Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 18
1.1 Супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн на основе ДБШ и СИС 18
1.2 Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках 22
1.3 Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения 28
1.4 Соотношения Джозефсона 33
1.5 YBaCuO ДП на бикристаллической подложке 41
1.6 Выводы и постановка задачи. 47
Глава 2 Экспериментальные установки и методики измерений 50
2.1 Технологические аспекты изготовления NbN смесителей и ВТСП джозефсоновских переходов на бикристаллической подложке 51
2.1.1 Волноводные NbN смесители 51
2.1.2 ВТСП джозефсоновские переходы на бикристаллических подложках .58
2.2 Методика измерения шумовой температуры NbN НЕВ смесителей 60
2.3 Методика измерения полосы преобразования волноводных NbN смесителей. 67
2.3.1 Традиционная схема с двумя монохроматическими источниками 67
2.3.2 Модуляционная методика измерений. 71
2.4 Определение основных электрофизических параметров ДП 74
2.5 Исследование детекторного отклика ДП на бикристаллических подложках в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн. 76
2.6 Заключение 80
Глава 3 Шумовая температура волноводных NbN смесителей терагерцового диапазона 81
3.1 Шумовая температура волноводных NbN смесителей на частоте гетеродина 1- 1.27 ТГц 81
3.2 Полноводный NbN приемник, установленный на терагерцовом телескопе Смитсоновской Астрофизической Обсерватории 91
3.3 Шумовая температура волноводных NbN смесителей на частоте гетеродина 1.5 ТГц 103
3.4 Выводы. 114
Глава 4 Полоса преобразования волноводного NbN НЕВ смесителя на частотах 0.8 ТГц и 1.2 ТГц. 115
4.1 Измерение полосы преобразования смесителей на частоте 0.8 ТГц и 1.27 ТГц для NbN волноводных смесителей двух видов 115
4.2 Зависимость полосы преобразования смесителей от напряжения смещения смесителя 124
4.3 Возможности увеличения полосы преобразования смесителей 133
4.4 Выводы. 134
Глава 5 Исследование СВЧ отклика ВТСП ДП на бикристаллических подложках 136
5.1 Характеристики ВТСП ДП на бикристаллической подложке 136
5.2 СВЧ свойства ВТСП ДП и ЦДП на бикристаллической подложке 146
5.3 Выводы 156
Заключение 157
Список публикаций автора 159
Литература 161
- Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения
- Методика измерения шумовой температуры NbN НЕВ смесителей
- Полноводный NbN приемник, установленный на терагерцовом телескопе Смитсоновской Астрофизической Обсерватории
- Зависимость полосы преобразования смесителей от напряжения смещения смесителя
Введение к работе
Изучение межпланетного и межзвездного пространства происходит, главным образом, на основании исследования их электромагнитного излучения. За годы своего развития радиоастрономия обогатила человечество знаниями о природе явлений, происходящих внутри космических объектов и окружающего пространства. По мере развития технологии появились возможности проводить измерения в ранее недоступных субмиллиметровой (субмм) и дальней инфракрасной области спектра (дальняя РІК) с длинами волн от 100 до 1000 мкм (300 ГГц-3 ТГц), именуемой терагерцовым диапазоном. В этом диапазоне спектр излучения Вселенной включает в себя порядка 40 тыс. отдельных линий, но произвести наблюдения удалось только нескольких тысяч из них [1, 2]. В силу того, что основные исследуемые объекты имеют температуру порядка 100 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 ТГц диапазоне, воды, СО могут дать исчерпывающую информацию об областях формирования звезд, где окружающий их газ облучается горячей молодой звездой.
Вращательные переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере, таких как вода, кислород, хлор, соединения азота могут служить для мониторинга целостности озонового слоя, и причин его разрушения; глобального потепления и загрязнения атмосферы.
Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Зем- ли затруднено сильным поглощением терагерцового излучения в атмосфере, в основном 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, коэффициент пропускания атмосферы, в которых не больше 40%, например, в высокогорных областях Чили [4, 5*]. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах или с базированием на самолете, воздушном шаре или искусственном спутнике. В настоящее время существует несколько крупных меду народных проектов по созданию как наземных обсерваторий: APEX [6, 7] ALMA [8], так и размещенных на борту космических аппаратов: HERSHEL [9], SPIRIT [10]. В ближайшем будущем с их помощью будет собираться информация о космических объектах Вселенной.
