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超导NbN、NbTi薄膜及其相关器件的制备研究

刘晓宇  
【摘要】:超导热电子混频器(HEB)具有所需本振功率低,工作频率不受超导能隙频率的限制等优点,在倍受关注的0.1~6THz频段具有无可比拟的优势。所以在天文应用,大气臭氧层检测,以及THz检测成像等方面具有广泛的应用。本论文的主要工作是研究制备超导NbN、NbTi薄膜材料,并基于这些超导薄膜材料设计和制备声子制冷型的HEB混频器。 NbN、NbTi薄膜制备及性能研究 采用磁控溅射技术,通过对不同溅射气压和溅射气体的混合比例的研究,在单晶Si衬底上制备了4-8nm不同厚度的超薄超导NbN薄膜。4nm的NbN薄膜,超导转变温度Tco为7.1K,超导临界电流密度达到了106A/cm2量级。 在溅射研究制备NbN薄膜的同时,利用一块纯度为99.9%,Nb和Ti的质量比是53:47的靶材。系列研究制备了不同厚度的超导NbTi超薄薄膜。通过不断的改进制备工艺,制备出6.5nm超薄NbTi薄膜,其Tco达到6.8K。J。达到106A/cm2量级。 试验中发现,由于NbTi材料的亲氧特性。随着时间的推移,NbTi薄膜的超导特性会迅速下降。为了解决这一问题,在NbTi薄膜的表面制备了一层绝缘的A1N薄膜,用以隔绝NbTi薄膜与空气的接触。改进之后的NbTi薄膜的超导性质不再随时间改变,而且Tco还有所提高。6.5nm厚,覆盖有1nm AlN的NbTi薄膜的Tco达到了7.1K。为下一步制备NbTi HEB器件提供了准备。 HEB器件的性能测试 根据NbN超薄薄膜的超导特性,设计了NbN HEB器件,并通过电子束曝光技术,反应离子束刻蚀技术(RIE),光刻技术等工艺,制备出NbN HEB器件。在NbN HEB器件的关键工艺—微桥制备中,在电极制备前,通过增加离子清洗工艺,改善了NbN微桥的制备质量,获得边缘整齐清晰的0.4×4μm2的微桥结构。保证了NbN HEB器件的性能指标。 在成功制备出NbN HEB器件之后,采用直流电压源偏置电路,测量了HEB的Ⅳ曲线。利用实验室搭建的HEB噪声温度测量系统。测量了NbN HEB器件的噪声温度。NbN HEB对于外来的高频信号具有很高的灵敏度。在1.6THz时。噪声温度可以达到1668K。


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