超导薄膜与硅锗异质结相耦合的量子隧穿效应研究及器件制备方法探索

To address the challenge of the high sensitive practical detectors for THz frequencies, to breakthrough the limits of resistance and capacitance in Si/SiGe HBT devices for high frequencies' application, a new method of Si/SiGe HBT quantum tunneling assisted by superconducting film is proposed. The effort is based on the energy band distribution，the electron mobility theory for Si/SiGe HBT in cryogenic, superconducting properties and temperature distribution. The research is focused on the energy transmission by superconducting film and the mechanism of quantum tunneling effect with superconducting film and Si/SiGe HBT. We try to design a backward diode with Si/SiGe and superconducting film on the basis of the existed model and the theory of quantum tunneling effect assisted by superconducting film. We try to explore on the processing of the fabrication for the Si/SiGe device with superconducting film, which is based on Electron beam lithography and electron beam annealing for depositing the superconducting MgB2 thin films. The prototype of the device will be fabricated and the characters, like voltage sensitivity and NEP will be measured. The research will be benefit on the practical application for superconducting technology. It can help the imaging for THz frequencies on space exploration, basic scientific research, medical non-destructive testing and national security system.

为满足太赫兹信号探测中高灵敏度、实用化器件的研发需求，突破硅锗异质结在高频信号检测器研制中结电阻与结电容设计的局限，提出利用超导薄膜辅助硅锗异质结，提高其低温下的量子隧穿器件性能、实现太赫兹信号探测的新方案。拟以硅锗异质结的能带分布与载流子迁移理论为基础，结合超导薄膜特性与温度场分布，研究超导薄膜辅助的基于量子隧穿效应的载流子输运规律；基于硅锗异质结反向二极管器件设计模型，研究超导薄膜与硅锗异质结相耦合的量子隧穿反向二极管器件的优化设计模型；在电子束退火制备MgB2超导薄膜工艺基础上，探索超导薄膜与硅锗异质结相耦合的微纳结构的电子束加工工艺，制备工作频率>0.1THz的超导薄膜反向二极管器件原型，研究器件的电压灵敏度、噪声等参数及其影响因素。本研究结果可用于指导深空探测、基础科学研究的太赫兹信号成像与频谱分析系统研制，在国家安全及医疗无损检测方面也具有广阔的应用前景。

太赫兹频段信号的开发利用对于材料科学的基础研究、雷达通讯应用研究都具有重要意义，该技术目前发展尚不成熟，其瓶颈问题之一在于开发高灵敏度、高分辨率的太赫兹信号探测器。本研究针对太赫兹信号探测系统的关键器件研制需求，提出了超导异质结与低温半导体相结合的太赫兹信号检测系统设计方案，以电子束退火工艺制备MgB2超导薄膜与半导体材料相结合的超导异质结，通过超导异质结的量子隧穿效应分析载流子的输运机制，获得超导异质结与低温二极管相结合的等效电路图，为太赫兹频段信号的探测系统构建提供新思路。. 本研究的主要内容包括：1.低温下硅锗异质结结构载流子迁移理论的研究与异质结结构的最优化设计；2.超导体与半导体相结合的超导异质结量子隧穿效应及载流子输运机理研究；3.超导薄膜与半导体材料相结合的高频信号检测器件结构设计；4.基于电子束退火加工技术的超导异质结原型结构的制备工艺研究。. 本研究取得的重要成果主要表现在以下几个方面：1.对超导异质结的量子隧穿过程进行了解析，研究了超导异质结与半导体相结合的理论模型，获得了此过程中载流子输运过程的计算分析方法与高频检测系统的等效电路，为超导异质结应用于太赫兹高频检测的系统设计与特性分析提供了理论基础。2.用电子束快速退火的方法制备了单节超导异质结，包括超导SIS结与超导微桥结，通过特性曲线实测获得其等效电路参数，利用等效电路进行了器件系统工作特性分析，电路的工作频率>0.1THz，突破了制备超导异质结与半导体相结合的高频检测器件的关键环节，为器件系统的构建和制备提供了重要支撑。3.突破了使用电子束快速退火方法进行超导异质结制备的工艺难点，获得了电子束温度场分布、超导薄膜气泡消除等多项具有指导意义的工艺流程与参数调控方法，对于电子束快速退火在材料改性方面特别是在超导材料制备方面的加工工艺探索具有重要意义。