Прогресс в разработке и создании приемников для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем в других областях субмиллиметровых технологии (например, в разработке гетеродинов). 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 электромагнитное излучение можно предварительно усилить при помощи малошумящих полупроводниковых усилителей [11]. На более высоких частотах предварительное усиление сопряжено со значительными трудностями, поэтому его 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 [12].
В качестве приемников прямого детектирования используются, например, разные виды болометров, работающие как при комнатной температуре, так и в криостатных системах при низких температурах. Для последних, значение мощности эквивалентной шуму (NEP) может составлять 10" - 10 Вт/Гц [13, 14]. Частотная полоса таких приемников определяется входными оптическими фильтрами и обычно составляет 50-100 ГГц [15].
Здесь же находят широкое применение детекторы на основе джо-зефсоновских переходов (ДП) [16]. Современные технологии позволили создать на основе низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) высокочувствительные детекторы и смесители с шумовой температурой до нескольких десятков Кельвин [17], 18]. Открытие высокотемпературной проводимости (ВТСП) [19] позволило расширить частотный диапазон применения (до нескольких терагерц) устройств на их основе [20], благодаря наличию у ВТСП материалов большей величины энергетической щели по сравнению с их низкотемпературными аналогами.
Однако, увеличение критической температуры подняло и собственные шумы ВТСП приемников [21] по сравнению с НТСП ДП, что затрудняет их применение. Так фликкер шум «І/f» обычно возрастает на 1-2 порядка [22]. К настоящему времени уже накоплен значительный экспериментальный материал, посвященный взаимодействию излучения с ВТСП ДП. Наряду с уже достаточно изученными эффектами, общими для всех сверхпроводников, для объяснения особенностей этого взаимодействия привлекаются специфические механизмы, характерные для структур на основе ВТСП [23].
Сейчас в ВТСП обнаружено и исследовано несколько видов отклика на СВЧ излучение: болометрический [13], джозефсоновский [23], неравновесный отклик сверхпроводниковой пленки, находящейся в резистивном состоянии, связанный с разогревом электронной подсистемы под действием излучения [24, 25], отклик, связанный с изменением кинетической индуктивности пленки под действием излучения [26]. Важным представляется обнаружение и исследование других механизмов СВЧ отклика, и условия (частотный диапазон, характерные величины СВЧ мощности и т.д.), в которых они проявляются.
Заметим, что при создании приемных устройств на основе ДП, ввиду обычно малого значения их нормального сопротивления, необходимо добиваться улучшения их согласовании с принимаемым излучением.
В спектроскопии высокого разрешения (АУЛА,>106) применяются гетеродинные приемники (когерентные). Основным элементом такого приемника является нелинейный элемент, который смешивает сигнальное излучение малой мощности, улавливаемое антенной, с излучением большой мощности близкой частоты, подаваемым на смеситель от генератора (гетеродина). На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который после усиления малошумящим усилителем регистрируется измерителем мощности.
До последнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались диоды Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [27, 28, 29]. Тем самым они становились удобным вариантом бортового приемника, несмотря на резкое ухудшение чувствительности с ростом частоты. Для улучшения отношения сигнала к шуму обычно увеличивалась постоянная времени измерения. Однако большим минусом смесителей на диоде Шоттки является большая мощность гетеродина (порядка нескольких милливатт), что труднодостижимо в коротко- волновой части субММ диапазона из-за отсутствия мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.
Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей, использующих туннельный переход "сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник" (СИС) [30, 31, 32]. Он состоит из двух сверхпроводников, разделенных ультратонким (несколько атомных слоев) оксидным слоем. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру близкую к квантовому пределу с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малую мощность гетеродина и отличается стабильностью к ее флуктуациям в процессе измерений. Однако шумовая температура СИС смесителя испытывает значительный рост, когда частота излучения приближается или превышает величину энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен (порядка 0.7 ТГц для ниобия).
