Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию полосы преобразования терагерцовых смесителей на основе сверхпроводящих пленок NbZr и NbN, что включает в себя исследование времен энергетической релаксации в новом материале NbZr и исследование влияния на полосу преобразования электронно-разогревных смесителей частоты гетеродина, сопоставление полученных результатов ее измерения с существующими на сегодняшний день болометрическими моделями, позволяющими описывать физику процессов в данных структурах. А также разработке, созданию и исследованию полосы преобразования, требуемой мощности гетеродина и потерь преобразования смесителей на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs.
Актуальность темы исследования
Освоение терагерцового и субтерагерцового частотных диапазонов, с частотами соответственно 1ТГц<і"<10ТГц и 100 ГГц По мере развития радиоастрономии и терагерцовых технологий появилась возможность проводить астрономические измерения в терагерцовом диапазоне. Многие молекулярные соединения, важные для астрофизических процессов и планетарных наук, имеют четко выраженные вращательные или колебательные, испускательные или поглощательные линии в ТГц диапазоне частот, для наблюдения которых наиболее адекватным инструментом является гетеродинный приемник, обладающий высоким спектральным разрешением [1]. Спектроскопия в ТГц диапазоне при помощи гетеродинных приемников является одним из основных методов изучения процессов формирования звезд и планет. Помимо радиоастрономии наблюдения в ТГц и суб-ТГц диапазонах также представляют интерес для дистанционного зондирования земной атмосферы, который растет в связи с увеличением экологических проблем, таких как загрязнение атмосферы промышленными выбросами и разрушение озонового слоя атмосферы Земли [2]. До сих пор терагерцовый или другими словами дальний инфракрасный диапазон длин волн, от 50 мкм до 1 мм, - это мало исследованная часть электромагнитного спектра. С одной стороны, причиной тому служит технологическая сложность разработки и создания такого рода приборов. С другой стороны, наблюдения с поверхности Земли позволяют получить лишь малую часть всего объема полезной информации, так как электромагнитные волны инфракрасного диапазона хорошо поглощаются водяным паром, молекулами углекислого газа, озоном и другими молекулами, содержащимися в нижних слоях атмосферы. В ходе решения этой проблемы появлялись, продолжают использоваться и создаются различные баллонные -самолетные - и спутниковые платформы в основном для работы в области ближнего инфракрасного излучения [3,4, 5]. Развитие приемных элементов для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем развитие в области разработки и создания источников терагерцового излучения, хотя в последнее время и здесь наметился прогресс. Причем действительный интерес представляют не только рекордные параметры этих приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах. Для повышения чувствительности измерений на частотах выше 100 ГГц, где отсутствуют малошумящие усилители, используют гетеродинный приемник с высоким спектральным разрешением. Одним из основных элементов такого приемника является нелинейный элемент - смеситель, который смешивает слабое сигнальное излучение, улавливаемое антенной, с излучением гетеродина, работающего на близкой частоте. На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который можно легко зарегистрировать после усиления малошумящим усилителем. Исследования в области сверхпроводимости, в частности исследование эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводниковых пленках в середине 80-х годов, привело к созданию в 90-е годы нового класса приборов - сверхпроводниковых болометров на горячих электронах, в международной литературе обозначаемых как НЕВ (hot-electron bolometers) [б]. Наряду с появлением в начале 90-х годов сверхпроводниковых НЕВ смесителей был предложен еще один тип НЕВ смесителей, отличающихся от первых типом используемых материалов. Это смесители ТГц и суб-ТГц диапазона волн на эффекте разогрева двумерного электронного газа (2DEG) в полупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs, предложенные в [7, 8]. Электроны в таких гетероструктурах, как AlGaAs/GaAs, относительно слабо связаны с фононами, поэтому даже для малых рассеиваемых мощностей наблюдается эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме детектирования ТГц излучения. Такие параметры гетероструктуры AlGaAs/GaAs, как высокая подвижность носителей и ее зависимость от температуры, позволяют реализовывать на ее основе смесители, работающие при температуре жидкого азота - 77 К и выше. Охлаждение смесителя до этого уровня температур может легко осуществляться при помощи компактных криогенных машин. Основными достоинствами такого типа смесителей являются относительно высокая рабочая температура и широкая полоса преобразования (до 20 ГГц для диффузионного механизма охлаждения и до 37 ГГц для баллистического [9, 10]). В настоящее время многие проекты субмиллиметровой супергетеродинной радиоастрономии и зондирования атмосферы в терагерцовом диапазоне основаны на СИС смесителях, диодах Шоттки и на сверхпроводниковых НЕВ смесителях. Каждый из представленных типов смесителей