Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы. 18
1.1. Супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн на основе ДБШ и СИС 19
1.2. Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках. 23
1.3. Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения. 29
1.4. Квазиоптическис схемы согласования с высокочастотным излучением 34
1.5. Свойства двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs. 37
1.6. Время электрон-фон о иного взаимодействия в двумерном электронном газе в магнитном поле В, перпендикулярном 2D слою . 48
1.7. Выбор объекта исследования и постановка задачи. 54
Глава II. Методики измерения смесителей и описание исследуемых образцов . 57
2.1. Технологические аспекты изготовления NbN смесителей и смесителей на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs 57
2.1.1 К ваз и оптические NbN смесители 57
2.1.2 Смесители на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs 66
2.2. Субмиллиметровый лазер на парах воды 69
2.3. Методика измерения шумовой температуры NbN смесителей 77
2.4. Методика измерения полосы преобразования NbN смесителей 81
2.5. Методика измерения характеристик AlGaAs/GaAs смесителя 85
2.5.1. Экспериментальная установка для измерений зависимости полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля . 85
2.5.2. Оценка условий квазиравновесности измерений 100
2.6. Заключение 103
Глава III. Частотные и шумовые характеристики NBN смесителей . 104
3.1. Шумовая температура квазиоптических NbN смесителей субмиллиметрового диапазона длин волн 104
3.2. Влияние эффекта прямого детектирования на полученные значения шумовой температуры смесителя 114
3.3. Полоса преобразования квазиоптических NbN смесителей на различных подложках 126
3.4. Возможности расширения полосы преобразования смесителей 140
Глава IV. Полоса преобразования AlGaAs/GaAs смесителя в магнитном поле перпендикулярном 2D слою . 142
4.1. Осцилляции магнитос о противления AlGaAs/GaAs структуры. 142
4.2. Поведение полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля 146
4.3. Выводы. 152
Заключение 154
Список публикаций автора 156
Литература 161
- Время электрон-фон о иного взаимодействия в двумерном электронном газе в магнитном поле В, перпендикулярном 2D слою
- Экспериментальная установка для измерений зависимости полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля
- Влияние эффекта прямого детектирования на полученные значения шумовой температуры смесителя
- Поведение полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля
Введение к работе
В последние годы неуклонно растет интерес к созданию чувствительных приемных устройств субмиллиметрового диапазона длин волн. Приемные системы этого диапазона, в частности, необходимы для проведения различного рода радиоастрономических наблюдений и исследования атмосферы Земли. Кроме этого, использование таких приемников возможно в медицине, пожарной охране, системах навигации, охранных системах и т.д.
Изучение Вселенной происходит, главным образом, на основании исследования ее электромагнитного излучения. Визуальное наблюдение за объектами Вселенной лежало в основе астрономии. Значительный прогресс в этой области науки был достигнут благодаря изобретению телескопа и применению фотографических методов астрономических наблюдений. Долгое время информацию о строении Вселенной получали лишь в сравнительно небольшом оптическом диапазоне, имеющем ширину около одной октавы (0.4-0.8 мкм). Лишь в прошлом веке начались проводиться астрономические наблюдения в смежных диапазонах длин волн, В настоящий момент изучение космических объектов происходят в различных областях электромагнитного спектра Вселенной от радиоволи до гамма излучения.
С начала 30-х годом прошлого века, астрономические наблюдения стати проводиться в радиодиапазоне, положив начало радиоастрономии. За годы своего развития радиоастрономия обогатила человечество знаниями о природе явлений, происходящих внутри космических объектов и окружающего пространства. По мере развития технологии появилась возможность проводить измерения в ранее недоступной субмиллиметровой (субмм) и дальней инфракрасной (дальняя ИК) области спектра с длинами волн от 100 до 1000 мкм (300 ГГц-3 ТГц), именуемой терагерцоеым диапазоном. Процессы, связанные с формированием звезд и галактик сопровождаются интенсивным ультрафиолетовым излучением, нагревающим окружающую «холодную» среду. Таким образом, области Вселенной, в которых протекают процессы
5 звездообразования, как правило, окружены облаками газов с большей температурой и концентрацией, чем «холодное» межзвездное вещество. Интенсивность и спектральный состав излучения подобных областей звездного неба содержит в себе информацию о процессах, происходящих при образовании новых звезд и галактик. В этом диапазоне спектр излучения Вселенной включает в себя порядка 40 тысяч отдельных линий, но на сегодняшний день произведено наблюдение только нескольких тысяч из них [1,2]. В силу того, что в основном исследуемые объекты имеют температуру порядка 30 К, максимум их спектра излучения находится именно в этих областях спектра. По данным, полученным в рамках проекта NASA Cosmic Background Explorer (СОВЕ), излучение, приходящееся на субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны, составляет около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный путь [3]. Характерные линии излучения атомов и молекул, таких как С+ (1.9 ТГц) - самой яркой линии в Млечном пути в терагсрцовом диапазоне, воды, СО могут дать исчерпывающую информацию об областях формирования звезд.
Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли в терагерцовом диапазоне частот затруднено слабой прозрачностью атмосферы, которая в основном обусловлена поглощением излучения парами воды. Для проведения исследований с поверхности Земли на частотах близких к 1 ТГц и выше возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания [1,4]. На сегодняшний день только начинается освоение окон прозрачности около 1.03, 1.35 и 1.5 ТГц. Стоит отметить, что коэффициент пропускания атмосферы в лучшие дни достигает значения не больше 40% в высокогорных областях плато Атакама (5525м над уровнем моря), Чили [4,5]. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать ради о обсерватори и в труднодоступных высокогорных районах или с базированием на самолете, воздушном шаре или искусственном спутнике. В настоящее время существует несколько крупных международных проектов по созданию как наземных обсерваторий: APEX [6,7] ALMA [8], так и
обсерваторий размещенных на борту самолета SOFIA[9], воздушного шара TELIS [10], а так же космического аппарата: HERSHEL [11], SPIRIT [12]. В ближайшем будущем с их помощью будет собираться информация о космических объектах Вселенной.
Вращательные' переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере, таких как вода, кислород (озон), окись хлора, соединения азота могут служить для мониторинга целостности и причин разрушения озонового слоя, глобального потепления и загрязнения атмосферы.
В последнее десятилетие активно развивается направление, связанное с получением изображений в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Использование субмиллиметровых тепловизоров позволяет избежать трудностей, связанных с поглощением инфракрасного излучения в различных средах, и получать всепогодные навигационные системы, значительно расширить использование тепловизоров в медицинских целях, получая информацию не только с поверхности, но и из более глубоких слоев человеческого тела. Одним из важных потенциальных применений является также использование субмиллиметровых тепловизоров в системах охраны и контроля, так как они способны к точному отображению, как металлического и неметаллического оружия, так и пластиковых взрывчатых веществ, наркотических препаратов, спрятанных под одеждой.
Прогресс в разработке и создании приемных элементов для тсрагерцового диапазона происходит быстрее, чем в других областях субмиллиметровых технологий (например, в разработке источников излучения). Интерес представляет не только рекордные параметры таких приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах. Применение тех или иных типов приемников зависит непосредственно от поставленных задач.
На частотах ниже 100 ГГц чувствительность приемников излучения не является критическим параметром отбора, потому что принимаемое
7 электромагнитное излучение можно предварительно усилить при помощи малошумящих полупроводниковых усилителей [13]. На более высоких частотах предварительное усиление сопряжено со значительными трудностями, поэтому чувствительность является решающим критерием отбора приемников.
В ряде задач, где не требуется высокого разрешения, оправдано применение приемников прямого детектирования (некогерентных). Чувствительность таких приемников увеличивается при увеличении частотной полосы приема и времени интегрирования [14].
В качестве приемников прямого детектирования используются, например, разные виды болометров, работающие как при комнатной температуре, так и в криостатных системах при низких температурах вплоть до нескольких десятков милликельвин. Для последних, значение мощности эквивалентной шуму (NEP) может составлять 10'13 -10~19 Вт/Гц|/2 [15,16]. Частотная полоса таких приемников определяется входными оптическими фильтрами и обычно составляет 50-100 ГГц [17],
В спектроскопии высокого разрешения (Л/ДЛ.> 106) применяются гетеродинные приемники (когерентные). Одним из основных элементов такого приемника является нелинейный элемент, который смешивает сигнальное излучение малой мощности, улавливаемое антенной, с излучением большой мощности на близкой частоте, подаваемым на смеситель от местного генератора (гетеродина). На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который после усиления малошумящим усилителем регистрируется измерителем мощности.
До недавнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались только диоды Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [18,19,20]. Тем самым они становились удобным вариантом бортового приемника, несмотря на резкое ухудшение чувствительности с ростом частоты. Улучшение отношения сигнала к шуму добивались путем увеличения постоянной времени измерения. Однако
8 большим недостатком смесителей на диоде Шоттки является также большая требуемая мощность гетеродина (порядка милливатта), что предполагает использование громоздких, с большим энергопотреблением газовых лазеров, в то время как в практических гетеродинных приемниках обычно используют компактные гетеродинные источники (например, диод Ганна с умножителями или полупроводниковые лазеры) с выходной мощностью несколько микроватт.
Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей, использующих туннельный переход "сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник" (СИС) [21,22,23]. Он состоит из двух сверхпроводников, разделенных ультратонким (несколько атомных слоев) слоем диэлектрика. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру близкую к квантовому пределу с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина и отличается стабильностью к ее флуктуациям в процессе измерений. Однако шумовая температура СИС смесителя испытывает значительный рост, когда частота излучения превышает величину энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен (порядка 0.7 ТГц для ниобия).
В 60-х годах прошлого века были проведены первые эксперименты по разработке смесителей на эффекте электронного разогрева. Смеситель на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников [24,25] обладающий хорошей чувствительности наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требует малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Он является весьма перспективными приемным элементам для терагерцового диапазона частот, так как он не имеет частотных ограничений по механизму смешения [26] и не содержит реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами кваз и оптических антенн.
Этот новый класс приборов, называемый в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ) появился в результате проведенных исследований энергетической релаксации электронов в разупорядочениых металлах и сверхпроводниках [27,28,29]. Данные исследования показали что, эффект электронного разогрева реализуется в сверх проводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии, под воздействием электромагнитного излучения. Если размер пленки много больше длины свободного пробега электрона, а время электрон-фононного взаимодействия reph больше времени электрон-электроиного взаимодействия, тее, то энергетическое распределение квазичастиц (будем в дальнейшем говорить об электронах, в отличие от куперовских пар) соответствует распределению Ферми с эффективной электронной температурой 0, вообще говоря, отличной от её" равновесного значения. Время релаксации электронной температуры, г^, определяет инерционность болометра на горячих электронах, а значит, и полосу промежуточных частот (ПЧ) НЕВ смесителя. Время т& зависит как от материала сверхпроводника, так и от геометрии самого смесителя.
