一种用于探测太赫兹信号的测辐射热仪

鲁学会

(上海卫星工程研究所，上海200240)

1 引言

测辐射热仪广泛应用在远距离遥感、等离子体探测、通信、核物理、X－射线光谱分析等方面［1］。测辐射热仪在太赫兹频段(0.1～10 THz)，可应用于材料的检测、安检、星系的和天文学发现等方面，常见的测辐射热仪的制备材料有Ge和Si基片测辐射热仪［2］、Nb 或 NbN 热电子辐射热仪［3－4］、YBaC-uO 辐射热仪［5］、超导隧道节检测器［6－7］、超导转变温度边缘探测器等［8－9］。测辐射热仪的重要系统指标有电压响应率、等效噪声功率(NEP)、响应时间等，在器件的测量等方面要便于操作，器件的电阻温度系数在电压响应率方面起着重要作用。上述提及的各种测辐射热仪一部分需要工作在液氦温度下，而另一些器件在很多应用场合灵敏度不高，我们感兴趣的是在室温下能够有很高的灵敏度和低的等效噪声功率(NEP)的测辐射热仪［10－11］。

人们一般采用Bi和 Nb作为室温检测测辐射热仪的材料，有关报道的Nb测辐射热仪在毫米波的等效噪声功率(NEP)，在调制频率为1kHz时约为而空气桥 Bi测辐射热仪在调制频率为50 kHz时等效噪声功率达到4.0×然而包括Nb在内的金属材料测辐射热仪，由于其正的电阻温度系数会导致较高的热损耗，在其工作温度范围之外会导致器件性能不稳定，因而限制了其应用范围。

通过射频磁控溅射的方法，制备了在室温下电阻温度系数高达－0.7%K－1的Nb5N6薄膜，远高于Nb(0.1%)［11］和 Bi(－0.3%)［12］，因此该材料非常适宜于制备测辐射热仪，本文详细介绍了Nb5N6测辐射热仪器件设计、制备和测量等过程，并且同其他室温器件在电压响应率和等效噪声温度等方面作一下对比。

2 器件制备和电子学测量

在混合气体(N2∶Ar=4∶1)压强为2Pa的条件下，采用射频磁控溅射的方法，Nb5N6薄膜生长在高阻单晶硅(电阻率ρ＞1000Ω·cm)基片上，为了获得更高的电阻温度系数，用热生长的方法在高阻单晶硅基片上生长了一层厚度约为100 nm的SiO2绝热层。溅射过程中，样品的托板采用水冷，射频功率保持在350 W，直流偏置电压约为450～500 V，溅射完成后，薄膜样品在充氮的环境下退火处理约1小时。Nb5N6薄膜的生长厚度约为60 nm，采用4探针测量电阻的方法，测得该条件下薄膜的平方单位电阻约为(1000±100)Ω。

Nb5N6测辐射热仪中通过溅射Al薄膜来准备高频信号接收的蝴蝶结天线，天线的厚度约为220 nm，Nb5N6薄膜置于天线的中间位置，然后采用反应离子刻蚀(RIE)的方法，在Nb5N6薄膜下挖出SiO2空气桥。为了获得高频信号的高效接收，测辐射热仪的阻抗必须同天线的阻抗匹配，由于Nb5N6的平方电阻较大，选择测辐射热仪和天线的匹配阻抗约为1000 Ω。

最终天线的长为 a=2732 μm，宽为 b=120 μm;测辐射热仪的 Nb5N6薄膜桥的长度为1.5 μm，宽为1 μm。采用高频电磁波仿真软件HFSS仿真了该器件的电磁场辐射性能，发现其反射系数S11约为 －16 dB。

表征测辐射热仪的一个重要参数是等效噪声功率(NEP)，可以表示为:

式中，Sv为电压噪声谱密度为测辐射热仪关于测量信号的电压响应率(V/W)，为了测量器件的NEP，首先在偏置电流为－2 mA ～+2 mA的范围内测量了器件的伏－安特性曲线(I－V)，如图1所示，其中曲线a表示没有100 GHz信号辐射，曲线b和曲线c表示有100 GHz信号辐射曲线，左上角插入的曲线表示器件的动态电阻随电流的变化(dV/dI－I)。

图1 Nb5N6测辐射热仪I－V曲线(曲线a，b和c分别表示没有辐射，和信号辐射强度为－3 dbm和3 dbm，插图表示没有信号辐射时的直流动态电阻虽电流(dV/dI－I)的变化曲线)

