[發明專利]氮化鋁基石墨烯TES超導器件及其制作方法

在審

• 申請號: 201810733474.5
• 申請日: 2018-07-06
• 公開（公告）號: CN108899412A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（設計）人: 胡海濤
• 申請（專利權）人: 江蘇心磁超導體有限公司
• 主分類號: H01L39/12
• 分類號: H01L39/12;H01L39/24;G01J5/20
• 代理公司: 石家莊輕拓知識產權代理事務所(普通合伙) 13128
• 代理人: 王占華

本發明公開了一種氮化鋁基石墨烯TES超導器件及其制作方法，涉及太赫茲器件技術領域。所述TES器件采用在氮化鋁襯底層上轉移一層CVD生長的單層石墨烯作為熱沉基板，在石墨烯上制作超導薄膜，實現對太赫茲波的探測。所述器件的制作工藝簡單，與現有TES器件工藝兼容；采用氮化鋁作為襯底，其散熱系數優于原來的硅基方案；采用CVD生長的二維高散熱率石墨烯材料作為聲子耦合材料，熱耦合系數更高，因此所述TES器件的有效恢復時間更短，響應速率更高。

技術領域

本發明涉及太赫茲器件技術領域，尤其涉及一種氮化鋁基石墨烯TES超導器件及其制作方法。

背景技術

太赫茲波是指頻率在 100GHz-10THz范圍內的電磁波，與毫米波的高端、亞毫米波及遠紅外有所交疊，處于宏觀電子學向微觀光子學的過度領域。太赫茲波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域，給技術創新、國民經濟發展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇。在太赫茲的研究方向主要為源，探測和傳輸。在太赫茲的探測技術中，分為常溫探測和超導體低溫探測，常溫探測由于受到室溫量子極限的限制，其探測靈敏度一般低于超導體的探測靈敏度。因此基于超導體的太赫茲探測器受到關注。其中探測靈敏度最高的當數超導轉變邊沿探測器。

超導轉變邊沿探測器是采用超導轉變邊沿傳感器 (transition edge sensor，TES) 作為溫度計的一類低溫超導探測器，偏置在正常態至超導態轉變區域內的一層超導薄膜，利用其在轉變區域內陡峭的電阻-溫度(R-T)關系，可以作為高靈敏的溫度計使用。為了降低探測器的噪聲， TES 溫度計通常采用超導轉變溫度(transition temperature，Tc)為幾百mK的超導薄膜。TES溫度計采用的電壓偏置給系統引入了電熱負反饋，使超導TES探測器在噪聲特性、響應線性度、響應速度等方面與采用其他溫度計技術的熱探測器相比具有明顯的優勢。此外， 超導TES探測器還具有適用波長范圍廣、易開發單片集成探測器陣列并可用超導量子干涉 (superconducting quantum interference device， SQUID)放大器對探測器陣列實現復用讀出等特點。因此，該類探測器在近十多年來被廣泛應用于較長波段范圍內的光探測，如作為輻射熱探測器構成天文宇宙學實驗中的探測焦平面， 用來探測宇宙中的太赫茲波、毫米波和微米波。

目前應用于太赫茲波的TES傳感器，多是基于硅基材料來實現，由于硅材料在散熱方面散熱系數不佳，導致超導體中聲子系統和硅基熱沉之間強熱耦合不佳，影響了TES探測器的有效恢復時間，限制了其相應速率。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是如何提供一種有效恢復時間更短，響應速率更高的氮化鋁基石墨烯TES超導器件。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種氮化鋁基石墨烯TES超導器件，其特征在于：包括氮化鋁襯底層，所述氮化鋁襯底層的上側設置有石墨烯層，所述石墨烯層的上側設置有超導薄膜層。

進一步的技術方案在于：所述器件還包括位于石墨烯層與所述超導薄膜層之間的Ti 薄膜層。

進一步的技術方案在于：所述超導薄膜層包括位于下側的聲子超導薄膜層以及位于上側的電子超導薄膜層。

優選的，所述聲子超導薄膜層的制作材料為Au或Pd。

優選的，所述電子超導薄膜層的制作材料為Ti。

本發明還公開了一種氮化鋁基石墨烯TES超導器件的制作方法，其特征在于包括如下步驟：

在氮化鋁襯底層上轉移一層單層石墨烯層作為熱沉基板；

在所述石墨烯層上制作超導薄膜層，通過所述超導薄膜層實現對太赫茲波的探測。

進一步的技術方案在于：所述石墨烯層采用CVD生長獲得。