Сверхпроводниковый электронный болометр

 

Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, а именно к сверхпроводниковым болометрам. Цель изобретения - повышение. процента выхода годных -чувствительныхэлементов болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивления. Это достигается тем, что чувствительный элемент болометра выполнен в виде последовательно -параллельно соединенных полосок сверхпроводника II рода толшиной порядка глубины скин-споя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник ,: топология элемента представляет собой цепь замкнутых четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые, длина больших звеньев равна ширине или длине приемной плошадки, а меньших - порядка ширины полоски, причем заг^Лнутые ломаные полоски соединены последовательно в средней части больших звеньев. 3 ил.

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕО1УБЛИН

«91 «11

А1

H 0l L 39/00

ГОСУДАРСТВЕНЙЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (46) 23. 05. 91. Бюл. Р 19 (21) 4676286/25 (22) 11.04.89 (71) Косковский государственный педагогический институт им.В.И.Ленина (72) Б.N.Âoðîíoâ, Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман, В.Н.Федорец и В.И.Федосов (53) 621.3)7.794(088.8) (56) АпФеев Н.В ° и др. Тепловые приемники излучения. Л.: ГОИ им.С.И.Вавилова, !981, с.l9-20.

Авторское свидетельство СССР

Р 1032959, кл. Н О) L 39/14, 1981. (54) СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЬ1Й

B01IONETP (57) Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, а именно к сверхпроводниковым болометрвм. Цель изобретения — повышение .процента выхода годных чувствительных

Изобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, в именно к сверхпроводниковым болометрам миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазона длин волн, в част" ности к болометрвм на основе традиционных и высокотемпературных сверхпроводников.

Целью изобретения является повышение процента выхода годных чувствительных элементов (ЧЭ) болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивленин.

На Фиг. 1 представлен один из .вариантов топологического рисунка ЧЭ согласно изобоетению.

2 элементов болометров при одновременном обеспечении высокого значения их электрического сопротивления. Это достигается тем, что чувствительный элемент болометрв выполнен в виде последовательно -параллельно соединен ных полосок сверхпроводникв II рода толшиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник, топология эле.мента представляет собой цепь замкнутых четырехзвенных ломаных полоСок, углы между звеньями которых

/ прялке, длина больших звеньев равна и ирине или длине приемной плошвдки, а меньших — порядка ширины полоски, причем замкнутые ломаные полоски соединены последовательно в средней части больших звеньев. 3 ил .

Он включает контактную плошадку

l, замкнутые ломаные четырехзвенные полоски 2, перемычки 3, соединяюшие замкнутые ломаные полоски. На Фиг.2— другой вариант топологического рисунка ЧЭ согласно изобретению; нв

Фиг. 3 — многоэлементный электронный болометр согласно изобретению.

Сушность изобретения заключается в следующем. Иэ сверхпроводниковой пленки на подложке Формируется цепь замкнутых четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые (см.Фиг.l и 2),указанные звмкнутые четырехзвенные ломаные полоски сильно вытянуты вдоль большей стороны и соединены последовательно! 597055 в средней части больших звеньев. Та" . кой топологический рисунок ЧЭ позволяет одновременно получить большое сопротивление элемента н значитель5 ный процент выхода годных структур даже при наличии разрывов сплошности полосок. При той же ширине полоски сопротивление ЧЭ я рассматриваемом случае оказывается всего в 4 раза 10 меньше, чем сопротивление меандра, заполняющего всю приемную плошадку, оцнако, из-за существенно меньшей чувствительности предлагаемой топологии к разрывам сплошности полоски ширина его может быть уменьшена по крайней мере вдвое, т.е. сопротивле" ние в результате может быть равно или более чем у обычной структуры меандра. Слабая чувствительность к 2п разрывам объсняется тем, что даже несколько разрывов в одной половине единичной замкнутой четь|рехзвенной ломаной полоски не прерывают ток во всей структуре (он течет по второй 23 ненарушенной половийе), а большое число последовательно соединенных замкнутых ломаных полосок делает незначительным влияние на свойства всей структуры выхода из строя неко- .30 . торого количества поврежденных по.ловин Фигур. Отказ всей структуры происходит лишь тогда, когда обрывы имеют место одновременно в обеих по35 звенной полоски или когда разрывается достаточно широкая соединительная, перемычка, однако, вероятность этих событий существенно меньше вероятности разрыва обычного меандра. 40

Примером предлагаемого устройства являетсп многоэлементый электронный болометр, приведенный на фиг.3. Опи" сываемая конструкция представляет собой сверхпроводниковые тонкопленочные ЧЭ 4 с контактными плоп1адка ми 5, сформированные на подложке 6, В качестве сверхпроводникового мате-риала для многоэлементного электронного болометра гелиевого уровня применяются тонкие (50"ZO Ц при поверх- . ностном сопротивлении 80"100 Ом/квадрат пленки ниобия, алюминия, а также .сплава молибден"реиий. Нанесение пер" вых двух материалов осуществлялось метбдом исйарения электронной бомбардировкой (для ниобия) и резистивным испарением (в случае алюминия) ° s сверхвысоком вакууме .(остаточное дав« ление !О мм рт.ст., рабочее давление при испарении 10 мм рт.ст.) .

