一種用于探測太赫茲信號的測輻射熱儀

魯學會

(上海衛星工程研究所，上海200240)

1 引言

測輻射熱儀廣泛應用在遠距離遙感、等離子體探測、通信、核物理、X－射線光譜分析等方面［1］。測輻射熱儀在太赫茲頻段(0.1～10 THz)，可應用于材料的檢測、安檢、星系的和天文學發現等方面，常見的測輻射熱儀的制備材料有Ge和Si基片測輻射熱儀［2］、Nb 或 NbN 熱電子輻射熱儀［3－4］、YBaC-uO 輻射熱儀［5］、超導隧道節檢測器［6－7］、超導轉變溫度邊緣探測器等［8－9］。測輻射熱儀的重要系統指標有電壓響應率、等效噪聲功率(NEP)、響應時間等，在器件的測量等方面要便于操作，器件的電阻溫度系數在電壓響應率方面起著重要作用。上述提及的各種測輻射熱儀一部分需要工作在液氦溫度下，而另一些器件在很多應用場合靈敏度不高，我們感興趣的是在室溫下能夠有很高的靈敏度和低的等效噪聲功率(NEP)的測輻射熱儀［10－11］。

人們一般采用Bi和 Nb作為室溫檢測測輻射熱儀的材料，有關報道的Nb測輻射熱儀在毫米波的等效噪聲功率(NEP)，在調制頻率為1kHz時約為而空氣橋 Bi測輻射熱儀在調制頻率為50 kHz時等效噪聲功率達到4.0×然而包括Nb在內的金屬材料測輻射熱儀，由于其正的電阻溫度系數會導致較高的熱損耗，在其工作溫度范圍之外會導致器件性能不穩定，因而限制了其應用范圍。

通過射頻磁控濺射的方法，制備了在室溫下電阻溫度系數高達－0.7%K－1的Nb5N6薄膜，遠高于Nb(0.1%)［11］和 Bi(－0.3%)［12］，因此該材料非常適宜于制備測輻射熱儀，本文詳細介紹了Nb5N6測輻射熱儀器件設計、制備和測量等過程，并且同其他室溫器件在電壓響應率和等效噪聲溫度等方面作一下對比。

2 器件制備和電子學測量

在混合氣體(N2∶Ar=4∶1)壓強為2Pa的條件下，采用射頻磁控濺射的方法，Nb5N6薄膜生長在高阻單晶硅(電阻率ρ＞1000Ω·cm)基片上，為了獲得更高的電阻溫度系數，用熱生長的方法在高阻單晶硅基片上生長了一層厚度約為100 nm的SiO2絕熱層。濺射過程中，樣品的托板采用水冷，射頻功率保持在350 W，直流偏置電壓約為450～500 V，濺射完成后，薄膜樣品在充氮的環境下退火處理約1小時。Nb5N6薄膜的生長厚度約為60 nm，采用4探針測量電阻的方法，測得該條件下薄膜的平方單位電阻約為(1000±100)Ω。

Nb5N6測輻射熱儀中通過濺射Al薄膜來準備高頻信號接收的蝴蝶結天線，天線的厚度約為220 nm，Nb5N6薄膜置于天線的中間位置，然后采用反應離子刻蝕(RIE)的方法，在Nb5N6薄膜下挖出SiO2空氣橋。為了獲得高頻信號的高效接收，測輻射熱儀的阻抗必須同天線的阻抗匹配，由于Nb5N6的平方電阻較大，選擇測輻射熱儀和天線的匹配阻抗約為1000 Ω。

最終天線的長為 a=2732 μm，寬為 b=120 μm;測輻射熱儀的 Nb5N6薄膜橋的長度為1.5 μm，寬為1 μm。采用高頻電磁波仿真軟件HFSS仿真了該器件的電磁場輻射性能，發現其反射系數S11約為 －16 dB。

表征測輻射熱儀的一個重要參數是等效噪聲功率(NEP)，可以表示為:

式中，Sv為電壓噪聲譜密度為測輻射熱儀關于測量信號的電壓響應率(V/W)，為了測量器件的NEP，首先在偏置電流為－2 mA ～+2 mA的范圍內測量了器件的伏－安特性曲線(I－V)，如圖1所示，其中曲線a表示沒有100 GHz信號輻射，曲線b和曲線c表示有100 GHz信號輻射曲線，左上角插入的曲線表示器件的動態電阻隨電流的變化(dV/dI－I)。

圖1 Nb5N6測輻射熱儀I－V曲線(曲線a，b和c分別表示沒有輻射，和信號輻射強度為－3 dbm和3 dbm，插圖表示沒有信號輻射時的直流動態電阻雖電流(dV/dI－I)的變化曲線)

式中，Z=dV/dI為器件的動態電阻;R=V/I測輻射熱儀的直流電阻，從圖1可以看出Nb5N6測輻射熱儀的電壓響應可以通過式(2)得出，在偏置電壓為0.4 mA的時候約為－400 V/W。測輻射熱儀的噪聲譜密度一般由以下獨立的四部分組成:

從圖1可以看出，我們制備的Nb5N6測輻射熱儀對100 GHz，具有非常靈敏的響應。對于測輻射熱儀而言，如果吸收的微波信號全部轉換為熱量，電壓響應率 κ 可以用 Jones方程［2，14］從 I－ V 曲線得出:(其中 G為有效熱導，k=1.38×10－23J/K為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度);第三項為約瑟夫森噪聲(johnson)=4KTR;最后一項(1/f)為1/f噪聲。對于工作于室溫的測輻射熱儀而言，最低等效噪聲功率取決于聲子噪聲［11］:

測輻射熱儀的有效熱熱導可以表示為:

其中，Ib為偏置電流;Ge為電極的熱導;GSiO2為SiO2空氣橋的熱導;Gair為空氣的熱導，其中Gair數值較小，一般可以忽略。材料的熱導可以表示為［2］:

式中，A為器件有效截面積;l為器件的長度;km為材料的熱導。我們制備的器件中鋁電極的寬度w=1 μ m、厚度 d=220 nm 、長度 l=20 μm，可查得室溫下 Al的熱導為 kAl=237W/(m·K)［15］，電極的有效熱導可以通過式(5)計算得出Ge=2kAlwd/l≈5.2×10－6W/K。對于SiO2空氣橋的熱導可以通過2維Laplace 方程［11］得出:

其中，rSiO2=3 μm 為空氣橋的長度;rNb5N6=1 μm 為器件的尺寸;kSiO2=1.4 W/(m·K)為SiO2在室溫下的熱導［15］，導入式(6)可得 GSiO2=0.96 × 10－6W/K。又偏置電流Ib=0.4 mA，Nb5N6薄膜的電阻溫度系數α=－0.7%K－1，器件的阻抗約為R=1000Ω，因此可得10－6W/K，所以制備的Nb5N6測輻射熱儀的總的熱導G≈7.28×10－6W/K，因此在室溫(T=300K)的時候，制備器件的最低等效噪聲溫度約為NEPlimt=

Nb5N6測輻射熱儀的電壓噪聲譜密度采用低噪放頻譜分析儀(STANFORD RESEARCH SYSTEMS SR560)測得，測量中選擇電壓增益為1000。為了防止外界環境的影響，整個測量均在磁屏蔽室中進行，根據頻譜分析儀的使用手冊，低噪聲放大器的噪聲G為熱導，如果τ在微秒量級，由于調制頻率ωs大約在102～103，因此式(7)分母中的虛部可以忽略，考慮到 κ= －400 V/W、α= －0.7%K－1，和 Ib=0.4 mA，通過計算得出器件的熱導G=5.25×10－6W/K同上述計算結果很好地吻合。

圖2 Nb5N6測輻射熱儀NEP和調制頻率的關系，(曲線a和b分別表示系統和器件的NEP測量曲線)

為了測量N5N6測輻射熱儀的響應時間，采用Agilent E8257D信號源分別在20 GHz和40 GHz輻射頻率下對器件進行了測量，測量結果如圖3所示，從圖中可以看出，在二種輻射頻率下，上升時間(幅度由10% ～90%)大約均在7μs，下降時間(幅度由90% ～10%)大約均在9 μs，因此器件的總的相應時間優于 20 μs。譜密度Sv(amplifier)大約為在0.4 mA的偏置電流下，測得器件在調制頻率為4 kHz的時候器件的噪聲譜密度為當調制頻率達到

測輻射熱儀的吸收功率P由二部分組成，其一是直流功率P0，其二是外界信號輻射的調制功率Psejωst，［2］則測輻射熱儀的電壓響應為［11，16］:

式中，τ=C/G為器件的相應時間，其中C為熱容;

圖3 由Agilent E8257D源產生20GHz和40GHz頻率輻射的Nb5N6測輻射熱儀的響應時間測量

實際運用中，需要將測輻射熱儀和其他相關部分組成一個檢測系統，為了檢測Nb5N6測輻射熱儀的電學性能，搭建了如圖4所示的準光測量系統，100 GHz的輻射信號通過超半球透鏡耦合到蝴蝶結天線，然后再耦合至到測輻射熱儀上，器件的偏置電流Ib由恒流源提供，輸出電壓由鎖相放大器直接讀出，斬波器的頻率調諧范圍是200 Hz～4 kHz。在偏置電流Ib=0.4 mA的時候，實際測得的系統電壓響應率約為－130 V/W，值得指出的是系統的電壓響應率不隨著斬波頻率的變化而變化，充分反映了制備的Nb5N6測輻射熱儀的在低斬波頻率的條件下也具有優異的電壓響應特性。考慮到系統噪聲，在斬波頻率為4 kHz的條件下，實際測量的系統的等效噪聲功率在斬波頻率10 kHz的條件下系統的等效噪聲功率優于(如圖2中曲線a所示)，從圖2可以明顯看出系統和器件的等效噪聲功率相差2～4倍，主要原因是輻射信號透過超半球透鏡有信號損失和蝴蝶結天線耦合的信號損失，可以通過優化器件的結構和提高準光系統的耦合效率來進一步優化系統的等效噪聲功率，提高系統的電學性能。

圖4 準光接收系統

3 結論

設計、制備和測量了一種可以工作在室溫下，進行太赫茲測量的Nb5N6測輻射熱儀，通過射頻磁控濺射的方法在高阻硅基片上生長Nb5N6薄膜，為了降低熱傳導，采取在高阻硅基片上生長了一層SiO2薄膜作為絕熱層，同時在器件的底部挖成空氣橋。在偏置電流為0.4 mA，斬波頻率高于10 kHz時，Nb5N6測輻射熱儀的噪聲譜密度約為斬波頻率200 Hz時器件的等效噪聲功率大約1.5×當斬波頻率高于10 kHz時，器件的等效噪聲功率降至實際測得器件的響應時間優于20 μs;采用準光系統測得的系統的等效噪聲功率在斬波頻率為4 kHz和10 kHz的條件下分別為和 4.2 ×10－11

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