Та же причина вместе с большим токовым шумом сильно затрудняет использование в короткой субММ области длин волн смесителей на эффекте Джозефсона, хотя они часто применяются в миллиметровой (ММ) части спектра.
Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников в терагерцовом диапазоне не достаточны для решения некоторых важных практических задач. С этим и связана актуальность настоящей работы. Имеется необходимость в создании и детальном исследовании чувствительных приемников терагерцового диапазона как когерентных, так и некогерентных.
Инструментом для решения задач, не требующих высокого разрешения, могут послужить ВТСП приемники на основе эффекта Джозефсона. Одним из самых воспроизводимых типов YBaCuO ДП, являются ДП, изготовленные на бикристаллической подложке. Для них характерна малая электрическая емкость и наличие туннельной компоненты проводимости.
Ее происхождение было связано с неупругим резонансным туннелирова-нием квазичастиц через конечное число локализованных состояний (ЛС). Применение цепочек ДП расширяет динамический и частотный диапазон, и позволяет улучшить согласование с принимаемым излучением. Исследование взаимодействия ММ и СубММ излучения с YBaCuO ДП на бикри-сталлической подложке и последовательных их цепочек важно для создания приемных устройств на их основе. При малой разрешающей способности, в комбинации с Фурье- или Гильберт-спектрометром, они находят применение в спектроскопии низкого и среднего разрешения (А/АА<№4) [33]..
Именно исследование особенностей отклика ВТСП ДП на принимаемое микроволновое излучение, в свете возможности использования данных структур в качестве детектора, является частью данного диссертационного исследования.
При необходимости высокого разрешения весьма обещающим является смеситель на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников [34, 35], так как он не имеет частотных ограничений по механизму смешения [36] и не содержит реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.
Этот новый класс приборов, называемый в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ) появился в результате проведенных исследований энергетической релаксации электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках [37, 38, 39]. Как выяснилось, эффект электронного разогрева реализуется в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии, под воздействием электромагнитного излучения. Если время электрон-фононного взаимодействия больше времени электрон-электронного взаимодействия, те.е, то энергетическое распределение квазичастиц (будем в дальнейшем говорить об электронах, в отличие от купе- ровских пар) соответствует распределению Ферми с эффективной электронной температурой (9, вообще говоря, отличной от её равновесного значения. Время релаксации электронной температуры, т&, определяет инерционность болометра на горячих электронах, а значит, и полосу промежуточных частот (ПЧ) НЕВ смесителя. Время г зависит как от материала сверхпроводника, так и от его геометрии.
Заметим, что перевод пленки в резистивное состояние может произойти под воздействием многих факторов - сильного магнитного поля, внешнего высокочастотного излучения, высокой рабочей температуры. В последнем случае, может быть реализован прямой детектор на эффекте электронного разогрева с значением NEP~10"19 В/Гц"/2 при Т=0.3 К. [14, 40].
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-фононному взаимодействию, рассеивается на фононах с характерным временем re.ph, причем неравновесные фононы, не нагревая фононной подсистемы, будут выходить из пленки в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фоионным и реализуется в случае «грязных» неупорядоченных 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 (ср/се), и чем быстрее "горячие" фононы уходят из плёнки в подложку за время zesc. Полоса ПЧ смесителей с фононным каналом охлаждения будет определяться взаимным соотношением Ср/се, времен Tesc и те.ер, достигая нескольких ГГц [41].
Для чистых пленок с большим коэффициентом диффузии электронов, D можно реализовать диффузионный канал охлаждения электронов [42, 43]. В этом случае длина чувствительного элемента смесителя L должна быть много меньше длины диффузии L<e_^D , где /^-длина диффузии электронов за время ve.Ph. 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 про-порциональна L , и для Nb при L=0.1 мкм полоса ПЧ может составлять ~9 ГГц [44]. Однако, здесь имеется целый ряд трудностей, определивших практическую трудность применения смесителя с диффузионным каналом охлаждения. Оптимальная по шумовой температуре область на вольт-амперной характеристике находится очень близко к точке ее срыва, что приводит к ухудшению стабильности приемника. Кроме того, малость размеров смесительного элемента 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. Необходимость обеспечения практически идеального контакта нормального металла и сверхпроводника, а материалы типа Nb или А1 склонны к быстрому окислению. Далее в озоре литературы мы в основном будем касаться только первого указанного типа НЕВ смесителей.