Такой вакуум обеспечивался специально разработанной для этой цели сверхвысоковакуумной установкой, оснащенной цеолитовыми и магниторазрядными насосами. Нанесение пленок молибденрений осуществлялось как магиетронным распылением на установке

УРМ,3.279.017, оснащенной источником магнетройного распыления, так и катодным распылением в триодной системе (на установке УРМ3,279.014. Подложками для Фотоприемников гелиевого уровня служили полированный лейкосапФир толщиной 0,3-0,5 мм и кварц толщиной 0,1 0,25 мм. Формирование топо- . логического рисунка ЧЭ по Фиг.2 осуществлялось как методами фотолитограФии с применением фотошаблонов, из" готовленных электронной литографией, ( так и прямой электронной литограФией.

Ширина полоски, образующей замкнутую четырехзвенную прямоугольную структу- .

ðó- составляла 0,8 мкм, длина большей стороны прямоугольной Фигуры 500 мкм, длина меньшей стороны 3 мкм, размеры соединительных перемычек 30 30 мкм.

Один ЧЭ содержит 210 последовательно соединенных замкнутых четырехэвенных

Фигур. Электрическое сопротивление

ЧЭ составляет 5 )О Ом. Контакты к . с сверхпроводниковым структурам Формировались методом обратной литограФии и изготавливались из алюминия толщи- ной 0„5.мкм, нанесенного вакуумным испарением.

Иногоэлементый электронный болометр азотного уровня также реализует" ся в конструкции, представленной на

Фиг.3. Однако подложкой в этом слу" чае служит сапфир толщиной 0,3-0,5 мм. с нанесенными на него структурообразующими подслоями SrTi0>ZrO< или ВаУ толщиной 0,1-0,5 мкм. Сверхпроводниковым материалом азотного уровня является пленка ТВа и О„ „ толщиной. О,!-0,15 мкм, нанесенйая на подложку лазерным испарением. В дальнейшем структура отжигвлась в кислороде в печи СДО 125/3 при температуре 930 С.

Формирование топологии ЧЭ (см.фиг.1), s этом случае осуществлялось мето дом Фотолитографии и ионного травле-, ния (также, «ак в случае болометров гелиевого уровня, здесь применялись

Фотошаблоны, изготовленные электрон25

5 1 5970 ной литографией). Характеристические размеры структуры приведены вьппе.

Контакты иэ серебра толщиной 0,5 мкм

Формировались методом обратной ли" тографии.

На заключительной стадии изготовления болометров как гелиевого, так и азотного уровней подложки со структурами разделялись на отдельные l0 фрагменты, которые монтировались в стандартный корпус, после чего. проводилась разварка микропроволочных выводов с контактных площадок структуры на траверсы корпуса. 15

Конструкция ЧЭ, приведенная на

Фиг.2, отличается от конструкции, представленной на Фиг.j, лишь формой перемычек, соединяющих замкнутые ло,маные четырехзвенные полоски. Кон- 20 струкция, приведенная на Фиг.2, является более предпочтительной, так как при ее Формировании,не возникает трудностей, присущих процессам Фор" мирования ЧЭ., представленного на .

Фиг.), обусловленных существенно pasличными размерами полосок (обычно субмикранными) и перемычек. Сверхпроводниковый электронный болометр предлагаемой конструкции Функционирует 30 следующим образом. Fro ориентируют так, чтобы плоскость ЧЭ располагалась под заданным углом (в настояшем примере перпендикулярно) к направлению распространения принимаемого иэ"

35 лучения, и помеп ают в жидкий гелий или его пары, в случае, если сверхпроводниковый ЧЭ выполнен из традиционного низкотемпературного сверхпроводника, например из ниобия. В случае, если чувствительный элемент выполнен из высокотемпературного сверхпроводника, например. из YB+u О „ болометр помешак>т в жидкий азот или в пары азота. (Для понижения крити- 45 ческой температуры сверхпроводящего перехода с помощью магнитного поля устройство может быть помещено в сверхпроводяший соленоид, Контакты болометра подклкчаютс к источнику постоянного тока и к регистрирующему прибору. Энергия падакшего излучения. поглошается ЧЭ и поступает в электронную подсистему сверхпроводника, что приводит к разогреву электронов.

Так как в области сверхпроводящего перехода сопротивление сильно зависит от электронной температуры, то при Облучении изменяется сопротивление ЧЗ, что и регистрируется прибором.

Технико-экономическая эффективность заключается в существенном повьппении процента выхода годных изделий. Рроцент выхода для обычных мевндровых структур составил 60Х (бракованными считались структуры с обрывом). Для структур по изобретению из 1000 образцов бракованнь|х оказалось 2 шт.

Электрическое сопротивление годных структур по сравнению с прототипом практически не изменилось. формула изобретения

Сверхпроводниковый электронный болометр миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, сос.— тоящий из размещенной на диэлектрической подложке приемной плошадки, представляющей собой чувствительный элемент. в виде последовательно-параллельных полосок сверхпроводника EI рода толщиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля в сверхпроводник, о т л и ч а ю— ш и и с я тем, что, с целью повьппения процента выхода годных чувстви- тельных элементов и обеспечения высокого значения их электрического сопротивления, элемент выполнен в виде цепи замкнутых.четырехзвенных ломаных полосок, углы между звеньями которых прямые, длина больп1их звеньев равна ширине или длине приемной площадки, а менвших — порядка ширины полоски, причем замкнутые ломаные полоски соединены последовательно в

Ф средней части больших звеньев.

)591055 д . iJ

ЦРР

Составитель P.. Вахтин Редактор Н. Коляда Техред И.Ходанич Корректор Т.Рал ен

Заказ 2451 Тираж 372 Подписное

ВНИЙПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.. Гагарина, 101