[發明專利]一種基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器制備方法

在審

• 申請號: 202210280244.4
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114674437A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 張文;孔祥東;王爭;李艷麗;史生才;韓立
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: G01J3/45
• 分類號: G01J3/45;H01L39/24
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 張力

本發明公開了一種基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器制備方法，包括在SiC襯底的上表面刻蝕出微橋結構，所述微橋結構定義超導熱電子混頻器的尺寸；在帶有微橋結構的SiC襯底的上表面形成MgB2薄膜并調整MgB2薄膜厚度，使微橋結構的臺階深度遠大于MgB2薄膜的厚度；在MgB2薄膜的上表面形成天線層，所述天線層包括對數螺旋天線、平面雙槽天線、對數周期天線和蝴蝶結天線；去除微橋區和天線層外圍的MgB2薄膜，完成超導熱電子混頻器制備。本發明在避免采用電子束曝光工藝的同時，可以顯著提高基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器的制備靈活性，縮短周期，且操作簡便、性能可靠、適合推廣使用。

技術領域

本發明屬于超導探測器技術領域，具體涉及一種基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器制備方法。

背景技術

太頻茲頻段具有豐富的原子、離子和分子譜線，通過對這些譜線的高頻率分辨率觀測可以研究星系演化等重要科學問題。超導熱電子混頻器是1THz以上靈敏度最高的相干探測器，已經成功應用到多個大型天文項目中，如機載的平流層紅外天文臺(Stratospheric observatory for infrared astronomy)、球載的平流層太赫茲天文臺(Stratospheric Terahertz observatory-2)，以及赫歇爾空間天文臺(Herschel spaceobservatory)，充分說明太赫茲空間天文譜線觀測的重要性。

到目前為止，基于NbN或者NbTiN薄膜的超導熱電子混頻器顯示出優異的性能，其靈敏度已經接近7倍量子噪聲極限。但是，臨界溫度約為10K，工作溫度約為臨界溫度的一半，甚至更低，即4K左右。如此低的工作溫度，給空間制冷技術帶來了巨大的挑戰。如果采用液氦制冷，則需要大量的液氦；如果采用制冷機技術，則需要巨大的功耗。而空間應用對載荷體積、重量、功耗和造價都有嚴格的限制。將超導熱電子混頻器的工作溫度從4K提高到20K，甚至更高，制冷機的功耗將會降低至少一個數量級，必將大大推動超導熱電子混頻器的空間天文應用。

MgB2超導體的臨界溫度接近40K，基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器可以工作在20K，這樣制冷機的功耗可以將低到200W，甚至更低，對于空間應用具有巨大的吸引力。超導熱電子混頻器在參考信號(也稱本振信號)的作用下將待測的太赫茲信號下變頻到更低的頻率，通常為GHz，其所需的本振信號功率為其中γ＝2.1×10-4J/(cm3·K2)是Sommerfeld常數，V和τ_θ分別是超導微橋的體積和響應時間。T_C和ΔT_C分別是超導微橋的臨界溫度和電阻轉變寬度，T為工作溫度。可見所需的本振功率隨著臨界溫度的升高而增加。另一方面，在太赫茲頻段，固態信號源(通常是微波參考信號源和倍頻器的組合)的輸出功率隨著頻率增加呈指數降低，在2.5THz已經降低到1μW左右。因此，為了降低基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器的本振功率需求，要求減小超導微橋的體積。通常采用物理化學氣相沉積法制備MgB2薄膜，MgB2在襯底上呈現島狀生長，薄膜厚度低于10nm會嚴重影響超導薄膜的特性。因此降低微橋尺寸到μm級，甚至更小是行之有效的方法。這時常規的光刻工藝就難以實現亞微米尺度的器件制備，要求采用電子束曝光。而電子束曝光設備極其昂貴，器件制備步驟較多，周期也較長，給實際的基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器研制帶來了挑戰。

有鑒于此，有必要發展一種新的基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器的制備方法以解決上述技術問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器制備方法，可有效解決器件制備成本昂貴、周期長的問題。

為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于MgB2薄膜的超導熱電子混頻器制備方法，包括：

步驟S1：在SiC襯底的上表面刻蝕出微橋結構，所述微橋結構定義超導熱電子混頻器的尺寸；