Болометры терагерцового диапазона с подвешенным над подложкой поглотителем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-10262

НазваниеБолометры терагерцового диапазона с подвешенным над подложкой поглотителем

Руководитель Юсупов Ренат Альбертович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые слова Терагерцовое излучение, болометр, сверхпроводимость, туннельный переход, СИН переход, СИНИС структура, МИМИМ структура, квантовый детектор

Код ГРНТИ29.03.30

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время приборы и техника терагерцового (ТГц) диапазона находят широкое применение для различных как научных, так и практических приложений: от решения перспективных задач астрономии («холодная» Вселенная, космический микроволновый фон, межзвездное пространство и др.), до медицины (например, создание не инвазивных методов диагностики), систем безопасности (противодействие терроризму, контроль качества), военных приложений (создание защищенной связи, поиск противопехотных мин, обнаружение летательных аппаратов и др.) и даже в искусстве (анализ состава объектов искусства). В связи с этим, интерес представляет создание как устройств генерации, так и приема для этого диапазона. Не смотря на востребованность таких устройств, все еще остаются проблемы создания ТГц техники: повышение чувствительности приемных устройств, разработка новых и совершенствование имеющихся технологий создания таких устройств, разработка новых методов и подходов и др. Настоящий проект направлен на создание современных высокочувствительных приемных устройств этого диапазона на основе структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС). Авторы проекта имеют успешный опыт создания таких болометров, а по полученным экспериментальным данным можно сказать, что СИНИСы являются конкурентноспособной моделью таким мировых лидерам, как болометры на краю сверхпроводящего перехода (БКП) и детекторы на кинетической индуктивности (КИД). Основная цель проекта – повысить чувствительность таких устройств путем создания подвешенного (оторванного от подложки) поглотителя из нормального металла, что позволит снизить потери в подложку. Ранее, командой авторов уже проводились аналогичные исследования, что показало перспективность такой модели (экспериментально была достигнута квантовая эффективность 15 электронов на квант излучения частотой 350 ГГц). Однако, технология создания таких устройств требует доработки, повышения надежности и повторяемости результата, что и будет выполнено в данном проекте. Будут разработаны и исследованы СИНИС структуры с различным материалом в качестве сверхпроводника: алюминий (Тс=1,2К), ниобия (Тс=9,2 К), нитрида ниобия (Тс=16 К). Также, будет проведено исследование характеристик приемных структур типа МИМИМ (металл-изолятор-металл-изолятор-металл) путем увеличения рабочей температур выше критической температуры сверхпроводника в СИНИС болометрах. Для проведения исследований и модернизации экспериментального стенда, авторами проекта будут разработаны и изготовлены специализированные механические и электрические интерфейсы. В первую очередь новизна проекта заключается в создании высокочувствительного болометра с высокой квантовой эффективностью, выполненного по надежной технологии. Современные методы трехмерного электромагнитного моделирования позволят провести оптимизацию параметров разрабатываемых болометров и планарных антенн, с которыми они будут использоваться. Применение магнетронного напыления позволит повысить надежность и воспроизводимость параметров болометров. Разработка и создание более высокотемпературных приемных устройств позволит значительно упростить экспериментальные стенды, ключевым элементом которых является система криостатирования. В сочетании с современными криогенными системами замкнутого цикла возможно создание приборов, не требующих постоянного обслуживания и не потребляющих дорогие (жидкий гелий) криогенные жидкости. Разрабатываемые методы, подходы и технологии могут найти широкое применение для создания сверхпроводниковой электроники, различных устройств на основе туннельных переходов (детекторы, СКВИДы, термометры, электронные охладители), квантовых компьютеров и др. Важно отметить, что весь цикл работ (электродинамическое и численное моделирование, разработка и апробация технологий микро- и наноструктур и экспериментальные исследования) будут полностью выполнены на отечественной базе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработан модернизированный технологический маршрут для изготовления алюминиевых туннельных структур, включающая этапы литографии, нанесение пленок, травления. В связи с тем, что по результатам первых электрических измерений СИНИС структур с переходами Al/AlOx/Pd при температуре 300 мК полученные ВАХ сильно отличались от теоретически ожидаемых, требовались изменения в технологическом маршруте. Поскольку мы связывали такую слабую нелинейность с химической активностью палладия и его влиянием на алюминиевые туннельные барьеры, было предложено использование тонкого (3-7 нм) буферного слоя, перед напылением палладия. Спроектирован новый вариант широполосной синусной антенны и рассчитаны её основные характеристики в диапазоне частот 100 ГГц – 1000 ГГц. Получен более равномерный отклик в диапазоне 200 - 600 ГГц по сравнению с логопериодической антенной аналогичных размеров, что связано с большей площадью заполнения металлизацией. Определен оптимальный импеданс болометрической структуры для согласования с ранее разработанной узкополосной двойной щелевой приемной антенной. Спроектирован обновленный дизайн пластины, содержащей набор тестовых структур с разными геометрическими размерами поглотителей, размерами туннельных переходов и болометрические структуры. По разработанному технологическому маршруту и обновленному дизайну, изготовлена пластины размером 24 x 24 мм, содержащие по 6 образцов размером 7 х 7 мм. Каждый технологический этап контролировался в оптическом микроскопе. Наши исследования показали, что подвешенные поглотители толстого жесткого Nb сохраняют форму, а мостики из тонкого Pd после жидкостного травления провисают и касаются подложки. В результате можно сделать вывод, что для создания структур с подвешенным над подложкой мостиком лучше подходят более жесткие металлы, типа Nb или Hf, а гибкие металлы типа Cu, Pd будут провисать и касаться подложки из-за капиллярных сил. Для таких материалов целесообразно использовать сушку в критической точке CO2. Проведены первые электрические измерения на постоянном токе СИНИС структур с переходами Al/AlOx/Pd при температуре 300 мК в сорбционном криостате на Гелии 3 типа HELIOX-AC-V. Ранее измеренные ВАХ имели слабую нелинейность, отношения сопротивление Rd/Rn не превышало 2, что сильно отличается от теоретически ожидаемых и ранее достигаемых (около 100). Было предложено использование тонкого (3-5 нм) буферного слоя, перед напылением палладия. Исследованы варианты с буферным слоем алюминием и меди. Для данных структур с подслоем меди получены характерные ВАХ СИНИС структур с отношением сопротивлений Rd/Rn до 125 при 300 мК. Отклик по напряжению такой структуры, интегрированной в широкополосную логопериодическую антенну, установленную на линзе, на излучение черного тела с температурой 9 К (мощность излучения, попадающего на антенну оценена около 4 пВт) составила более 15 мкВ. Значения отклика сравнимы с лучшими измеренными откликами для ранее исследуемых структур. Вольт-ваттная чувствительность составила 4·106 В/Вт, без учета оптического тракта и рассогласования используемой логопериодической антенны и СИНИС структуры.