式中，Z=dV/dI为器件的动态电阻;R=V/I测辐射热仪的直流电阻，从图1可以看出Nb5N6测辐射热仪的电压响应可以通过式(2)得出，在偏置电压为0.4 mA的时候约为－400 V/W。测辐射热仪的噪声谱密度一般由以下独立的四部分组成:

从图1可以看出，我们制备的Nb5N6测辐射热仪对100 GHz，具有非常灵敏的响应。对于测辐射热仪而言，如果吸收的微波信号全部转换为热量，电压响应率 κ 可以用 Jones方程［2，14］从 I－ V 曲线得出:(其中 G为有效热导，k=1.38×10－23J/K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度);第三项为约瑟夫森噪声(johnson)=4KTR;最后一项(1/f)为1/f噪声。对于工作于室温的测辐射热仪而言，最低等效噪声功率取决于声子噪声［11］:

测辐射热仪的有效热热导可以表示为:

其中，Ib为偏置电流;Ge为电极的热导;GSiO2为SiO2空气桥的热导;Gair为空气的热导，其中Gair数值较小，一般可以忽略。材料的热导可以表示为［2］:

式中，A为器件有效截面积;l为器件的长度;km为材料的热导。我们制备的器件中铝电极的宽度w=1 μ m、厚度 d=220 nm 、长度 l=20 μm，可查得室温下 Al的热导为 kAl=237W/(m·K)［15］，电极的有效热导可以通过式(5)计算得出Ge=2kAlwd/l≈5.2×10－6W/K。对于SiO2空气桥的热导可以通过2维Laplace 方程［11］得出:

其中，rSiO2=3 μm 为空气桥的长度;rNb5N6=1 μm 为器件的尺寸;kSiO2=1.4 W/(m·K)为SiO2在室温下的热导［15］，导入式(6)可得 GSiO2=0.96 × 10－6W/K。又偏置电流Ib=0.4 mA，Nb5N6薄膜的电阻温度系数α=－0.7%K－1，器件的阻抗约为R=1000Ω，因此可得10－6W/K，所以制备的Nb5N6测辐射热仪的总的热导G≈7.28×10－6W/K，因此在室温(T=300K)的时候，制备器件的最低等效噪声温度约为NEPlimt=

Nb5N6测辐射热仪的电压噪声谱密度采用低噪放频谱分析仪(STANFORD RESEARCH SYSTEMS SR560)测得，测量中选择电压增益为1000。为了防止外界环境的影响，整个测量均在磁屏蔽室中进行，根据频谱分析仪的使用手册，低噪声放大器的噪声G为热导，如果τ在微秒量级，由于调制频率ωs大约在102～103，因此式(7)分母中的虚部可以忽略，考虑到 κ= －400 V/W、α= －0.7%K－1，和 Ib=0.4 mA，通过计算得出器件的热导G=5.25×10－6W/K同上述计算结果很好地吻合。

图2 Nb5N6测辐射热仪NEP和调制频率的关系，(曲线a和b分别表示系统和器件的NEP测量曲线)

为了测量N5N6测辐射热仪的响应时间，采用Agilent E8257D信号源分别在20 GHz和40 GHz辐射频率下对器件进行了测量，测量结果如图3所示，从图中可以看出，在二种辐射频率下，上升时间(幅度由10% ～90%)大约均在7μs，下降时间(幅度由90% ～10%)大约均在9 μs，因此器件的总的相应时间优于 20 μs。谱密度Sv(amplifier)大约为在0.4 mA的偏置电流下，测得器件在调制频率为4 kHz的时候器件的噪声谱密度为当调制频率达到

测辐射热仪的吸收功率P由二部分组成，其一是直流功率P0，其二是外界信号辐射的调制功率Psejωst，［2］则测辐射热仪的电压响应为［11，16］:

式中，τ=C/G为器件的相应时间，其中C为热容;

图3 由Agilent E8257D源产生20GHz和40GHz频率辐射的Nb5N6测辐射热仪的响应时间测量

实际运用中，需要将测辐射热仪和其他相关部分组成一个检测系统，为了检测Nb5N6测辐射热仪的电学性能，搭建了如图4所示的准光测量系统，100 GHz的辐射信号通过超半球透镜耦合到蝴蝶结天线，然后再耦合至到测辐射热仪上，器件的偏置电流Ib由恒流源提供，输出电压由锁相放大器直接读出，斩波器的频率调谐范围是200 Hz～4 kHz。在偏置电流Ib=0.4 mA的时候，实际测得的系统电压响应率约为－130 V/W，值得指出的是系统的电压响应率不随着斩波频率的变化而变化，充分反映了制备的Nb5N6测辐射热仪的在低斩波频率的条件下也具有优异的电压响应特性。考虑到系统噪声，在斩波频率为4 kHz的条件下，实际测量的系统的等效噪声功率在斩波频率10 kHz的条件下系统的等效噪声功率优于(如图2中曲线a所示)，从图2可以明显看出系统和器件的等效噪声功率相差2～4倍，主要原因是辐射信号透过超半球透镜有信号损失和蝴蝶结天线耦合的信号损失，可以通过优化器件的结构和提高准光系统的耦合效率来进一步优化系统的等效噪声功率，提高系统的电学性能。