Смеситель на эффекте электронного разогрева осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты [37,45 39, 38]. Высокая чувствительность такого смесителя обусловлена большой температурной крутизной сверхпроводящего перехода. Скорость остывания электронной подсистемы задает ширину полосы преобразования. В работах [34, 36] было предложено использовать пленки Nb и NbN для создания супергетеродинных приемников.
Вариация объема смесительного элемента не влияет на эффективность преобразования, но приводит лишь к изменению требуемой опти- мальной мощности гетеродина и джоулевой мощности тока смещения. В силу ограниченности выходной мощности (до нескольких мкВт) существующих твердотельных источников, которые обычно применяются в реальных приемных системах (лазер или лампа обратной волны - реже), возможность уменьшения размеров смесителя выглядит очень полезной.
Существенное расширение полосы ПЧ для НЕВ смесителей с фо-нонным 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 NbN толщиной 2-3 нм.
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 короткозамк-нутой волноводной секции, со скалярной рупорной антенной [46]. В рамках данного исследования смесителей нас интересовали волноводные НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения, изготовленные из NbN пленки толщиной 3-4 нм. Выбор кристаллического кварца в качестве материала подложки сделан из-за простоты механической обработки и малой диэлектрической проницаемости кварца. Однако значение полосы ПЧ таких вол-новодных смесителей, изготовленных на основе тонкой 3-4 нм пленки NbN, не превышает 2 ГГц. В наземных радиотелескопах в основном применяются волноводные схемы приемников (в том числе и СИС) благодаря лучшему согласованию с принимаемым излучением.
Таким образом, вопрос расширение полосы преобразования волно-водных NbN смесителей с фононным каналом охлаждения, которые имели бы низкую шумовую температуру и требовали малой оптимальной мощности гетеродина является весьма актуальным для практической радиоас- трономии, в особенности для наблюдения далеких галактик из-за допле-ровского расширения спектральных линий. Кроме того, в связи с ограниченностью перестройки частоты гетеродинных источников излучения те-рагерцового диапазона, большее значение ПЧ дает возможность расширить детектируемый частотный диапазон.
К началу диссертационного исследования полученная шумовая температура волноводных NbN смесителей на частоте 0.6-0.8 ТГц составила 850 К [46]. Полоса ПЧ такого смесителя не превышала 2 ГГц. Позднее в работе [47] для волноводных смесителей была получена шумовая температура 1600 К на частоте гетеродина 1.035 ГГц. Указанные смесители тестировались при наблюдении спектральных линий СО (J=7->6) на частоте 805 ГГц, СО (J=6->5) на частоте 690 ГГц и СО (J=9->8) на частоте 1.0359 ТГц в Молекулярном облаке Ориона, проведенные на 10 метровом субмиллиметровом телескопе в обсерватории на г. Грахам (Mt.Graham) в штате Аризона, США [48].
Целью данной диссертационной работы является исследование волноводных смесителей на эффекте электронного разогрева, работающих в диапазонах частот 1-1.27 и 1.45-1.55 ТГц, из ультратонких сверхпроводящих пленок NbN, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, обладали малой мощностью гетеродина и могли быть применены в практическом приемнике на телескопе. Еще одной целью было исследование свойств отклика ВТСП ДП и последовательных их цепочек на бикристаллической подложке на излучение субмиллиметрового диапазона.
Объектом исследования являлись волноводные смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 3-4 нм, напыленные на подложки из кристаллического кварца, а также ВТСП джозефсоновские переходы на бикристаллических подложках из Zr02 и GaNd03.
Исследование шумовых характеристик волноводных смесителей проводилось в диапазоне частот 1.0-1.27 ТГц и 1.45-1.55 ТГц. Измерение полосы преобразования смесителей проводилось на частотах 0.8 ТГц и 1.26 ТГц по оригинальной методике с использованием разогретого теплового источника.