Заметим, что перевод пленки в рсзистивное состояние может произойти под воздействием многих факторов - сильного магнитного поля, внешнего высокочастотного излучения, повышения температуры. В последнем случае, может быть реализован прямой детектор на эффекте электронного разогрева со значениемNEP-10''9Вт/Гц"14приТ=0.3 К. [16,30].
Итак, если на пленку в резистивном состоянии действует электромагнитное излучение, то его энергия перераспределяется посредством электрон-электронного взаимодействия по электронной подсистеме, вызывая повышение ее температуры. Энергия от "разогретых" электронов, благодаря электрон-фоионному взаимодействию, передается фононам с характерным временем Teph, причем неравновесные фононы, не нагревая фопонной подсистемы, будут выходить из пленки в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в
10 случае «грязных» разуло рядом енных плёнок с малым временем те.е. Фононы играют роль термостата и тем более эффективно, чем больше фононная удельная теплоёмкость по сравнению с электронной удельной теплоёмкостью (с/се\ и чем быстрее "горячие" фононы уходят из плёнки в подложку за время vcsc. Полоса ПЧ смесителей с фононним каналом охлаждения будет определяться взаимным соотношением Ср/с, времен Tesc и те_ ер, достигая нескольких ГГц [31].
Для чистых пленок с большим коэффициентом диффузии электронов D, можно реализовать диффузионный канал охлаждения электронов [32,33]. В этом случае длина чувствительного элемента смесителя L должна быть много меньше длины диффузии L«Ij=KtJt~D~ , где ld- длина диффузии электронов
за время те.ріт Такое уменьшение длины смесителя позволит "разогретым" электронам уходить до рассеивания на фононах в контактные площадки из нормального металла, служащие термостатом. Полоса промежуточных частот (ПЧ) смесителя здесь будет обратно пропорциональна L2, и для Nb при L=0.1 мкм полоса ПЧ может составлять -9 ГГц [34]. Однако здесь имеется целый ряд проблем, определивших практическую трудность применения смесителя с диффузионным каналом охлаждения. Оптимальная по шумовой температуре область на вольтамперной характеристике находится очень близко к точке ее срыва, что приводит к ухудшению стабильности приемника. Кроме того, из-за низкого значения поверхностного сопротивления Nb диффузионные смесители обычно имеют отношение длины к ширине более 2, и поэтому имеют очень малый объем чувствительного элемента, а это делает смеситель весьма чувствительным к статическому электричеству. Изготовление структур столь малого размера сопряжено с определенными трудностями в связи с близостью к предельной точности существующего литографического оборудования. Для реализации диффузионного канала необходимо обеспечить хороший контакт нормального металла и сверхпроводника, а материалы типа
Nb или Al склонны к быстрому окислению. Далее в обзоре литературы мы в основном будем касаться только первого указанного типа НЕ В смесителей.
Смеситель на эффекте электронного разогрева осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты [27,28,29,35]. Высокая чувствительность такого смесителя обусловлена большой температурной крутизной сопротивления при температуре сверхпроводящего перехода. Скорость остывания электронной подсистемы задает ширину полосы преобразования. В работах [24,26] было предложено использовать пленки Nb и NbN для создания смесителей супергетеродинных приемников.
Изменение объема смесительного элемента не влияет на эффективность преобразования, но приводит лишь к изменению требуемой оптимальной мощности гетеродина и джоулевой мощности тока смещения. В силу ограниченности выходной мощности (до нескольких мкВт на частотах выше 1 ТГц) существующих твердотельных источников, которые обычно применяются в реальных приемных системах (лазер или лампа обратной волны - реже), возможность уменьшения размеров смесителя выглядит очень перспективно.
Расширение полосы ПЧ для НЕВ смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто с использованием ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, а также с использованием подслоев для улучшения акустического согласования пленки с подложкой. Существующие методы напыления позволяют производить высококачественные пленки нитрида ниобия толщиной 3-4 им.
Согласование смесительного элемента с принимаемым
электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волноводной схем. В последнем случае, подложка из тонкого кристаллического кварца со смесителем и фильтрами располагается в короткозамкнутой волноводной секции, со скалярной рупорной антенной [36]. В рамках данного исследования смесителей нас интересовали квазиоптические
12 НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения. В этом случае согласование с высокочастотным излучением осуществляется посредством диэлектрической эллиптической или вытянутой сферической линзы. Выбор кристаллического кремния в качестве материала линзы и подложки сделан ввиду хорошей прозрачности этого материала в тсрагерцовом диапазоне частот, а также стойкости его к внешней среде. Альтернативным материалом является оксид магния MgO, но на частотах выше 3 ТГц его прозрачность заметно ухудшается. Кроме того, за сравнительно короткое время MgO сильно изменяет свои характеристики благодаря значительному поглощению атмосферной влаги.
Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки NbN толщиной 2.5-3.5 нм, осажденной на сапфировую подложку достигает 4 ГГц [37], но этого не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.
Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования
квазиоптических NbN смесителей с фононным каналом охлаждения, которые имели бы низкую шумовую температуру и требовали малой оптимальной мощности гетеродина, является весьма актуальным для практической радиоастрономии, в частности из-за доплеровского уширеиия спектральных линий при наблюдении быстро двигающихся объектов. Кроме того, в связи с ограниченностью перестройки частоты гетеродинных источников излучения терагсрцового диапазона, большее значение полосе преобразования дает возможность расширить детектируемый частотный диапазон.
