Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию особенностей энергетической релаксации в тонких неупорядоченных металлических пленках, гетероструктурах с двумерным электронным газом на границе, сверхпроводниковых пленках и разработке детекторов субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов
Одним из базовых элементов современной электроники является тонкий слой (субмикронной или нанометровой толщины) проводящего материала, в котором носители тока находятся в неравновесных условиях. Это может быть слой металла, полупроводника или сверхпроводника. Неравновесность создается внешним воздействием – излучением, током, ультразвуком, что диктуется принципами работы того или иного электронного устройства, в состав которого входит подобный тонкослойный элемент. Для разработки адекватных моделей таких устройств чрезвычайно важно понимание механизмов энергетической релаксации носителей тока в таких структурах.
Особое значение процессы энергетической релаксации имеют для низкотемпературных устройств, например, для сверхвысокочувствительных приемников излучения. При низких температурах и в условиях интенсивного электрон-электронного взаимодействия определяющим каналом энергетической релаксации является электрон-фононное взаимодействие. Управление процессом электрон-фононного взаимодействия можно осуществлять путем варьирования времени энергетической релаксации c помощью изменения рабочей температуры, количества примесей, размерности. Все это позволяет получать параметры устройств, необходимые для практических применений.
Актуальность исследования
Пpоблема энергетической релаксации в пpисутствии pазличных неодноpодностей (примеси, дефекты pешетки, гpаницы, флуктуации удеpживающего потенциала) является вопpосом фундаментальной важности как для многих pазделов физики конденсированного состояния, так и для большого числа пpиложений. Многочисленные исследования показывают, что электpон-фононное взаимодействие значительно модифициpуется в неупоpядоченных и низкоpазмеpных пpоводниках. Скоpость энеpгетической pелаксации электpонов и темпеpатуpная зависимость сопротивления в пpимесных металлах, тонких пленках и полупpоводниковых низкоразмерных стpуктуpах существенным образом отличаются от тех же величин в чистых объемных материалах.
С одной стороны, это связано с тем, что в неупорядоченных тонких пленках металлов и квантовых ямах спектр фононов может быть сильно модифицирован по сравнению с чистыми объемными металлами, и в зависимости от условий фононы могут быть либо двумерными, либо трехмерными.
С другой стороны, в неупорядоченных проводниках возникают дополнительные каналы рассеяния. Кроме процесса “чистого” электрон-фононного рассеяния, которое имеет место в чистых металлах, существует дополнительный процесс: неупругое рассеяние электронов на колеблющихся примесях, дефектах или колеблющихся границах и удерживающем электронном потенциале. Совместно с упругим рассеянием электронов и чистым электрон-фононным рассеянием этот механизм порождает широкое разнообразие интерференционных процессов.
В низкоразмерных структурах (квантовых ямах, гетероструктурах) модификация электрон-фононного взаимодействия в основном связана с изменением энергетического спектра электронов: в частности, в вырожденных структурах, благодаря меньшей по сравнению с металлами энергии Ферми, становится существенным размерное квантование плотности состояний. В то же время фононы, по крайней мере, в гетероструктурах, остаются трехмерными, так как для фононов отсутствует граница между двумерным слоем и объемным материалом. Примеси и дефекты в двумерных структурах также как и в металле порождают дополнительные каналы рассеяния.
В вопросе о величине и температурной зависимости вклада чистого электрон-фононного взаимодействия в различных материалах пока нет полной ясности. Эта проблема, в том числе, тесно связана с нахождением предельной подвижности при низких темпеpатуpах, которая определяется рассеянием на акустических фононах. В настоящее время даже в лучших структурах, полученных благодаря последовательному усовершенствованию процессов роста гетероструктур в течение ряда лет, измеренная подвижность электронов (большая чем 107см2/Вс при гелиевых температурах) обусловлена примесным рассеянием, и предельные, ограниченные фононным рассеянием, величины подвижности вряд ли могут быть достигнуты. До недавнего времени значение предельной подвижности при низких температурах можно было оценить из измерений мощности энергетических потерь, приходящихся на один электрон, в условиях сильного разогрева. Прямые измерения времени энергетической релаксации в квазиравновесных условиях, которое определяется только неупругим взаимодействием электронов с фононами и не зависит от упругого рассеяния на примесях, позволяют в конечном итоге определить предельные значения подвижности с большей точностью. Прямые измерения времени энергетической релаксации в полупроводниковых гетероструктурах при низких температурах позволят существенно расширить понимание процессов электрон-фононного взаимодействия в них.
