Hochleistungsfähige Niob-Titan-Nitrid-Dünnschichtbeschichtung für Infrarot-Detektor-Absorber

Impedanzangepasste Beschichtungen werden für Absorberanwendungen verwendet, um mittlere bis fernes Infrarot (IR) an einen ultrasensitiven bolometrischen Detektor zu koppeln, der auf einer ultradünnen dielektrischen Membran schwebt. Um eine angemessene Responsivität zu gewährleisten, muss der bolometrische Detektor eine niedrige Wärmekapazität haben. Darüber hinaus ist zur Erreichung eines optimalen Signal-Rausch-Verhältnisses eine spektrale Filterung der einfallenden Strahlung wünschenswert.

Konventionelle Ansätze für Absorberbeschichtungen sind anfällig für Alterung, was die transiente optische Effizienz des Instruments beeinträchtigt. Zusätzlich haben konventionelle Absorberbeschichtungen eine hohe Wärmekapazität, die die Leistung von Low-Background-Kryogen-Detektoren beeinflusst. Konventionelle Absorberbeschichtungen sind auch im kurzwelligen Grenzbereich reaktiv, was entsprechend ihre Kopplungseffizienz reduziert. Darüber hinaus haben einige Dünnschicht-Absorberbeschichtungen extrem hohe Eigenspannungen, die die dielektrischen Membranen brechen oder verbiegen können.

Niob-Titan-Nitrid (NbTiN) Dünnschichtbeschichtung, entwickelt am NASA Goddard Space Flight Center, kann Licht optisch an einen bolometrischen Detektor koppeln, der auf einer ultradünnen dielektrischen Membran schwebt. Die Beschichtung kann auch niederfrequente Spektralkomponenten herausfiltern, die das photonengebegrenzte Rauschen des Detektors erhöhen würden.

NbTiN-Dünnschichtbeschichtungen werden auf dielektrischen Substraten mittels eines speziellen reaktiven Sputter-Co-Depositionsverfahrens hergestellt. Zwei verschiedene Sputterquellen werden verwendet, wobei eine Quelle ein Niob-Sputtertarget und die andere ein Titan-Sputtertarget enthält. Niob und Titan werden in einer stickstoffreichen Umgebung abgeschieden.

Die NbTiN-Beschichtung kann verwendet werden, indem sie auf einer Seite einer ultradünnen Siliziummembran abgeschieden wird und eine klar definierte optische Impedanzanforderung für eine spezifische Anwendung hat – NbTiN-Beschichtung kann auch auf Nicht-Silizium-Membranen abgeschieden werden. Die NbTiN-Beschichtung hat niedrige Eigenspannung, was sie mechanisch kompatibel mit der Integration auf ultradünnen dielektrischen Membranen macht. Die Beschichtung besitzt die für hohe optische Absorptionseffizienz erforderliche optische Impedanz. Darüber hinaus hat die Beschichtung eine sehr niedrige supraleitende Übergangstemperatur, was es ihr ermöglicht, Strahlung bei bestimmten Frequenzen herauszufiltern.

Die NbTiN-Beschichtung ist besonders nützlich für ultrasensitive kryogene bolometrische Detektoranwendungen und kann reproduzierbar hergestellt werden, ohne den Fertigungsprozess von Detektorarchitekturen zu verkomplizieren.

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