обеспечивает работу в том или ином диапазоне частот, где его характеристики существенно лучше, чем у остальных. Благодаря сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние НЕВ смесители обладают очень высокой чувствительностью. За прошедшие годы технология этих смесителей значительно продвинулась вперед и на сегодняшний день они обладают наилучшими характеристиками и не имеют аналогов на частотах выше 1.2 ТГц. Низкая шумовая температура (950 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц [11]), измеренная в двухполосном режиме, и низкая требуемая мощность гетеродина (десятки нановатт - единицы микроватт) определяют НЕВ смесители, как единственный приемлемый тип для использования в современных радиоастрономических проектах на терагерцовых частотах. Эффект электронного разогрева в тонких разупорядоченных сверхпроводниковых металлических пленках обладает двумя очень важными свойствами: коэффициент поглощения не зависит от частоты вплоть до видимого диапазона частот и время энергетической релаксации электронов в таких структурах очень мало (для пленок NbN ~10'п с). Это позволяет реализовать смесители с полосой промежуточных частот более 10 ГГц [12], а также их работу на более высоких частотах гетеродина, чем разработанные к настоящему времени. Наиболее перспективным и исследованным сверхпроводниковым материалом, используемым для изготовления НЕВ смесителей к моменту начала работы над диссертацией, являлся NbN. Главным его достоинством является малое время электрон-фононного взаимодействия ~ 15 пс при температуре порядка 10 К, что в свою очередь соответствует полосе ПЧ 10.6 ГГц. Однако полоса преобразования, достигнутая для NbN смесителей с фононным каналом охлаждения к моменту начала работы над диссертацией, составляла 4.5 ГГц для плёнок толщиной 3.5-4 нм, осаждённых на подложку из кристаллического MgO [13]. Многие международные проекты, уже находящиеся на стадии реализации, предполагают использование сверхпроводящих смесителей на электронном разогреве в приёмниках наиболее высокочастотных каналов. Вместе с тем, в ряде современных проектов, находящихся на стадии разработки и направленных на радиоастрономические исследования с космическим базированием, к смесителям уже предъявлены требования, для реализации которых необходимо приложить значительные усилия в их разработке и оптимизации. Одним из наиболее значимых требований является широкая полоса преобразования (более 6 ГГц) при низкой шумовой температуре, превышающей не более чем в несколько раз квантовый предел. Актуальным в этой связи является поиск других сверхпроводниковых материалов демонстрирующих неравновесный отклик с постоянной времени пикосекундного диапазона. Этот поиск - длительный и трудоёмкий процесс, поскольку разработка процесса осаждения тонких сверхпроводящих плёнок требует значительных временных и материальных затрат. Перспективными материалами для разработки НЕВ смесителей представляются сверхпроводящие материалы и их сплавы с достаточно высокой критической температурой (такие как NbsGe, №>зА1 и др. с критической температурой до 20 К) и способные осаждаться в тонких сверхпроводящих пленках. Априори, невозможно указать на какой-либо сверхпроводник, который впоследствии окажется удачным с точки зрения технических применений; в частности одновременное выполнение всех условий для реализации широкой полосы преобразования может наблюдаться далеко не всегда. Весьма перспективным материалом является NbZr, имеющий довольно высокую критическую температуру в объеме (около 11 К), при этом он имеет весьма хорошие механические свойства и устойчив к воздействию окружающей среды. Проанализировав существующие технологии, приходим к выводу, что разработка, создание и оптимизация широкополосных НЕВ смесителей и гетеродинных приемников ТГц диапазона на их основе для радиоастрономических проектов, мониторинга атмосферы Земли и других практических приложений, необходимость исследования процессов релаксации в новых сверхпроводниковых материалах и в двумерном электронном газе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77 К, вызванная возможностью разработки новых типов ТГц смесителей является, несомненно, актуальной задачей. Целью диссертационной работы является исследование времени энергетической релаксации в тонких сверхпроводящих пленках NbZr и оценка перспективности материала NbZr в качестве нового для разработки НЕВ смесителей ТГц диапазона, исследование зависимостей полосы ПЧ для квазиоптических NbN смесителей от частоты гетеродина (для частот 0.3 ТГц и 2.5 ТГц) и сопоставление экспериментальных результатов с выводами существующих болометрических моделей, описывающих физику процессов в НЕВ смесителях, а также разработка и создание смесителей на основе разогрева 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs и исследование полосы ПЧ, требуемой мощности гетеродина и потерь преобразования. В качестве объекта исследования были выбраны узкие и тонкие мостики, изготовленные из сверхпроводниковой пленки NbZr, осажденной на подложки из сапфира с различной кристаллографической ориентацией, гетероструктуры AlGaAs/GaAs с двумерным электронным газом, квазиоптические смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 4.5 нм, осажденные