К началу диссертационного исследования полученная шумовая температура квазиоптических NbN смесителей на частотах 0.75, 1.4, 2.5, 3.1 и 4.2 ТГц составила 600 К, 2200 К, 2900 К, 4000 К и 5600 К [38]. Полоса ПЧ такого смесителя не превышала 3-4 ГГц. Позднее в работе [39] для смесителей была получена шумовая температура 1500 К на частоте гетеродина 2.5 ГГц.
Инструментом для решения задач, не требующих высокой чувствительности, могут послужить полупроводниковые смесители на электронном разогреве. Такие смесители обладают большим быстродействием под влиянием режима баллистического транспорта, который реализовывается в структурах с длинами L<10 мкм [40], а так же могут использоваться при температуре кипения жидкого азота, где за счет элсктрон-ф о ионного взаимодействия с участием оптических фононов полоса промежуточных частот может достигать 3.5 ГГц[41].
Другим важнейшим аспектом исследования двумерных электронных систем является возможность их практического применения для создания различных электронных приборов. К таким новым электронным приборам относятся биполярные транзисторы на гетеропереходах [42,43], селективно легированные транзисторы с высокой подвижностью электронов [44,45], светоизлучающие структуры [46,47] и др.
Большой интерес представляют работы, связанные с изучением электрон-фононного взаимодействия в двумерном слое на границе гетероперехода AIGaAs/GaAs. В этом материале достигнуты максимально возможные подвижности по сравнению с другими двумерными структурами, что позволяет с большой точностью изучать электрон-фонониое взаимодействие при энергетической релаксации двумерных носителей. Теоретические и экспериментальные исследования электрон-фононного взаимодействия в гетеропереходах AlGaAs/GaAs ведутся уже много лет [48,49,50]. Однако, получаемые результаты зачастую противоречивы. Существующие экспериментальные методы определения времени энергетической релаксации основаны в основном на измерении подвижности двумерных носителей или мощности энергетических потерь и являются косвенными методами. Прямые измерения в квазиравновесных условиях времени энергетической релаксации, определяемого только неупругим взаимодействием электронов с фононами и не зависящего от упругого рассеяния на примесях, дают возможность повысить
14 точность измерений и существенно улучшить понимание процессов электрон-ф оно иного взаимодействия.
Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, требуемая мощность гетеродина и полоса промежуточных частот, в терагерцовом диапазоне не достаточны для решения некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников терагерцового диапазона.
Целью данной диссертационной работы является исследование
квазиоптических смесителей из ультратонких сверхпроводящих пленок NbN на эффекте электронного разогрева, работающих в терагерцовом диапазоне частот, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, требовали малой мощности гетеродина и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике. Еще одной целью было исследование полосы преобразования полупроводникового AlGaAs/GaAs смесителя в магнитном поле перпендикулярном 2D плоскости.
Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 2-4 нм, осажденных на подложки из оксида магния и кремния как с буферным подслоем MgO так и без него, а также вол но водные смесители на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs с двумерной квантовой ямой.
Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 0.8 ТГц, 2.5 ТГц и 3.8 ТГц. Измерение полосы преобразования смесителей проводилось на частотах 0.8 ТГц и 0.9 ТГц как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками, так и по оригинальной методике с использованием смены холодной и горячей нагрузки внутри криостата.
Измерения частотных характеристик AlGaAs/GaAs смесителя
15 производились на частотах 135- 145 ГГц в диапазоне магнитных полей 0-4 Тл.
В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:
Исследованы квазиоптические смесители субмиллиметрового диапазона длин волн на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 2-4 нм с использованием подслоя MgO толщиной 200 нм.
Впервые' проведены измерения шумовой температуры NbN смесителя на установке, где в качестве гетеродинного источника был использован газоразрядный лазер на парах воды.
Впервые определена величина погрешности измерения чувствительности смесителя за счет эффекта прямого детектирования. Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на основе металлической сетки.
Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей, изготовленных из сверхпроводящей пленки NbN толщиной 2 нм, до 5.2 ГГц, Получение пленки NbN такой толщины на кремниевой подложке с критической температурой 9.2 К стало возможным, благодаря применению подслоя оксида магния между пленкой и подложкой.
Показано, что квантование энергии электронов в магнитном поле приводит к снижению эффективности электрон-фононного взаимодействия и резкому уменьшению полосы ПЧ полупроводникового AlGaAs/GaAs смесителя. Время энергетической релаксации в магнитном голе, превышающем 1 Тл, осциллирует подобно осцилляциям сопротивления Шубникова-де Гааза. Выделены интервалы магнитных полей, в которых доминируют различные механизмы энергетической релаксации.
На защиту выносятся следующие положения:
Квазиоптические смесители на кремниевой подложке с подслоем MgO на основе пленки NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 1300 К на частоте излучения гетеродина 2.5 ТГц.
Величина погрешности определения шумовой температуры NbN смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродинного источника.
Значение полосы промежуточных частот квазиоптических смесителей на основе NbN пленки толщиной 2 нм, осажденной на подложку из кремния с применением подслоя MgO, в оптимальном по шумовым характеристикам режиме достигает 5.2 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.
