一種用于探測(cè)太赫茲信號(hào)的測(cè)輻射熱儀

魯學(xué)會(huì)

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海200240)

1 引言

測(cè)輻射熱儀廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)距離遙感、等離子體探測(cè)、通信、核物理、X－射線光譜分析等方面［1］。測(cè)輻射熱儀在太赫茲頻段(0.1～10 THz)，可應(yīng)用于材料的檢測(cè)、安檢、星系的和天文學(xué)發(fā)現(xiàn)等方面，常見(jiàn)的測(cè)輻射熱儀的制備材料有Ge和Si基片測(cè)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(dǎo)隧道節(jié)檢測(cè)器［6－7］、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度邊緣探測(cè)器等［8－9］。測(cè)輻射熱儀的重要系統(tǒng)指標(biāo)有電壓響應(yīng)率、等效噪聲功率(NEP)、響應(yīng)時(shí)間等，在器件的測(cè)量等方面要便于操作，器件的電阻溫度系數(shù)在電壓響應(yīng)率方面起著重要作用。上述提及的各種測(cè)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(yīng)用場(chǎng)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(cè)輻射熱儀［10－11］。

人們一般采用Bi和 Nb作為室溫檢測(cè)測(cè)輻射熱儀的材料，有關(guān)報(bào)道的Nb測(cè)輻射熱儀在毫米波的等效噪聲功率(NEP)，在調(diào)制頻率為1kHz時(shí)約為而空氣橋 Bi測(cè)輻射熱儀在調(diào)制頻率為50 kHz時(shí)等效噪聲功率達(dá)到4.0×然而包括Nb在內(nèi)的金屬材料測(cè)輻射熱儀，由于其正的電阻溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較高的熱損耗，在其工作溫度范圍之外會(huì)導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定，因而限制了其應(yīng)用范圍。

通過(guò)射頻磁控濺射的方法，制備了在室溫下電阻溫度系數(shù)高達(dá)－0.7%K－1的Nb5N6薄膜，遠(yuǎn)高于Nb(0.1%)［11］和 Bi(－0.3%)［12］，因此該材料非常適宜于制備測(cè)輻射熱儀，本文詳細(xì)介紹了Nb5N6測(cè)輻射熱儀器件設(shè)計(jì)、制備和測(cè)量等過(guò)程，并且同其他室溫器件在電壓響應(yīng)率和等效噪聲溫度等方面作一下對(duì)比。

2 器件制備和電子學(xué)測(cè)量

在混合氣體(N2∶Ar=4∶1)壓強(qiáng)為2Pa的條件下，采用射頻磁控濺射的方法，Nb5N6薄膜生長(zhǎng)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(shù)，用熱生長(zhǎng)的方法在高阻單晶硅基片上生長(zhǎng)了一層厚度約為100 nm的SiO2絕熱層。濺射過(guò)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(huán)境下退火處理約1小時(shí)。Nb5N6薄膜的生長(zhǎng)厚度約為60 nm，采用4探針測(cè)量電阻的方法，測(cè)得該條件下薄膜的平方單位電阻約為(1000±100)Ω。

Nb5N6測(cè)輻射熱儀中通過(guò)濺射Al薄膜來(lái)準(zhǔn)備高頻信號(hào)接收的蝴蝶結(jié)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(yīng)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(hào)的高效接收，測(cè)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(cè)輻射熱儀和天線的匹配阻抗約為1000 Ω。

最終天線的長(zhǎng)為 a=2732 μm，寬為 b=120 μm;測(cè)輻射熱儀的 Nb5N6薄膜橋的長(zhǎng)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(chǎng)輻射性能，發(fā)現(xiàn)其反射系數(shù)S11約為 －16 dB。

表征測(cè)輻射熱儀的一個(gè)重要參數(shù)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(cè)輻射熱儀關(guān)于測(cè)量信號(hào)的電壓響應(yīng)率(V/W)，為了測(cè)量器件的NEP，首先在偏置電流為－2 mA ～+2 mA的范圍內(nèi)測(cè)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(méi)有100 GHz信號(hào)輻射，曲線b和曲線c表示有100 GHz信號(hào)輻射曲線，左上角插入的曲線表示器件的動(dòng)態(tài)電阻隨電流的變化(dV/dI－I)。

圖1 Nb5N6測(cè)輻射熱儀I－V曲線(曲線a，b和c分別表示沒(méi)有輻射，和信號(hào)輻射強(qiáng)度為－3 dbm和3 dbm，插圖表示沒(méi)有信號(hào)輻射時(shí)的直流動(dòng)態(tài)電阻雖電流(dV/dI－I)的變化曲線)

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

從圖1可以看出，我們制備的Nb5N6測(cè)輻射熱儀對(duì)100 GHz，具有非常靈敏的響應(yīng)。對(duì)于測(cè)輻射熱儀而言，如果吸收的微波信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為熱量，電壓響應(yīng)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(dǎo)，k=1.38×10－23J/K為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度);第三項(xiàng)為約瑟夫森噪聲(johnson)=4KTR;最后一項(xiàng)(1/f)為1/f噪聲。對(duì)于工作于室溫的測(cè)輻射熱儀而言，最低等效噪聲功率取決于聲子噪聲［11］:

測(cè)輻射熱儀的有效熱熱導(dǎo)可以表示為:

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

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

其中，rSiO2=3 μm 為空氣橋的長(zhǎng)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(dǎo)［15］，導(dǎo)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(shù)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(cè)輻射熱儀的總的熱導(dǎo)G≈7.28×10－6W/K，因此在室溫(T=300K)的時(shí)候，制備器件的最低等效噪聲溫度約為NEPlimt=

Nb5N6測(cè)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(cè)得，測(cè)量中選擇電壓增益為1000。為了防止外界環(huán)境的影響，整個(gè)測(cè)量均在磁屏蔽室中進(jìn)行，根據(jù)頻譜分析儀的使用手冊(cè)，低噪聲放大器的噪聲G為熱導(dǎo)，如果τ在微秒量級(jí)，由于調(diào)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(guò)計(jì)算得出器件的熱導(dǎo)G=5.25×10－6W/K同上述計(jì)算結(jié)果很好地吻合。

圖2 Nb5N6測(cè)輻射熱儀NEP和調(diào)制頻率的關(guān)系，(曲線a和b分別表示系統(tǒng)和器件的NEP測(cè)量曲線)

為了測(cè)量N5N6測(cè)輻射熱儀的響應(yīng)時(shí)間，采用Agilent E8257D信號(hào)源分別在20 GHz和40 GHz輻射頻率下對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，在二種輻射頻率下，上升時(shí)間(幅度由10% ～90%)大約均在7μs，下降時(shí)間(幅度由90% ～10%)大約均在9 μs，因此器件的總的相應(yīng)時(shí)間優(yōu)于 20 μs。譜密度Sv(amplifier)大約為在0.4 mA的偏置電流下，測(cè)得器件在調(diào)制頻率為4 kHz的時(shí)候器件的噪聲譜密度為當(dāng)調(diào)制頻率達(dá)到

測(cè)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(hào)輻射的調(diào)制功率Psejωst，［2］則測(cè)輻射熱儀的電壓響應(yīng)為［11，16］:

式中，τ=C/G為器件的相應(yīng)時(shí)間，其中C為熱容;

圖3 由Agilent E8257D源產(chǎn)生20GHz和40GHz頻率輻射的Nb5N6測(cè)輻射熱儀的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量

實(shí)際運(yùn)用中，需要將測(cè)輻射熱儀和其他相關(guān)部分組成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，為了檢測(cè)Nb5N6測(cè)輻射熱儀的電學(xué)性能，搭建了如圖4所示的準(zhǔn)光測(cè)量系統(tǒng)，100 GHz的輻射信號(hào)通過(guò)超半球透鏡耦合到蝴蝶結(jié)天線，然后再耦合至到測(cè)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(diào)諧范圍是200 Hz～4 kHz。在偏置電流Ib=0.4 mA的時(shí)候，實(shí)際測(cè)得的系統(tǒng)電壓響應(yīng)率約為－130 V/W，值得指出的是系統(tǒng)的電壓響應(yīng)率不隨著斬波頻率的變化而變化，充分反映了制備的Nb5N6測(cè)輻射熱儀的在低斬波頻率的條件下也具有優(yōu)異的電壓響應(yīng)特性?？紤]到系統(tǒng)噪聲，在斬波頻率為4 kHz的條件下，實(shí)際測(cè)量的系統(tǒng)的等效噪聲功率在斬波頻率10 kHz的條件下系統(tǒng)的等效噪聲功率優(yōu)于(如圖2中曲線a所示)，從圖2可以明顯看出系統(tǒng)和器件的等效噪聲功率相差2～4倍，主要原因是輻射信號(hào)透過(guò)超半球透鏡有信號(hào)損失和蝴蝶結(jié)天線耦合的信號(hào)損失，可以通過(guò)優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)和提高準(zhǔn)光系統(tǒng)的耦合效率來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的等效噪聲功率，提高系統(tǒng)的電學(xué)性能。

圖4 準(zhǔn)光接收系統(tǒng)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)、制備和測(cè)量了一種可以工作在室溫下，進(jìn)行太赫茲測(cè)量的Nb5N6測(cè)輻射熱儀，通過(guò)射頻磁控濺射的方法在高阻硅基片上生長(zhǎng)Nb5N6薄膜，為了降低熱傳導(dǎo)，采取在高阻硅基片上生長(zhǎng)了一層SiO2薄膜作為絕熱層，同時(shí)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(shí)，Nb5N6測(cè)輻射熱儀的噪聲譜密度約為斬波頻率200 Hz時(shí)器件的等效噪聲功率大約1.5×當(dāng)斬波頻率高于10 kHz時(shí)，器件的等效噪聲功率降至實(shí)際測(cè)得器件的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于20 μs;采用準(zhǔn)光系統(tǒng)測(cè)得的系統(tǒng)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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