Микроволновый отклик ВТСП ДП измерялся в диапазоне частот 131-148 ГГц и 0.53-0.55 ТГц.
В работе были получены следующие новые научные результаты.
Созданы и исследованы новые волноводные смесители для частот 1-1.27 ТГц на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 3-4 нм с использованием подслоя MgO толщиной 200 нм
Впервые проведены измерения шумовой температуры NbN вол-новодного смесителя с подслоем MgO в диапазоне частот 1.45-1.55 ТГц. В экспериментах был впервые использован полностью твердотельный гетеродинный источник.
Впервые показана возможность значительного расширения полосы промежуточных частот волноводных NbN смесителей на кварцевой подложке до 3.7 ГГц за счет применения подслоя оксида магния между пленкой и подложкой. Предложена новая методика измерения полосы ПЧ смесителя при использовании нагретого тела в качестве источника сигнала.
Впервые обнаружено уменьшение времени релаксации электронной температуры волноводного NbN смесителя с увеличением напряжения при исследовании импеданса смесителя на промежуточной частоте.
Показана применимость модели неупругого резонансного тунне-лирования квазичастиц через конечное число локализованных состояний в проводящем канале для описания поведения зависимостей проводимости джозефсоновских переходов на бикристалли- ческой подложке из галлата неодима GaNdC^.
6. Показано улучшение согласования джозефсоновских переходов и их последовательных цепочек с падающем излучением при облучении ДП со стороны подложки.
В результате сформулированы следующие положения, которые выносятся на защиту.
Волноводные смесители с подслоем MgO между сверхпроводящей пленкой NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 1000 К при частоте излучения гетеродина 1.036 ТГц.
Шумовая температура волноводных NbN смесителей с подслоем MgO близка к двадцатикратному значению квантового предела и составляет 1450 К в диапазоне частот 1.44-1.56 ТГц при применении полностью твердотельного источника гетеродина.
Значение полосы промежуточных частот волноводных NbN разогрев-ных смесителей, изготовленных на подложке из кристаллического кварца с применением подслоя MgO, в оптимальной по шумовым параметрам точке достигает 3.7 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.
Время релаксации электронной температуры, полученное из исследования зависимости импеданса смесителя на ПЧ, уменьшается от 41 до 27 пс при увеличении напряжения смещения от оптимального до удвоенного оптимального.
Квазичастичная проводимость в ВТСП ДП на бикристаллической подложке из NdGa03 при V>VC осуществляется путем неупругого резонансного туннелирования через конечное число локализованных состояний.
Практическая значимость работы определяется созданием и использованием NbN волноводных смесителей терагерцового диапазона час- тот, являющихся основными элементами реального приемника. Такой приемник применяется для наблюдений спектральных линий СО (J 9-»8) молекулярного облака созвездия Ориона на частоте 1.0369 ТГц, проводимых на терагерцовом телескопе Смитсоновской астрофизической обсерватории (САО), установленном на вершине Cerro Sairecabur, Чили [49]. Это пока единственный в мире гетеродинный приемник терагерцового диапазона, работающий на частоте выше 1 ТГц.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 177 страницы, включая 40 рисунков и 7 таблиц. Библиография включает 164 наименования.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, научная новизна и практическая значимость работы, приводятся краткое содержание и основные результаты диссертации.
Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения
Для согласования смесителя по промежуточной частоте необходимо знать частотную зависимость импеданса смесителя. Выражение для зависимости импеданса смесителя от промежуточной частоты, согласно традиционной однородно-разогревной модели [71, 91, 92] в приближении Z(oo) = R записывается следующим образом:
Согласование смесительного элемента с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волноводной 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 [46, 94 ]. Обе схемы широко применяются и выбор в основном определяется возможностью изготовления приемника, а также решаемыми задачами. Например, изготовление волноводного приемника на терагерцовые частоты является сложной технологической задачей, невыполнимой пока для частот выше 2.5 ТГц. С другой стороны, на телескопах в основном применяются волноводные схемы приемников (в том числе и СИС) благодаря лучшему согласованию с принимаемым излучением.