Исследование процессов энергетической релаксации в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах является одним из самых актуальных вопросов физики сверхпроводников, и обсуждается во многих работах последнего времени [1-8]. Изучение деталей процесса установления равновесия позволяет выработать более адекватные теоретические представления о динамике неравновесных явлений в сверхпроводниках. Кроме того, многие устройства криогенной электроники функционируют в условиях далеких от равновесия и, поэтому, изучение неравновесных процессов в сверхпроводниковых наноструктурах имеет большое прикладное значение. Для создания практических приемных устройств важно, что наибольший квантовый выход, т.е. количество квазичастиц, образующееся после поглощения фотона сверхпроводящей плёнкой, имеют приборы, в которых ee<e, где ee - время электрон-электронного неупругого рассеяния, а e – время релаксации энергии электронов. При этом вся энергия поглощённого излучения сначала распределится только по электронной подсистеме. В достаточно тонких плёнках наблюдается явление электронного разогрева, когда между электронной и фононной подсистемами не устанавливается термодинамического равновесия [1-8]. Это происходит, если es<phe, где es - время ухода энергичных фононов из плёнки, а phe - время неупругого рассеяния фононов на электронах. При электронном разогреве отсутствуют энергетические потери на болометрический нагрев плёнки в целом, и быстродействие прибора полностью определяет величина eph. Реализация обоих из перечисленных условий приводит к высокой чувствительности приёмников с одновременным повышением их быстродействия [9-15].
Цель работы – изучение закономерностей электрон-фононного взаимодействия в тонких неупорядоченных металлических пленках и гетероструктурах с двумерным электронным газом на границе, исследование неравновесных процессов в сверхпроводниковых наноструктурах и создание на их основе электронных приборов и методов регистрации субмиллиметрового и инфракрасного излучения.
Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести экспериментальное исследование температурной зависимости сопротивления R(T) и особенностей энергетической релаксации носителей в тонких неупорядоченных металлических пленках Nb, Al, Be в диапазоне температур 4,2 – 300 К.
-
Прямым методом из релаксации фотопроводимости в субмиллиметровом диапазоне экспериментально определить неупругие времена релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах как в квазиравновесных условиях, так и при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале температур 1,6-15 К.
-
Провести экспериментальное исследование неравновесных состояний, вызванных поглощением одиночных фотонов в ультратонких сверхпроводящих пленках NbN в условиях протекания тока близкого к критическому значению.
-
Исследовать характеристики однофотонных сверхпроводниковых детекторов на основе пленок NbN: квантовой эффективности, уровня темновых срабатываний, спектральной чувствительности.
Объектами исследования являлись тонкие неупорядоченные металлические пленки Nb, Al, Be , гетероструктуры на основе AlGaAs-GaAs с двумерным электронным газом на границе и узкие (шириной 100 - 200 нм) структуры из сверхпроводящей пленки нитрида ниобия (NbN) толщиной (4 нм – 20 нм), имеющие форму мостика или меандра площадью 44 мкм2, либо 1010 мкм2.
Предметом исследований являются
температурные зависимости сопротивления и особенности энергетической релаксации носителей в тонких неупорядоченных металлических пленках Nb, Al, Be;
температурные зависимости времени неупругой релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах в квазиравновесных условиях и при разогреве электронов электрическим полем;
неравновесные состояния, вызванные поглощением одиночных фотонов в ультратонких сверхпроводящих пленках NbN в условиях протекания тока близкого к критическому значению;
характеристики однофотонных сверхпроводниковых детекторов на основе пленок NbN.
Методы исследования
В работе применялись методы исследования температурной зависимости электрического сопротивления тонкопленочных металлических образцов, метод измерения релаксации фотопроводимости гетероструктуры в субмиллиметровом диапазоне волн, метод регистрации фотоотклика сверхпроводниковой наноструктуры в инфракрасном диапазоне при поглощении одиночных фотонов, а также методы измерения темновых импульсов сверхпроводниковой наноструктуры и спектральной чувствительности в инфракрасном диапазоне волн. Измерения проводились при криогенных температурах.
