频技术,是利用超导超薄薄膜的强非线性电阻--温度(R-T)效应来实现高灵敏度和宽瞬时带宽的外差混频技术。而且,这种NbNHEB混频技术不受NbN的能隙频率的限制,是目前1THz以上频段的最佳候选检测技术。上述这些超导混频技术都具有所需本振信号功率低、噪声性能好的特点,提供了一个很好的THz信号检测的工作平台。
本文针对SIS结和HEB器件的制备工艺进行了一系列的研究。
一、超导NbN/AlN/NbN SIS结的工艺研究
在超导NbN SIS结的制备过程中,比较研究了器件制备的正向工艺流程和反向工艺流程,文章主要研究了器件制备的正向工艺。超导SIS器件的正向工艺制备流程如下:
1、直流磁控溅射制备NbN/AlN/NbN三层结构;
2、光刻出底电极图形;
3、RIE刻蚀出底电极;
4、在底电极上光刻出四个结区图形;
5、RIE刻蚀出结区;
6、利用射频磁控溅射生长AlN绝缘层;
7、光刻出上电极,lift-off生长上电极,完成SIS结的制备。
二、HEB的设计与工艺研究
1.超导NbN HEB器件主要由电极,微桥和天线组成。我们所设计的电极为6um×6um的正方形,微桥的尺寸长度为0.4um~0.8um,宽度为2um~4um,天线为平面等角螺旋天线。根据不同的实验要求,我们设计了0.08~1.6THz、0.5~4THz、0.8~5THz等三个不同频段的超导NbN HEB器件。通过多次的制备工艺研究,制备出这些器件。
2.HEB器件的制备对工艺的要求非常高,在前人的研究基础上,我们对超导HEB器件的制备工艺进行了一些改进,改进后的工艺制备流程如下:
1)直流磁控溅射制备一层约3nm厚的超薄NbN薄膜;
2)利用电子束曝光技术刻出电极图形;
3)利用磁控溅射和lift-off技术生长5nm NbN和50nm Au双层电极;
4)光刻出微桥图形,RIE刻蚀出微桥;
5)光刻天线图形,lift-off技术生长约250nm Au天线,完成器件的制备。
3.通过对HEB器件的制备工艺实践和制备研究中的经验体会,改进了超导NbNHEB器件的掩模板设计,提高了器件制备的速度和器件的成品率。
通过对超导HEB器件的设计和制备工艺的改进,我们成功的刻蚀出了0.4um×2um的微桥图形,制备出一批性能优良的超导NbN HEB器件,并在THz接收实验中证实了器件的优异特性。