Первые волноводные НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения, выполненные на основе тонких пленок Nb, показали двухполосную шумовую температуру Г„=690 К на частоте 20 ГГц [95] и имели полосу преобразования 80-100 МГц, обусловленную большим временем ieph. Дальнейший прогресс был достигнут с использованием пленок NbN, обладающих значительно меньшим временем электрон-фононного взаимодействия (12 пс при 10 К, см.1.2). Для волноводного 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 НЕВ смесителях. Было показано, что основной вклад вносит термодинамический шум, связанный с флуктуациями электронной температуры, мощность которых пропорциональна ее квадрату.
Существенное улучшение параметров NbN НЕВ смесителей оказалось возможным с получением высококачественных ультратонких пленок NbN толщиной 3-4 нм. В работе [46] были получены результаты измерения шумовой температуры волноводных NbN смесителей на частоте 0.6 - 0.8 ТГц. Она составила 850 К и полоса ПЧ не превышала 2 ГГц. Позднее, в [47] 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 в обсерватории на г.Грахам (Mt. Graham) в штате Аризона, США при наблюдении линий СО в Молекулярном облаке созвездия Ориона [48].
Для квазоптического варианта NbN НЕВ смесителей, на момент начала диссертационного исследования, Тп составляла 600 К на 0.75 ТГц [99], 2200 К на 1.4 ТГц [100], 2600 К на 1.6 ТГц [100], 2900 К на 2.5 ТГц [100] в полосе ПЧ 0.75 МГц с центральной промежуточной частотой 1.5 ГГц. На настоящий момент, лучшие существующие лабораторные приемники демонстрируют значения близкие к lOhv/k до частоты 2.5 ТГц [101].
Важной характеристикой терагерцового смесителя является оптимальная мощность гетеродина Pabs. 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 оптимальной мощности накачки смесителя. Это можно делать в первом приближении путем уменьшения объема болометрического элемента и [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 Ра (их/С(4.2)) является линейной [102], для смесителя с размером пленки в плане 0,6 х 0,13 мкм значение поглощенной мощности гетеродина составило всего 15 нВт. Для волновод-ных NbN смесителей с толщиной пленки 3-4 нм и размером в плане 0.1x1 мкм оцененная Раь5 «70 нВт [103 ]. Данный смеситель удавалось успешно накачивать излучением гетеродина частотой 1.5 ТГц, используя полностью твердотельный гетеродин [104].
В последнее время также наметился значительный прогресс в увеличении полосы преобразования NbN смесителей. В квазиоптические смесителях в качестве подложки используется кремний, сапфир или оксид магния. Тс пленки смесителя толщиной 3 нм достигает 9-11 К и относительно хорошее акустическое согласование пленки и подложки а (см. 1.2) [102]. Как результат, полоса ПЧ в таких смесителях достигает 5 ГГц [105]. В волноводных NbN смесителях роли материала для подложки выступает кварц в силу простоты механической обработки и малой диэлектрической проницаемости. Однако такие смесители на основе 3-4 нм пленок NbN демонстрируют полосу преобразования около 2 ГГц [46]. Совсем недавно в целях расширения полосы ПЧ было предложено использование подслоя MgO для улучшения акустической прозрачности границы пленка-подложка [94 , 106 ]. Исследование полосы волноводных NbN смесителей представлено в рамках данного диссертационного исследования в гл.4.
Методика измерения шумовой температуры NbN НЕВ смесителей
При напряжении V= V/ отклик расходится, изменяя знак при переходе через эту точку, то есть зависимость AU носит резонансный характер и отклик является селективным. При учете тепловых флуктуации, размывающих токовую ступеньку, расходимость исчезает и выражение (1.34) принимает вид: где SV=hAf/2e, определяемая шириной линии генерации, и Q = hf]2e Vc -нормированная частота сигнала. При увеличении V до щелевого, отклик заменяется классическим эффектом детектирования переменного внешнего сигнала на нелинейности ВАХ контакта.
Таким образом, ДП может применяться в качестве детектора в приемных системах, как для приема монохроматического излучения, так и сигналов с широким спектром. Вольт-ваттная чувствительность, являющаяся основным параметром детектора в первом случае, определяется как отношение изменения выходного напряжения детектора к вызвавшей ее падающей мощности.