В процессе работы были получены новые научные результаты:
1. Исследованы температурные зависимости пленочных образцов примесных металлов (Al, Nb, Ве) в области температур 4,2 300 К. Во всех материалах выделен квадратичный по температуре вклад в сопротивление, пропорциональный остаточному сопротивлению r0, и обратно пропорциональный длине свободного пробега (l-1).
2. Впервые определены константы взаимодействия электронов с поперечными фононами и проведен расчет скоростей неупругой электрон-фононной релаксации в Al, Nb, Ве. Показано, что взаимодействие с поперечными фононами играет ключевую роль в процессе неупругой электрон-фононной релаксации.
3. Прямым методом по регистрации фотоотклика в субмиллиметровом диапазоне волн определены времена неупругой релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах в квазиравновесных условиях и при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале температур 1,6-15 К. Показано, что времена релаксации энергии при этом определяются электронной температурой.
4. Обнаружен и изучен эффект однофотонного детектирования света видимого и ИК диапазонов в сверхпроводниковых NbN наноструктурах толщиной 4 - 10 нм и шириной ~100 нм при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода в условии протекания электрического тока, близкого по величине к критическому току.
5. На основе ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN разработаны однофотонные детекторы. Исследована квантовая эффективность таких детекторов при температурах 1,8 – 4,2 К в зависимости от транспортного тока.
6. Обнаружена зависимость квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов от толщины пленки.
7. Исследована зависимость скорости темнового счета сверхпроводниковых однофотонных детекторов от транспортного тока. Показано, что она имеет экспоненциальный характер.
8. Исследована спектральная зависимость квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах при различных температурах. Наблюдается повышение квантовой эффективности при увеличении транспортного тока и понижении температуры.
9. Из экспериментальных данных по квантовой эффективности и скорости темнового счета определена мощность эквивалентная шуму NbN сверхпроводниковых однофотонных детекторов на длинах волн 1,26- 6 мкм в диапазоне температур 2-4,9 К, установлено ее уменьшение при понижении рабочей температуры детектора. Мощность эквивалентная шуму сверхпроводникового однофотонного NbN детектора на длине волны 1,26 мкм при Т=2,3К достигает значения ~510-21 Вт Гц-1/2.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Вклад в сопротивление примесных металлов (Al, Nb, Ве), квадратичный по температуре и пропорциональный остаточному сопротивлению r0 и обратно пропорциональный длине свободного пробега (l-1), обусловлен интерференцией электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий. Этот вклад определяется взаимодействием электронов с поперечными фононами при неупругом рассеянии электронов на примесях. Величина интерференционного вклада возрастает в металлах с большим отношением скоростей продольного и поперечного звука;
2. Константы взаимодействия электронов с поперечными фононами имеют следующие значения: в Nb величина константы составляет 10,3 в Al – 4,67, в Be – 4,3. Получены температурные зависимости скоростей неупругой электрон-фононной релаксации в Al, Nb, Ве;
3. Значения времени неупругой релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах в квазиравновесных условиях и при разогреве электронов постоянным электрическим полем в интервале температур 1,6-15К, полученные впервые из измерений фотоотклика в субмиллиметровом диапазоне волн составляют: 1,23 нс при Т=1,6 К и 0,93 нс при Т=15 К. В неупругих процессах рассеяния электронов при Т<5 К преобладает пьезоакустический механизм электрон-фононного взаимодействия;
4. При поглощении фотона видимого и ИК диапазонов в сверхпроводниковых однородных NbN наноструктурах толщиной 4 - 10 нм и шириной ~100 нм при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода в условии протекания электрического тока, близкого по величине к критическому току, возникает импульс напряжения. На основе этого эффекта предложен новый тип однофотонного детектора;
5. Для лучших NbN сверхпроводниковых однофотонных детекторов квантовая эффективность на длине волны 1.26 мкм достигает значения 30% уже при температуре 4.2К и не испытывает существенного увеличения с понижением рабочей температуры детектора до 1.7К, в то время, как для большинства детекторов наблюдается повышение квантовой эффективности с 5-10% при 4.2К до 30% при 1.7К. Предельная величина квантовой эффективности ~30% обусловлена максимальным значением коэффициента поглощения пленки NbN в видимом и ИК диапазонах;
6. На длине волны 2,4 мкм квантовая эффективность сверхпроводниковых однофотонных детекторов из плёнки толщиной ~ 3,5нм при прочих равных условиях на три порядка превышает квантовую эффективность детекторов из плёнки толщиной 10нм;
7. Мощность эквивалентная шуму NbN сверхпроводниковых однофотонных детекторов на длине волны 1,26 мкм при Т=2,3К достигает значения ~510-21 Вт Гц-1/2 при токе смещения 0,87 от критического значения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования, согласием полученных данных с последующими экспериментальными и теоретическими исследованиями других авторов и успешным функционированием практических устройств, созданных в результате работы.
