用于远红外天文应用的超低噪声、声子隔离的热电堆（TES）的制备

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Fabrication of Ultralow-Noise Phononically Isolated TES Bolometers for Far-Infrared Astronomical Applications

远红外空间探测器中，采用phononic滤波结构的硅氮薄膜直接吸收耦合TES玻尔末器，通过光刻和深反应离子蚀刻工艺实现亚微米级低热导率机械腿，达到3×10?1? W/√Hz噪声性能，解决高灵敏度与紧凑布局的矛盾。

　　

摘要：

用于太空探测的远红外仪器需要高灵敏度的焦平面阵列，这些阵列由密集排列的低温探测器组成，其噪声等效功率（NEP）需达到约1×10^-19 W/Hz（单位：Hz）。这种探测器在成像应用中的要求比在光谱测量中的要求低一个数量级以上。过渡边缘传感器（TES）玻尔计是一种成熟且原理明确的探测器结构，已在地面和亚轨道天文仪器中展现出受背景噪声限制的性能。玻尔计的主要噪声来源是热波动噪声，其强度与热导率的平方根成正比。为了提高探测器的灵敏度，必须降低热导率。为了将TES玻尔计的性能提升到适合太空应用的更高水平，我们开发了一种采用直接吸收耦合技术的传感器，该传感器通过声子工程手段设计了热隔离结构，从而在30 μm至300 μm的波段内实现足够低的热导率，以减少背景噪声的影响。实际上，同时实现低热导率和高机械强度以及保持紧凑的尺寸是一个极具挑战性的目标。本文介绍了这种密集排列的TES玻尔计的制造工艺：这些玻尔计采用薄氮化硅膜制成，其腿部长度约为50 μm，并配备了声子滤波结构。声子滤波器是通过在氮化硅腿部蚀刻周期性或半周期性的高阻抗和低阻抗结构来实现的。这些直接吸收耦合的TES玻尔计阵列的像素尺寸分别为600 μm、800 μm和1000 μm，采用了多种声子滤波器设计，所有这些设计均通过标准的光刻工艺完成，并通过深度反应离子刻蚀工艺进行隔离。实验结果显示，这种玻尔计的噪声性能可达到约3×10^-19 W/Hz（单位：Hz）的水平...

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