Квантование энергии двумерных электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в магнитном поле приводит к снижению эффективности электрон-фо ионного взаимодействия и резкому сужению полосы преобразования смесителя иа их основе. При В~1 Тл ширина полосы ПЧ исследуемых смесителей уменьшается на порядок по сравнению со случаем В=0, при температуре Т=4.2 К
В условиях слабой неравновесности релаксация электронной температуры в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в магнитном поле, перпендикулярном 2D плоскости, осуществляется как за счет электронных переходов внутри уровня Ландау, так и межуровневых переходов; для гетероструктур AlGaAs/GaAs с концентрацией ns=5.2-10n см2 при температуре Т=4.2 К электр он-фононные переходы внутри уровня Ландау преобладают в области больших магнитных полей (фактор заполнения v<4); вклад электрон-
17 фононных переходов между уровнями Ландау проявляется в области магнитных полей соответствующих v>4;
Практическая значимость работы подтверждена использованием разрабатываемых НЕВ смесителей в ряде меэкдународиых проектов ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX [6,7] ALMA [8], HERSHEL [11], SPIRIT [12]), так на исследование атмосферы Земли (SOFIA [9], TELIS [10]).
Полученные знания об электрон-фононном взаимодействии в двумерных структурах могут быть использованы при разработке различных полупроводниковых приборов с 2DEG. Измеренная полоса преобразования AlGaAs/GaAs смесителя определяет инерционность детекторов и смесителей терагерцового диапазона на электронном разогреве.
Время электрон-фон о иного взаимодействия в двумерном электронном газе в магнитном поле В, перпендикулярном 2D слою
Согласование смесительного элемента с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волііоводной схем. В первом случае, чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы выполненной, как правило, из высокоомного кремния [93]. Во втором, смесительная структура на диэлектрической подложке (часто используется кристаллический кварц) располагается в короткозамкнутой волноводной секции с облучением скалярной рупорной антенной [36,94]. Обе схемы широко применяются, и выбор в основном определяется возможностью изготовления приемника, а также решаемыми задачами. Например, изготовление волповодного терагерцового приемника является сложной технологической задачей, невыполнимой пока для частот выше 2.5 ТГц.
Первые волноводные НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения, выполненные на основе тонких пленок Nb, показали двухполосную шумовую температуру Г„=690 К на частоте гетеродина 20 ГГц [95] и имели полосу преобразования 80-100 МГц, обусловленную большим временем tcph. Дальнейший прогресс был достигнут с использованием пленок NbN, обладающих значительно меньшим временем электрон-фононного взаимодействия (12 пс при 10 К, см.1.2). Для волповодного NbN смесителя ширина полосы ПЧ достигала 1 ГГц с шумовой температурой 1000 К на частоте 100 ГГц и значением требуемой мощности гетеродина 1 мкВт [96].
В работах [97,98] рассматривались механизмы шумов в ИЕВ смесителях. Было показано, что основной вклад вносит термодинамический шум, связанный с флуктуациями электронной температуры, мощность которых пропорциональна се квадрату.
Существенное улучшение параметров NbN НЕВ смесителей оказалось возможным с получением высококачественных ультратонких пленок NbN толщиной 3-4 нм. В работе [36] были получены результаты измерения шумовой температуры вол но водных NbN смесителей на частоте 0.6-0.8 ТГц. Она составила 850 К и полоса ПЧ не превышала 2 ГГц. Позднее, в [99] для волноводных смесителей была получена шумовая температура 1600 К на частоте гетеродина 1.035 ГГц в полосе ПЧ 1 ГГц, с центральной промежуточной частотой 1.8 ГГц. В обоих случаях смеситель проходил испытания в приемнике на 10 метровом субММ телескопе, установленном на г. Грахам (Mt.Graham) в обсерватории штата Аризона, США при наблюдении линий СО в Молекулярном облаке созвездия Ориона [100].
Для квазиоптического варианта NbN НЕВ смесителей, на момент начала диссертационного исследования, Т„ составляла 600 К на 0.75 ТГц [101], 2200 К на 1.4 ТГц [102], 2900 К на 2.5 ТГц [102], 4000 К на 3.1 ТГц [102], 5600 К на 4.2 ТГц [102] иа промежуточной частотой 1.5 ГГц в полосе 75 МГц. На настоящий момент, лучшие существующие лабораторные приемники демонстрируют значения близкие к 8-10/iv/A: до частоты 2.5 ТГц [103].
Важной характеристикой терагерцового смесителя является требуемая мощность гетеродина /W Ее величина диктуется не только принципом работы смесителя, но и возможностями гетеродинных источников. В радиоастрономических инструментах предпочтение отдается твердотельным терагерцовым гетеродинным источникам в силу их компактности, малой массы и мощности потребления, несмотря на небольшую величину выходной мощности, порядка нескольких мкВт. Поэтому весьма актуальной представляется снижение требуемой оптимальной мощности гетеродина. Это можно делать в первом приближении путем уменьшения объема болометрического элемента о [97]. Заметим, что уменьшение критической плотности тока ведет опосредованно также к уменьшению поглощенной мощности [97]. Для квазиоптических NbN НЕВ смесителей с толщиной пленки 3.5 нм зависимость / ( (4.2)) является линейной [104], а для смесителя с размером пленки в плане 0.6 х 0.13 мкм2 значение поглощенной мощности гетеродина составило всего 15нВт. Для волповодных NbN смесителей с толщиной пленки 3-4 нм и размером в плане 1x0.1 мкм оцененная Pabs 70 нВт [105].
