本發(fā)明涉及太赫茲探測，尤其涉及一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器及制備方法。

背景技術(shù)：

1、太赫茲波是指頻率在0.1thz～10thz之間的電磁波，其介于微波與紅外波段之間。目前常見的超導(dǎo)太赫茲直接探測器主要有超導(dǎo)轉(zhuǎn)換邊緣傳感器、超導(dǎo)量子電容探測器以及超導(dǎo)動態(tài)電感探測器。超導(dǎo)動態(tài)電感探測器因?yàn)槠錁O高的靈敏度、頻分復(fù)用讀出方式易于陣列拓展等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲探測、天文探測、量子傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、超導(dǎo)動態(tài)電感探測器主要包括微波傳輸線和超導(dǎo)微波諧振器兩部分。微波諧振器包括一個(gè)叉指電容和一個(gè)電感并聯(lián)，電感部分通常具備耦合光子信號的能力。受限于材料特性以及探測器結(jié)構(gòu)，目前已有的動態(tài)電感探測器穩(wěn)定性較差，在多次溫度循環(huán)后探測靈敏度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器及制備方法，在保證極高靈敏度的同時(shí)具有較高的穩(wěn)定性。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，包括：硅基板以及制作在硅基板上表面的共面波導(dǎo)傳輸線和混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器，混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器由并聯(lián)的雙螺旋形電感和叉指電容組成，雙螺旋形電感采用β-ta薄膜制備，叉指電容采用α-ta薄膜制備。

3、進(jìn)一步的，雙螺旋形電感寬度為1-5μm，間隔與寬度相同。

4、進(jìn)一步的，叉指電容寬度為1-5μm，叉指間隔與寬度相同。

5、進(jìn)一步的，雙螺旋形電感盤旋圈數(shù)為10-20圈，叉指電容的叉指數(shù)為20-80對。

6、進(jìn)一步的，雙螺旋形電感厚度為20-60μm，叉指電容厚度為100-200μm。

7、相應(yīng)的，一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，包括如下步驟：

8、步驟1、準(zhǔn)備好清洗干凈的硅基片；

9、步驟2、采用磁控濺射儀生長一層α-ta薄膜；

10、步驟3、旋涂一層az1500光刻膠；

11、步驟4、用光刻機(jī)將共面波導(dǎo)傳輸線以及叉指電容的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上；

12、步驟5、用zjx-100顯影液將轉(zhuǎn)移到光刻膠上的圖案顯影并固定；

13、步驟6、采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)刻蝕圖案，將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到步驟2生長的α-ta薄膜上；

14、步驟7、清洗干凈步驟6得到的基片上的光刻膠；

15、步驟8、在步驟7清洗后的基片上先旋涂lor-10b光刻膠，再旋涂az1500光刻膠；

16、步驟9、用光刻機(jī)將雙螺旋電感區(qū)域曝光成一個(gè)方形的空白區(qū)域，區(qū)域尺寸比電感輪廓大5-10μm；

17、步驟10、用zjx-100顯影液將光刻膠上的圖案顯影并固定；

18、步驟11、采用磁控濺射儀在步驟10得到的基片上生長一層β-ta薄膜；

19、步驟12、將步驟11得到的基片放置在n-甲基吡咯烷酮中水浴加熱5-20小時(shí)，清洗干凈步驟8旋涂的光刻膠同時(shí)獲得雙螺旋電感區(qū)域的β-ta薄膜；

20、步驟13、在步驟12得到的基片上旋涂一層az1500光刻膠；

21、步驟14、用光刻機(jī)將雙螺旋電感的圖案轉(zhuǎn)移到步驟13得到的光刻膠上；

22、步驟15、用zjx-100顯影液將光刻膠上的圖案顯影并固定；

23、步驟16、采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)刻蝕圖案，將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到步驟11生長的β-ta薄膜上；