Публикации

1. Юсупов Р.А., Гунбина А.А., Маркина М. А., Тарасов М. А., Фоминский М. Ю., Чекушкин А.М., Эдельман В.С. Изготовление туннельных сверхпроводниковых структур селективным химическим травлением алюминия Журнал технической физики (год публикации - 2025)

2. Маркина М. А., Тарасов М. А., Юсупов Р. А., Хан Ф. В., Фоминский М. Ю., Козулин Р. К., Чекушкин А. М. Термометры на основе НИС переходов диапазона температур 1.5–9.0К Журнал технической физики (год публикации - 2025)

3. Юсупов Р. А., Маркина М. А., Тарасов М. А., Фоминский М. Ю., Чекушкин А. М. Технология изготовления туннельных сверхпроводниковых структур с жидкостным травлением алюминия Тезисы докладов XXIX симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника, стр. 111 (год публикации - 2025)

4. Гунбина А.А. , Тарасов М.А., Чекушкин А.М., Юсупов Р.А. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛАНАРНЫХ АНТЕНН СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА С СИНИС ДЕТЕКТОРАМИ ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, №4, стр. 1-21, (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.4.16

5. Гунбина А.А., Раевский А.С., Камардин А.Д., Капустин С.А., Вдовин В.Ф., Тарасов М.А., Юсупов Р.А. Design and EM modeling of planar antennas with SINIS detectors for radioastronomy 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), pp. 205-209 (год публикации - 2025)
10.1109/RMC62880.2024.10846849

6. Маркина М. А., Чекушкин А. М., Тарасов М. А., Юсупов Р. А. Термометры на основе переходов нормальный металл – изолятор – сверхпроводник в диапазоне температур 1,5–9,0 К Тезисы докладов XXIX симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника, стр. 66 (год публикации - 2025)