Уменьшение объема чувствительного элемента может приводить к паразитному эффекту, называемому эффектом прямого детектирования и связанному со смешением рабочей точки при смене горячей и холодной нагрузки в измерениях шумовой температуры [101]. Дело в том, что для смесителей такого малого объема, мощность излучения нагрузки во входной полосе приемника становится сравнима с мощностью гетеродинного источника и заметно смещает рабочую точку но нагрузочной кривой. Этот эффект приводит не только к ошибке измеренного значения Y-фактора и как следствие рассчитанной шумовой температуры приемника в лабораторных условиях, но и искажает форму линии в реальных радиоастрономических наблюдениях. Исследование данного эффекта для NbN смесителей и возможные пути минимизации его последствий описаны в главе 3.
В последнее время также наметился прогресс в увеличении полосы преобразования NbN смесителей. В квазиоптических смесителях в качестве подложки обычно используются кремний, сапфир или оксид магния. Высокая критическая температура (Тс пленки NbN толщиной 3 нм достигает 9-9.5 К) и относительно хорошее акустическое согласование а пленки и подложки MgO приводят к тому, что полоса ПЧ у таких смесителей достигает 4.5 ГГц [106]. В волноводиых NbN смесителях в роли материала для подложки выступает кварц в силу простоты механической обработки и малой диэлектрической проницаемости. Однако такие смесители на основе 3-4 им пленок NbN демонстрируют полосу преобразования около 2 ГГц [36]. Совсем недавно в целях расширения полосы ПЧ было предложено использование подслоя MgO для улучшения акустической прозрачности границы пленка-подложка [107,108]. Исследование полосы преобразования NbN смесителей представлено в рамках данного диссертационного исследовании.
Экспериментальная установка для измерений зависимости полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля
Теоретические исследования электрон-фононного взаимодействия в двумерных структурах ведутся уже давно. В этих работах [119,125-128] обычно обсуждается либо температурная зависимость подвижности, либо зависимость мощности энергетических потерь, приходящихся на один электрон Qe в зависимости от эффективной температуры электронов. Типичная зависимость подвижности, как функция температуры представлена на рис.3 [129]. На данном рисунке представлены как экспериментальные данные для гетероструктуры AlGaAs/GaAs, так и теоретические зависимости для подвижности, обусловленной рассеянием на фононах. Как видно из рисунка, подвижность при низких температурах не определяется электрон-фоноиным взаимодействием. При этих температурах (Т 10Ц как было указано выше, определяющую роль в ограничении подвижности носителей играет электрон-примесное рассеяние. При повышении температуры все более заметным становится рассеяние на акустических фононах. В наиболее чистых структурах характеристическая температура, отделяющая температурную область рассеяния на примесях от области доминирования акустического электрон-фононного взаимодействия, смещается в сторону более низких температур. Теоретически максимально возможная подвижность двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs определяется именно электрон-фоионным взаимодействием и, как было показано в работах [130,131], для поверхностной концентрации электронов ns=4.2-10n см2 составляет /=3 - 10 см В" с при Т=4.2 К, В области высоких температур подвижность двумерного электронного газа быстро падает с увеличением температуры.
Здесь преобладающим процессом рассеяния является процесс рассеяния на полярных оптических фононах. Так как упругие и диэлектрические константы в AlGaAs и GaAs схожи, плотность поверхностных фононов будет мала, и в расчетах рассеяния на оптических фононах в 2D системах можно принимать в расчет лишь объемные фононы GaAs[124].
Измерению .времени энергетической релаксации двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs посвящено большое количество экспериментальных работ. Однако, длительное время измерения энергетических потерь Qe, как функции электронной температуры Тє, в условиях сильного разогрева, оставались единственным способом определения темпа энергетической релаксации и, соответственно, температурных областей доминирования тех или иных механизмов рассеяния. При этом общепринятые методы определения электронной температуры в гетероструктурах по затуханию осцилляции Шубникова-де Гааза [132-135] при ТС 15-20К практически не работают. Кроме того, возникают трудности и при пересчете времени «остывания» электронов из данных по Qe. Используя в данном случае известные соотношения: приходится прибегать к численному дифференцированию, которое вносит дополнительную погрешность при определении те.
В интервале температур Те 20 К проводились эксперименты по определению характерного времени жизни оптического фонона Тю методом наблюдения люминесценции, обусловленной остыванием носителей при импульсном межзонном возбуждении [136,137]. Однако они способны дать информацию о неупругой релаксации только в области достаточно ярко выраженных процессов с участием оптических фононов. Интерпретация данных таких экспериментов осложняется тем, что измеренные величины Г/,о для гетероструктур обнаруживают значительный разброс определяемых значений ТІО в зависимости от энергии возбуждающего кванта - его близости к величине энергии запрещенной зоны полупроводников, из которых создается гетеропереход. Так для гетероперехода AIGaAS/GaAs rLCrl пс, если энергия кванта близка к ширине запрещенной зоны GaAs и TLO \.5 ПС, если энергия кванта близка к ширине запрещенной зоны AlGaAs [136,137]. Недавние наблюдения времен затухания люминесценции в объемном GaAs [138] показали, что картина релаксации при возбуждении носителей фотонами с энергией 2 эВ на самом деле еще более сложна в связи с различием вкладов в релаксационные процессы легких и тяжелых дырок.
Существующий метод прямого определения те, базирующийся на измерении временных зависимостей релаксации сопротивления в области развитых осцилляции Шубникова-де Гааза при пропускании коротких электрических импульсов через образец, был использован для определения времени энергетической релаксации электронов в объеме полупроводников [139], полуметаллов [140], в двумерном газе у поверхности кремния [141], а также и в 2D газе гетеропереходов AlGaAs/GaAs [142]. В работе [142], авторы которой исследовали энергетическую релаксацию двумерных носителей в области доминирования акустического рассеяния (диапазон температур Т—4.2-14 К), сделана оценка те=0.5 не. К сожалению, при этом не учитывалось влияние на релаксационные процессы довольно сильного магнитного поля (2-3 Тл). Кроме того, данные прямые методы определения времени энергетической релаксации также не работают при температурах, где осцилляции Шубникова-де Гааза существенно подавлены.