Попытки улучшения согласования ДП с внешней электродинамической системой посредством увеличения сопротивления ДП, приводят к уширению линии генерации и ухудшению селективных свойств. В этой ситуации представляется целесообразным применение последовательных цепочек ДП (ЦДП). При этом сопротивление каждого перехода и ширина линии генерации малы, а общее сопротивление всей цепочки пропорционально числу звеньев. Также при использовании ЦДЛ наблюдается расширение динамического диапазона приемников [121] и большая по сравнению с ДП устойчивость к токовым перегрузкам.
Однако, имеют место строгие ограничения в разбросе параметров элементов цепочки [122 влияющие на возможность фазовой синхронизации звеньев цепочки и сужение линии джозефсоновской генерации AfN = AfiN (N - число звеньев цепочки). При разбросе параметров звеньев (Ic, RrJ, превышающим 20%, синхронизация переходов невозможна даже в случае сильносвязанной электродинамической системы [124, 125]]. Как показано в [126], для возможности синхронизации в ЦДП важен разброс дифференциальных сопротивлений в рабочей точке и напряжений на звеньях. Требования ограничения разброса напряжений смягчаются при воздействии СВЧ излучения, но при этом последнее синхронизирует только частоты генерации отдельных ДП, но не их фазы [126]. В работах [125,127] было предложено использование дополнительных элементов связи отдельных звеньев, однако это, возможно, усложнило бы построение цепочки и затруднило анализ процессов. Таким образом, технология производства ЦДЛ должна выдерживать требования разброса параметров отдельных звеньев до 5-10%.
Все ДП представляют собой либо туннельные сверхпроводящие переходы, для которых характерна значительная емкость контакта, либо ДП с непосредственной проводимостью [116]. Для последних свойственна очень малая емкость контакта ((3— 0), и на В АХ наблюдается так называемый избыточный ток 7 [110] (см. рис. 1.1а). В настоящее время существу ет широкий спектр ДП, изготовленных из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Из них к первому указанному типу можно отнести SIS (см. 1.1) структуры, однако при их использовании в качестве гетеродинных приемников, джозефсоновская генерация является паразитной. Торцевые ДП (ТДП) относятся к типу джозефсоновских контактов с непосредственной проводимостью [128]. Хорошая воспроизводимость параметров ТДП позволяла успешно создавать на их основе цепочки ДП [121, 129].
Как известно, сравнительно недавно открытые [19] высокотемпературные сверхпроводники представляют собой металлооксиды меди со сложной кристаллической структурой. Одним из наиболее изученных типов ВТСП являются соединения YBa2Cu307-x- Ярко выраженная анизотропия свойств [130, 131] наряду с поликристаллическим характером ВТСП керамики затрудняет изготовление образцов хорошего качества [132].
Для достижения воспроизводимости параметров поликристаллических ДП, была реализована идея создания ДП на одиночной межгранульной границе [133, 134]. Для этого высококачественная монокристаллическая пленка напыляется на подложку с контролируемой неоднородностью. Данным свойством обладает бикристаллическая подложка, которая состоит из двух монокристаллических частей с кристаллографическими осями, развернутыми на определенный угол (чаще всего 36 или 24 градусов) в плоскости подложки. В этом случае в процессе напыления ВТСП пленка растет в виде двух больших гранул, оси которых образуют тот же угол друг относительно друга. В области межгранульной границы образуется область с пониженным значением критического тока. Узкий мостик шириной 10 мкм, вырезанный на такой границе, обладает джозефсоновски-ми свойствами.
Полноводный NbN приемник, установленный на терагерцовом телескопе Смитсоновской Астрофизической Обсерватории
Все изучаемые нами волноводные NbN смесители изготовлялись двух видов: на подложке из кристаллического кварца Z-ориентации, толщиной 100 мкм и на той же подложке с промежуточным буферным слоем MgO. Последний был осажден методом электронно-лучевого испарения при нагреве подложки до 400С. Схема технологических процессов изготовления смесителей показана на рис. 2.1. Ультра тонкие пленки NbN были получены методом реактивного магнетронного распыления ниобиевой мишени в атмосфере аргона и азота на постоянном токе. Лучшие значения критической температуры Тс и плотности критического тока у с были получены при следующих параметрах процесса: парциальное давление аргона - 5x10" мбар; парциальное давление азота - 9х10"5 мбар; значения тока и напряжения разряда - 300 мА и 300 В; температура подложки - 850С. При указанных характеристиках процесса скорость осаждения сверхпроводниковой пленки, определенная посредством измерения толщины пленок и времени распыления, составила 0.5 нм/с. Толщина сверхпроводниковых пленок контролировалась по времени процесса осаждения на основе полученной скорости.