на подложки из сапфира. Для достижения целей работы решались следующие задачи: В условиях однородного электронного разогрева исследовать зависимость полосы преобразования для узких и тонких мостиков из NbZr. Исследовать полосу преобразования квазиоптических NbN смесителей толщиной 4.5 нм на разных частотах гетеродина и в разных рабочих точках. Исследовать полосу преобразования квазиоптических смесителей на основе 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Исследовать зависимость потерь преобразования смесителя на основе 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs от подвижности двумерных электронов. Исследовать зависимость требуемой мощности гетеродина для смесителя на основе 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs от концентрации двумерных электронов. В процессе работы были получены новые научные результаты: Проведено исследование времени остывания горячих электронов в НЕВ смесителях на основе пленки NbZr от ее толщины. Показано, что оно пропорционально толщине пленки, что свидетельствует о том, что это время в тонких пленках NbZr ограниченно временем ухода неравновесных фононов в подложку. Показано, что полоса преобразования для квазиоптических NbN НЕВ смесителей наиболее точно описывается моделью неоднородного электронного разогрева и что она увеличивается на низких частотах гетеродина благодаря росту относительного вклада в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением. При помощи прямых измерений времени электрон-фононной релаксации в 2DEG гетероструктуры AlGaAs/GaAs получено значение времени жизни оптического фонона при температуре электронного газа 100-120 К. Исследована зависимость потерь преобразования смесителя на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs от подвижности двумерных электронов. Исследована зависимость требуемой мощности гетеродина смесителя на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs от концентрации двумерных электронов. В настоящей работе сформулированы и выносятся на защиту следующие положения: У Значения полосы преобразования для мостиков NbZr размером 10x1 мкм2 и толщинами 10, 20 и 30 нм, осажденных на сапфировую подложку в условиях однородного электронного разогрева, составили 450, 230 и 120 МГц, соответственно. Показано, что полоса преобразования в данном случае пропорциональна толщине пленки и определяется временем ухода неравновесных фононов в подложку, значения которого составили 0.35, 0.69 и 1.3нс. Полоса преобразования смесителя с фононным каналом охлаждения на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных электронов 2.7 -* 3.5x10" см"2 составляет 4.5±0.5 ГГц при Т=77 К. Время жизни оптического фонона в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре кристаллической решетки 77 К и температуре электронного газа 100 -*-120 К составляет гІС7=4.5±0.8 пс. Модель неоднородного электронного разогрева наиболее точно по сравнению с другими существующими болометрическими моделями (Перрин-Ваннесте, Карасик-Елантьев, Небосис-Семенов-Гусев-Ренк) описывает экспериментальные результаты измерения полосы ПЧ для NbN НЕВ смесителей. С уменьшением частоты гетеродина (<1 ТГц) полоса ПЧ NbN НЕВ смесителей увеличивается благодаря росту относительного вклада в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением. Практическая значимость работы подтверждается использованием разрабатываемых НЕВ смесителей в ряде международных проектов APEX, HERSHEL, которые ориентированы на радиоастрономические наблюдения, а также проектов направленных на исследование атмосферы Земли - SOFIA, TELIS. Также значимость подтверждается разработкой новых международных радиоастрономических проектов, таких как, FIRI и МИЛЛИМЕТРОН. Полученные знания о временах энергетической релаксации в тонких сверхпроводниковых плёнках NbZr определяют перспективность дальнейшей разработки НЕВ смесителей на основе этого материала. Знания, полученные в результате исследования времени электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, могут быть использованы при разработке различных полупроводниковых приборов на основе 2DEG. Разрабатываемые AlGaAs/GaAs смесители, работающие при 77 К, являются перспективными для использования в приборах ТГц тепловидения и инструментах ТГц радиоастрономии. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих российских и международных научных конференциях и симпозиумах: Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004) 7-я Российская конференция по физике полупроводников (Звенигород, 2005) Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 2005) 17, 18 и 19-ом международном симпозиуме по космическим терагерцо-вым технологиям (Франция, США и Голландия, 2006,2007 и 2008) - 4-ой международной конференции «Антенны, радары и распространение радиоволн» (Канада, 2007) Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 публикациях, список которых приведён в конце автореферата. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка публикаций автора и списка литературы. Объём работы составляет 139 страниц, включая 35 рисунков и 4 таблицы. Список литературы состоит из 143 наименований источников.Похожие диссертации на Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном гетеропереходе AlGaAs/GaAs