Впервые прямым методом в квазиравновесных условиях, из измерений релаксации фотоотклика в миллиметровом диапазоне волн, были определены неупругие времена релаксации двумерных носителей в AlGaAs/GaAs гетеро структурах авторами [130,131]. В данных работах изучается температурная область, отвечающая переходу от рассеяния электронов на пьезоакустическом потенциале к рассеянию на деформационном потенциале. Авторами было показано, что времена релаксации энергии при низких температурах определяются лишь температурой электронов, В области низких температур (Т 3 К) ге обратно пропорционально электронной температуре, что указывает на преобладание пьезоакустического механизма электрон-фононного взаимодействия; в области Т 4,2 К время энергетической релаксации слабо зависит от температуры, что связано с повышением роли рассеяния на деформационном потенциале. Область температур, в которой электрон-фоношюе взаимодействие связано с участием оптических фононов, в данных работах не рассматривается.
Влияние эффекта прямого детектирования на полученные значения шумовой температуры смесителя
Не смотря на то, что в практических приемниках, обычно используют твердотельные гетеродинные источники (например, диод Ганна с умножителями частоты, полупроводниковые лазеры), отличающиеся компактностью и малым энергопотреблением, во многих лабораториях на этапе проведения исследований в коротковолновой части субмиллиметрового диапазона применяют газовые лазеры. Это связано с высокой стоимостью твердотельных гетеродинных источников, которые в настоящий момент активно разрабатываются и поэтому не выпускаются серийно. Кроме этого, такие источники не имеют запаса излучаемой мощности, который необходим при проведении комплекса лабораторных исследований на этапе разработки. Более того, оптимальная требуемая мощность гетеродина является одной из ключевых характеристик, ввиду ограничения мощности используемых источников.
В настоящее время наиболее распространен субмиллиметровый газовый лазер с селективной накачкой излучением от СОг-лазера. Он обладает большим набором линий генерации (используя различные рабочие газы) перекрывающий диапазон частот от 0.7 до 5.2 ТГц, достаточной стабильностью и высоким уровнем выходной мощности [102].
В наших экспериментах мы использовали лазер на парах воды с накачкой от газового разряда постоянного тока. Схематический чертеж лазера представлен на рис. 11. Лазер состоит из отдельных блоков, которые жестко крепятся друг к другу. Для вакуумного уплотнения служат тонкие резиновые прокладки. Разрядная труба 5 лазера состоит из двух частей, изготовленных из плавленого кварца и имеющих отростки для катода и анода, имеет длину 2750 мм, внутренний диаметр 42 мм и толщину стенок 2.5 мм. Труба подвешена на кольцевых резиновых уплотнениях внутри двух стеклянных труб 4 внешним диаметром 58 мм. Для охлаждения между кварцевой и стеклянной трубами пропускается вода. Катодный отросток ввиду значительного нагрева, так же имеет «рубашку» охлаждения. Лазер крепится в трех точках опоры: на месте переходного фланца 6 соединяющего две части разрядной трубы и на противоположных концах трубы. Головки лазера крепятся к кварцевой трубе через переходные дюралюминиевые фланцы, посредством резиновых уплотнений.
Во время работы через лазер непрерывно прокачивается газовая смесь: Н2О + НгСНе). Лазер откачивается со стороны анода механическим форвакуумным насосом через ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Рабочая смесь подается через катод, а ее расход и парциальный состав регулируется газовыми натекатслями. Оптимальные парциальные давления компонент рабочей смеси, при которых мощность генерации на данной длине волны лазера максимальна, подбираются опытным путем и составляют -0.1 и 0.5 мм. рт. ст для воды и водорода и -0.15 и -0.3 мм. рт. ст для воды и гелия, соответственно. Расход за 8 ч работы лазера составляет -0.5 г воды и —3 л водорода для смеси Нг + 1 ЬО.
Лазер питается от источника постоянного напряжения 2.5 кВ со схемой стабилизации тока имеющей динамическое сопротивление 1 МОм и относительную нестабильность 0.1% за время двухчасовых измерений.
Положительный потенциал от источника питания поступает на анод, катод имеет нулевой потенциал (заземлен). Анодом 3 служат 6 стальных стержней с медными наконечниками, закрепленных на латунном колпаке 7. Конструкция и материал анода не оказывают заметного влияния на характеристики разряда. Напротив, форма и материал катода практически полностью определяют кратковременную стабильность тока газового разряда, от которой зависит и стабильность излучения лазера. При неудачном выборе конструкции и материала катода эмиссия с его поверхности сопровождается хаотически возникающими и хорошо заметными микро-вспышками дугового разряда, а в разрядном токе наблюдаются импульсы с длительностью фронта 0.1 мкс. При использовании медных катодов стабильность тока улучшается, но создается другая проблема — медь сильно распыляется и осаждается на стенках разрядной трубы уже через несколько часов работы лазера.
Катод 10 выполнен из нержавеющей стали и смонтирован на охлаждаемом проточной водой латунном колпаке, укрепленном к фланцу рубашки охлаждения катодного отростка. Полый цилиндр катода длиной 20 см имеет внешний и диаметр полости 24 мм и 15 мм, соответственно. Для пространственного ограничения разряда верхний конец внутреннего канала катода заужен до 1 мм. Разряд с таким катодом обладает стабильными характеристиками, что характерно для разрядов с так называемыми полыми катодами. Так, в рабочем режиме при токе 1 А шумовая компонента тока разряда в полосе до 5 МГц не превышает 1 мЛ.