Практическая значимость работы
-
На основе проведенных экспериментов предложена методика экспресс-оценки скорости энергетической релаксации в тонких металлических пленках по результатам измерения температурной зависимости сопротивления. Такая методика позволяет быстро тестировать материалы и осуществлять целенаправленный поиск материалов и структур с заданными значениями времени энергетической релаксации, что является решением важной проблемы при создании быстродействующих электронных устройств.
-
Полученные прямым методом данные о временах энергетической релаксации двумерных электронов позволяют оценить инерционность детекторов, работающих на электронном разогреве в 2D-структурах AlGaAs/GaAs, а также полосу преобразования смесителей субмиллиметрового диапазона на таких структурах.
-
В результате проведенного исследования создан детектор одиночных фотонов на основе тонкой сверхпроводящей пленки NbN. Детектор обладает рекордными значениями чувствительности, быстродействия и низким уровнем темновых срабатываний в широком спектральном диапазоне. Благодаря уникальности характеристик сверхпроводникового однофотонного детектора появился целый ряд новых возможностей для неразрушающего контроля больших интегральных схем, регистрации сверхслабого излучения в сочетании с высоким временным разрешением в телекоммуникационных линиях, в биомедицинских системах создания изображений, в метрологии для измерения сверхмалых мощностей излучения путём счёта единичных фотонов, в системах квантовой криптографии.
В ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» изготовлены приёмные системы, чувствительным элементом которых является сверхпроводниковый однофотонный детектор. Из динамики заказов видно, что рынок сверхпроводниковых приёмных систем стремительно расширяется. Благодаря высоким характеристикам, эти системы успешно конкурируют с некриогенными аналогами. Кроме того, использование криорефрижираторов замкнутого цикла для сверхпроводниковых однофотонных детекторов позволяет сделать эти приёмные системы такими же простыми в эксплуатации для конечного пользователя, как и некриогенные приборы (например, лавинные диоды или фотоумножители).
Фактически, начав десять лет назад исследования взаимодействия одиночных фотонов с носителями в узких и тонких сверхпроводящих полосках при протекании в них транспортного тока близкого к критическому значению, автор данной работы стала одним из основоположников этого направления в физике неравновесных явлений в сверхпроводниках. Уровень научных результатов и рекордные характеристики, разрабатываемых в МПГУ приборов, стимулировали развитие данного научно-технического направления в ряде зарубежных научных центров и коммерческих компаний, с которыми МПГУ осуществляет сотрудничество. Многие из них получают пленки или готовые наноструктуры от МПГУ в рамках совместных работ.
Совокупность полученных в диссертации результатов является крупным научным достижением в области физики конденсированного состояния – экспериментальном изучении свойств неупорядоченных металлических пленок и неравновесных процессов в сверхпроводниковых и полупроводниковых наноструктурах. Таким образом, проведенное исследование соответствует паспорту специальности 01.04.07 – физика конденсированного состояния.