24、步驟17、清洗干凈步驟16得到基片上的光刻膠即可得到混合結(jié)構(gòu)的太赫茲超導(dǎo)動態(tài)電感探測器。

25、進(jìn)一步的，步驟1中，硅基片選用高阻硅，并用緩沖氧化物刻蝕液去除表面氧化層。

26、進(jìn)一步的，步驟2中，α-ta在500℃環(huán)境下生長。

27、進(jìn)一步的，步驟3和步驟8中，az1500光刻膠應(yīng)在95℃下烘烤3分鐘。

28、進(jìn)一步的，步驟6和步驟16中，反應(yīng)離子束刻蝕使用四氟化碳作為刻蝕氣體。

29、進(jìn)一步的，步驟8中，lor-10b光刻膠應(yīng)在150℃下烘烤5分鐘。

30、進(jìn)一步的，步驟11中，β-ta在室溫環(huán)境下生長。

31、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提出了α-ta與β-ta混合的結(jié)構(gòu)，利用了α-ta損耗較低以及β-ta動態(tài)電感系數(shù)較大的特點(diǎn)，極大提高的動態(tài)電感探測器的靈敏度，同時(shí)ta具有良好的溫度穩(wěn)定性，在多次冷熱循環(huán)后依然具有良好的探測性能；探測器的靈敏度一般用噪聲等效功率(nep)來描述，噪聲等效功率越小靈敏度越高，探測器噪聲等效功率在低至8×10-19w/hz1/2，在經(jīng)歷了多次冷熱循環(huán)后依然具有極高的靈敏度，經(jīng)過多次冷熱循環(huán)，探測器的品質(zhì)因數(shù)q和噪聲等效功率nep依然維持穩(wěn)定。

技術(shù)特征：

1.一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，其特征在于，包括：硅基板以及制作在硅基板上表面的共面波導(dǎo)傳輸線和混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器，混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器由并聯(lián)的雙螺旋形電感和叉指電容組成，雙螺旋形電感采用β-ta薄膜制備，叉指電容采用α-ta薄膜制備。

2.如權(quán)利要求1所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，其特征在于，雙螺旋形電感寬度為1-5μm，間隔與寬度相同。

3.如權(quán)利要求1所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，其特征在于，叉指電容寬度為1-5μm，叉指間隔與寬度相同。

4.如權(quán)利要求1所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，其特征在于，雙螺旋形電感盤旋圈數(shù)為10-20圈，叉指電容的叉指數(shù)為20-80對。

5.如權(quán)利要求1所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器，其特征在于，雙螺旋形電感厚度為20-60μm，叉指電容厚度為100-200μm。

6.一種如權(quán)利要求1所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.如權(quán)利要求6所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，其特征在于，步驟1中，硅基片選用高阻硅，并用緩沖氧化物刻蝕液去除表面氧化層。

8.如權(quán)利要求6所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，其特征在于，步驟3和步驟8中，az1500光刻膠應(yīng)在95℃下烘烤3分鐘。

9.如權(quán)利要求6所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，其特征在于，步驟6和步驟16中，反應(yīng)離子束刻蝕使用四氟化碳作為刻蝕氣體。

10.如權(quán)利要求6所述的高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器的制備方法，其特征在于，步驟8中，lor-10b光刻膠應(yīng)在150℃下烘烤5分鐘。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高靈敏度高穩(wěn)定性的超導(dǎo)動態(tài)電感探測器及制備方法，包括：硅基板以及制作在硅基板上表面的共面波導(dǎo)傳輸線和混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器，混合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)微波諧振器由并聯(lián)的雙螺旋形電感和叉指電容組成，雙螺旋形電感采用β?Ta薄膜制備，叉指電容采用α?Ta薄膜制備。本發(fā)明提出的混合結(jié)構(gòu)利用了α?Ta低損耗以及β?Ta動態(tài)電感系數(shù)較大的特點(diǎn)，極大提高動態(tài)電感探測器的靈敏度，同時(shí)Ta具有良好的溫度穩(wěn)定性，在多次冷熱循環(huán)后依然具有良好的探測性能；探測器的靈敏度一般用噪聲等效功率來描述，噪聲等效功率越小靈敏度越高，探測器噪聲等效功率低至8×10<supgt;?19</supgt;W/Hz<supgt;1/2</supgt;，且經(jīng)歷了多次溫度循環(huán)后依然具有極高的靈敏度。

技術(shù)研發(fā)人員：陳健,遲天圓,吳敬波,石粒力,蘇潤豐,譚睿,臧思鳴,涂學(xué)湊,金飚兵
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26