图4 准光接收系统

3 结论

设计、制备和测量了一种可以工作在室温下，进行太赫兹测量的Nb5N6测辐射热仪，通过射频磁控溅射的方法在高阻硅基片上生长Nb5N6薄膜，为了降低热传导，采取在高阻硅基片上生长了一层SiO2薄膜作为绝热层，同时在器件的底部挖成空气桥。在偏置电流为0.4 mA，斩波频率高于10 kHz时，Nb5N6测辐射热仪的噪声谱密度约为斩波频率200 Hz时器件的等效噪声功率大约1.5×当斩波频率高于10 kHz时，器件的等效噪声功率降至实际测得器件的响应时间优于20 μs;采用准光系统测得的系统的等效噪声功率在斩波频率为4 kHz和10 kHz的条件下分别为和 4.2 ×10－11

［1］ A Alessandrello，J W Beeman，C Brofferio，et al．High energy resolution bolometers for nuclear physics and x-ray spectroscopy［J］．Phys．Rev．，1999，82(3):513 －515．

［2］ P L Richards．Bolometers for infrared and millimeter waves［J］．J．Appl．Phys．，1994，76(1):1 －24．

［3］ P Khosropanah，W Zhang，J N Hovenier，et al．3．4 THz heterodyne receiver using a hot electron bolometer and a distributed feedback quantum cascade laser［J］．J．Appl．Phys．，2008，104:113106:1 －113106:6．

［4］ H M Arau'jo，E F Puplett，G J White，et al．Optimizing phonon － cooled Nb hot－ electron bolometers［J］．Phys．，2000，88(11):6801 －6807．

［5］ P C Shan，Z Celik-Butler，D P Butler，et al．Semiconducting YBaCuO thin films for uncooled infrared bolometers［J］．J．Appl．Phys．，1995，78(12):7334 －7339．

［6］ S Ariyoshi，C Otani，A Dobroiu，et al．Terahertz imaging with a direct detector based on superconducting tunnel junctions［J］．Appl．Phys．Lett．，2006，88(20):203503 － 203505．

［7］ K Segall，J J Mazo，T P Orlando．Multiple junction biasing of superconducting tunnel junction detectors［J］．Appl．Phys．Lett．，2005，86(15):153507 －153509．

［8］ J N Ullom，W B Doriese，G C Hilton，et al．Characterization and reduction of unexplained noise in superconducting transition-edge sensors［J］．Vale，Appl．Phys．Lett．，2004，84(21):4206 －4209．

［9］ B Cabrera，R M Clarke，P Colling，et al．Detection of single infrared，optical，and ultraviolet photons using superconducting transition edge sensors［J］．Appl．Phys．Lett．，1998，73(6):735 －737．

［10］ M E MacDonald，E N Grossman．Niobium microbolometers for far-infrared detection［J］．IEEE Trans ．Microwave Theory Tech．，1995，43(4):893 －896．

［11］ A Rahman，G de Lange，Q Hu．Micromachined room-temperature microbolometers for millimeter-wave detection［J］．Appl．Phys．Lett．，1996，68(14):2020 －2022．

［12］ D P Neikirk，W W Lam，D B Rutledge．Far-infrared microbolometer detectors［J］．Int．J．Infrared Millim．，Waves．，1984，5(3):245 －278．

［13］ LU Xue-Hui，KANG Lin，ZHOU Lei，et al．Growth and Characterization of a Kind of Nitrogen-Rich Niobium Nitride for Bolometer Applications at Terahertz Frequencies［J］．Chin．Phys．Lett．，2008，25(11):4076 － 4078．

［14］ R C Jones．The General Theory of Bolometer Performance［J］．J．Opt．Soc．Am．，1953，43(1):1 －10．

［15］ CRC Handbook of Chemistry and Physics［C］．CRC，88THEDITION，2007 －2008．

［16］ T L Hwang，S E Schwarz，D B Rutledge．Microbolometers for infrared detection［J］．Appl．Phys．Lett．，1979，34(11):773－776．