太赫兹超导探测机理及器件制备研究

Superconducting terahertz detectors have many important application,and become a research hotspot at home and abroad.Compared to other type detectors,STJ terahertz detector has many technical advantages, so the research to it has important scientific significance and value. According to the previous theoretical studies and experimental results, this project further study of superconducting terahertz detecting mechanism and sample preparation technology. Through set up the equivalent model of superconducting tunnel junction in terahertz frequency range, the relations between superconducting tunnel junction parameters to detector performance parameters would be revealed.By using multiple single junction resonator to construct impedance network matching to the broadband logarithmic antenna and parallel biasing, it is a new circuit topology to significantly improve the performance of superconducting detector, reduce the preparation difficulty. The project also carry out single crystal AlN barrier layer of superconducting tunnel junctions on the preparation of high performance detector, exploration of tunnel junctions with very low leakage current. Finally, superconducting terahertz detector samples will be prepared which work at 0.65THz with bandwidth greater than 5%, and the NEP is less than 1x10-13W / Hz1 / 2. The related technical problems in this project have be made a full analysis and prepared the feasible technical solutions. The relation study in advance in Nanjing University and the existing research conditions laied a good foundation for this project.

超导太赫兹探测器因有很多重要应用需求而成为国内外研究的热点。相对其它类型的探测器它具有很多技术优势，对它的研究有着重要的科学研究意义和价值。本项目依据前人的理论研究和实验结果，进一步研究超导太赫兹探测器的探测机理和样品制备技术。通过建立太赫兹频段内的超导隧道结(STJ)高频等效模型来研究超导结参数与探测器性能参数的关系，仿真设计宽带对数天线，采用多个单结谐振器阻抗匹配网络和并联偏置方式这一新颖电路拓扑来显著提高超导探测器的性能，降低探测器的制备难度。本项目还开展单晶AlN势垒层的超导隧道结的制备研究，探索高性能探测器对隧道结的极低漏电流的严格要求。研究制备0.65THz带宽大于5%，NEP小于1x10-13W/Hz1/2的超导太赫兹探测器样品。对相关技术难题做了较充分的分析并准备了可行的技术解决方案。本单位的先期研究基础和已有的研究条件为本项目研究奠定了良好的基础。

在无线通信、、近地轨道飞行物的监测、反恐缉毒、DNA的探测、药物的分析、新材料分析测试、光谱探测、环境检测、医疗诊断、卫星通讯和军用雷达等方面需要微弱太赫兹信号的探测器。超导太赫兹探测器相对其它类型的探测器具有很多技术优势，对它的研究有着重要的科学研究意义和价值。.本项目开展了如下几方面内容的研究，并取得相应的研究结果。.1..超导探测器机理研究。超导隧道结探测器是利用其单电子隧穿电流对外加电磁信号具有十分灵敏的响应特性而工作的。研究结果表明：超导探测器的灵敏度主要由超导隧道结的漏电流决定。改善太赫兹信号与超导隧道结能量耦合，降低超导隧道结的漏电流是提高探测器灵敏度的技术关键。对应的超导隧道结研制的核心技术是高质量的势垒层和绝缘层的制备。.2..将探测器带宽指标由原来的5%提高到10%，完成了两种阻抗匹配网络的超导探测器设计，分析了两套方案的优缺点，结合我们的实验条件，明确了本项目的技术路线。.3..设计了探测器的工艺制备流程，设计了探测器芯片版图。.4..研究了超导隧道结关健技术。包括高Tc低应力的超导Nb膜和Al膜的直流磁控溅射制备技术；AlN势垒层的制备技术；隧道结绝缘层的PECVD制备技术；太赫兹超导探测器芯片制备技术。关键技术获得突破，结特征电压Vm达到60mV，漏电流小于2uA。制备出性能良好的太赫兹超导探测器样品。.5..探索了超导结制备新技术。包括斜蒸发制结技术和“两步法”制结技术，掌握了对应的制备技术参数，成功制备出Al/AlOx/Al超导隧道结。可将它们应用于超导量子比特和单光子探测器相关器件的研制。.6..搭建了太赫兹超导探测器高低频特性测量系统。构建了探测器测量系统中的偏置电路和信号读出电路。在液氦温度下，测试了探测器的高频响应特性，中心频率0.65THz，响应带宽67GHz，噪声等效功率NEP约为1.1x10-14W/Hz1/2。研制的太赫兹超导探测器性能测试结果达到或超过了项目计划书的预定指标要求。