Для электрической развязки откачка со стороны анода производится через эбонитовую трубку сечением 10 мм и длиной в 1.5 раза превышающей разрядную длину лазера.
Открытый резонатор лазера образован плоским 2 и сферическим 8 зеркалами. Радиус кривизны сферического зеркала 600 см. Расстояние между зеркалами составляло 2760 мм. Сферическое зеркало изготавливалось осаждением золота на обработанную по оптическому классу точности стеклянную поверхность методом вакуумного испарения. При диаметрах плоского и сферического зеркал 35 и 40 мм соответственно, дифракционными потерями для основного типа колебания резонатора можно пренебречь.
Поведение полосы преобразования AlGaAs/GaAs смесителя от магнитного поля
Исследования полосы преобразования NbN смесителей проводились как по традиционной методике с двумя монохроматическими источниками излучения, так по. оригинальной методике при использовании НЕМТ-усилителей и шумового источника сигнала находящегося внутри гелиевого криостата.
Схема установки традиционной методики представлена на рис 14. Две лампы обратной волны ОВ-44, работающие на частотах порядка 900 ГГц, использовались в качестве гетеродинного и сигнального источника. Частота сигнального источника фиксировалась, а гетеродинного перестраивалась. Мощность обоих источников регулировалась поляризационными квазиоптическими аттенюаторами. Высокочастотное излучение обоих источников фокусировалось при помощи линз из фторопласта для создания возможно узкого пучка, смешивалось при помощи делителя луча из майларовой пленки толщиной 50 мкм и заводилось внутрь гелиевого криостата через фторопластовое окно. На азотном экране криостата устанавливался фильтр из материала «Zitex», который предохранял смесительный блок от нагрева инфракрасным излучением. Применяемый в данных измерениях смесительный блок был аналогичен тому, что использовался при измерениях шумовой температуры, за одним исключением — съем ПЧ сигнала осуществлялся посредством микрополосковой 50-омной линии.
Сигнал на промежуточной частоте после адаптера смещения сразу выводился из криостата и поступал на вход цепочки усилителей. Вследствие ограниченного динамического диапазона смесителя и высокой шумовой температуры ультра-широкополосных усилителей мы использовали две цепочки усилителей в диапазоне от 0.5 до 9 ГГц (по два усилителя в диапазоне 0.5-4 ГГц с общим коэффициентом усиления 55 дБ и в диапазоне 3.7-9 ГГц с общим коэффициентом усиления. Мощность усиленного сигнала регистрировалась термисторным измерителем мощности. Значение промежуточной частоты измерялось при помощи анализатора спектра, подключенного через направленный ответвитель.
При измерениях зависимостей выходной мощности от промежуточной частоты при низких мощностях сигнала нам приходилось для усиления использовать цепочки, состоящие из трёх усилителей (около 65-80 дБ во всём частотном диапазоне). Чтобы избежать насыщения последнего усилителя шумами первого перед последним усилителем в цепочку включался перестраиваемый фильтр с полосой пропускания 20 МГц и перестройкой центральной частоты в диапазоне от 1.8 до 12 ГГц. Измерения при низкой мощности сигнала показали, что мощность на выходе смесителя около -65 дБм не выходит за границы динамического диапазона смесителя на эффекте электронного разогрева на основе плёнки NbN с толщиной вплоть до 2 нм.
Вторая методика заключается в использовании в качестве сигнального источника излучение «черного тела» находящегося внутри криостата и имеющего различігую температуру. В этом случае делитель луча так же располагался внутри криостата. Смена нагрузки осуществлялась посредством специального устройства на основе двух соленоидов, управляемого постоянным током. Температура подвижной нагрузки устанавливалась около 100-120 К при помощи резистивного нагревателя. Температура второй нагрузки, термически привязанной к холодной плате криостата, оставалась неизменной и равной около 10 К. Усиление сигнала производилось при помощи каскадов усилителей используемых при измерениях шумовой температуры (табл.3). Путем перестройки полосно-пропускающих фильтров в диапазоне несколько превышающего полосу каждого из усилителей проводили измерения частотной зависимости сигнала на промежуточной частоте. Нужно заметить, что при столь слабых сигналах собственные шумы первого каскада усиления, в особенности вне полосы усилителя, оказывали большое влияние на частотную зависимость. Для этого производилась калибровка всего усилительного тракта при помощи согласованной 50-омной SMA-нагрузки на входе НЕМТ-усилителя. Частотная зависимость шумов усилительного тракта измерялась при двух различных температурах SMA-нагрузки. Из данных зависимостей рассчитывалась частотная зависимость, как коэффициента усиления, так и шумовой температуры всей усилительной цепочки. Используя данные характеристики тракта ПЧ, легко получить частотную зависимость эффективности преобразования смесителя.
Несмотря на то, что данная методика позволяет проводить измерения с одним монохроматическим источником, что в особенности представляет интерес для проведения исследований полосы промежуточных частот на высоких частотах гетеродина, где отсутствуют перестраиваемые источники, имеет один недостаток. Проведение исследований полосы ПЧ, используя данную методику, довольно трудоемкий процесс, связанный со сменой охлаждаемых усилителей, калибровкой усилительного тракта и занимающий несколько дней.