Внедрение научных результатов
Полученные в диссертационной работе результаты использовались при выполнении следующих проектов и грантов:
Проект АВЦП Рособразования "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)", в государственных контрактах по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», № 02.513.11.3253, № 02.445.11.7434, № 02.513.12.0030
В грантах РФФИ-04-02-17375, РФФИ-ГФЕН 04-02-39016
В гранте 6-й Европейской рамочной программы, NMP4-CT-2005 – 16433
В грантах ИНТАС 03-51-4145, ИНТАС 03-56-63
В грантах CRDF RE2-2529-MO-03, CRDF RE2-2531-MO-03, CRDF RUP2-590-MO-06, CRDF RUP2-005054-MO-05
В проекте № 5388, контракт 6191р/5388по программе СТАРТ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Результаты работы внедрены в ЗАО "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО «Сконтел»).
При проведении исследований были получены патенты:
- патент на изобретение № 2300825 зарегистрирован 10.06.2007 приоритет от 21.12.2005, "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор"; авторы Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Окунев О.В., Воронов Б.М., Каурова Н.С., Корнеев А.А., Антипов А.В., Минаева О.В.;
- патент на изобретение № 2327253 зарегистрирован 20.06.2008, приоритет от 15.08.2006 “Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами”; авторы Гольцман Г. Н., Чулкова Г. М., Окунев О. В., Мельников А. П., Воронов Б. М., Каурова Н. С. Корнеев А. А., Антипов А. В., Минаева О. В., Дивочий А. В.
- патент на изобретение №2346357 зарегистрирован 10.02.2009; приоритет от 26.06.2007; “Сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов", авторы Гольцман Г. Н., Чулкова Г. М., Корнеев А. А., Дивочий А. В.
Апробация результатов. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях: XXX Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994); XI конференции по электронным свойствам двумерных систем, Ноттингем, Великобритания (1995); 21 Международной конференции по физике низких температур в Праге, Чехия (1996); 5 научном семинаре "Нанотехнологии в области физики, химии и биотехнологии” (2002); Международной конференции по квантовой электронике «Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia», Москва, Россия (2003); IV Международной научно-технической конференции МИЭТ, Москва (2004); на 6 Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости; Пятом международном российско-украинском семинаре «Нанофизика и наноэлектроника», С.-Петербург, Россия; Международной научной конференции «Пленки – 2004» Москва, Россия; 29 Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам, Карлсруэ, Германия (2005); 2 Международной конференции по оптоэлектронике и физике лазеров (CAOL), Ялта, Крым, Украина (2005); Международном симпозиуме по фотонике (OPERA), Вроцлав, Польша (2006); Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам IRMMW 2007, Кардифф, Великобритания; Рабочей встрече по однофотонным детекторам Single-Photon Workshop 2007, Турин, Италия; 12 Международной рабочей встрече по низкотемпературным детекторам, Париж, Франция (2007); 8 Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости – 2007, Брюссель, Бельгия; IX Международная конференция «Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск (2007); Рабочей встрече по фундаментальным исследованиям электронных наноситем, Nano Питер 2008, Санкт-Петербург, Россия; Международной конференции «Single Photon Workshop 2009», Boulder, Колорадо, США, 2009; XIII, XIV, XV международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (2009, 2010, 2011); XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, (2010); ІІI-ей Международной научной конференции «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники», Крым, Украина (2010).
Личный вклад автора
Исследования, связанные с развитием научного направления по изучению интерференции электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий в примесных металлах, проведены в соавторстве с А.В. Сергеевым, автором теоретической модели. Исследования неупругой релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетероструктурах и эффекта однофотонного детектирования света видимого и ИК диапазонов в сверхпроводниковых NbN наноструктурах проведены совместно с Г.Н. Гольцманом, который является научным наставником и коллегой автора на протяжении всей профессиональной деятельности. Все экспериментальные исследования сверхпроводниковых однофотонных детекторов проводились автором лично совместно с К.В. Смирновым, О.В. Окуневым и А.А. Корнеевым. Автор осуществлял анализ и обобщение полученных данных, интерпретировал полученные результаты и проводил все необходимые расчеты. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором или при его определяющем вкладе.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 69 работ, в том числе 24 в ведущих рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, а также в материалах Всероссийских и международных конференций. Получено 3 патента.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Диссертационная работа изложена на 220 страницах, включая 67 рисунков, 10 таблиц, 1 приложение и список литературы из 140 наименований.