Волноводные смесители были изготовлены нами с использованием электронной и фото литографий в несколько этапов. Смесительный элемент - часть NbN пленки, находящаяся в зазоре между золотыми контактами - был сформирован посредством взрывной электронной литографии с использованием, для лучшей адгезии и электрического контакта, двойного слоя металлизации TiAu толщиной 30 нм (этап 3 на рис.2.1). Типичные размеры болометра составляли 0.08 - 0.2 мкм в длину и 1 - 1.5 мкм в ширину. Фотография центральной части смесительной структуры, полученная на электронном сканирующем микроскопе представлена на рис. 2.2. Следующим этапом изготовления смесительной структуры являлось создание интегрированного с болометром планарного фильтра низких частот (ФНЧ) и контактных площадок. Здесь использовалась фотолитография и процесс осаждения двойного слоя TiAu (Ті - 5 нм, Au - 100 нм). ФНЧ служат для уменьшения потерь излучения несущей частоты вдоль подложки со смесителем. Заключительная операция с использованием ионного источника связана с удалением NbN по всей поверхности пластины за исключением активной части сверхпроводника, которая была защищена слоем SiO. Последний был сформирован также при помощи электроннолучевой литографии. Полученные смесители разрезаются на фрагменты размером 5 на 5 мм. Данные размеры площадки были выбраны из удобства дальнейшей обработки подложки с нанесенными смесительными элементами, необходимой перед установкой в волноводный измерительный тракт. Для уменьшения потерь по несущей частоте, толщина подложки уменьшается с использованием машины «Lapmaster». Подложка шлифуется трением о рабочую поверхность машины при смачивании взвеси очень мелкого порошка оксида алюминия с размерами гранул 1 и 3 микрона. Конечная толщина подложки, разная в зависимости от используемой частоты гетеродина, представлена в таб. 2.1. Далее готовая подложка распиливалась при использовании алмазной дисковой пилы «Disco» на отдельные структуры, которые содержали смесительный элемент. Размеры структур, определяемые несущей частотой гетеродина, рассчитываются масштабированием микроволновой модели НЧ фильтров по длине волны излучения. Типичная температурная зависимость сопротивления смесителя представлена на рис. 2.3. Нормальное сопротивление смесительной структуры Rn выбирается близким к значению импеданса структуры фильтров НЧ, интегрированных с болометрическим элементом, который для исследуемых нами структур составляет порядка 60-80 Ом. При поверхностном сопротивлении R,:/NbN пленки толщиной 3.5- 4 нм равном 500-650 Ом/квадрат, требуемое отношение длины рабочего элемента к его ширине L/w составляет порядка 10 раз. Однако на практике, R„ смесителя оказывается всегда больше ожидаемого из известной геометрии и из полученного значения поверхностного сопротивления пленки, то есть Rn RD xL/w.
В самом деле, измеряя сопротивление смесителя, мы не можем избавиться от омического сопротивления контакта между NbN пленкой и двухслойной структурой золото-титан, образующей контактные площадки. Вследствие того, что RD NbN пленки много больше Rn золота RnAu 0.5-1 Ом/а, постоянный ток течет по контактам и входит в смесительный элемент только на некотором расстоянии от контакта 1Т- Сопротивление смесителя может быть записано как [144] где рс — удельное контактное сопротивление, характеризующее вклад указанного выше омического контактного сопротивления, и имеющее размерность Омхсм2. Появление данного паразитного сопротивления может быть обусловлено несколькими причинами, связанными со сложностью технологических процессов. Такими причинами являются: 1) наличие оксидного слоя на пленке NbN, связанного с неизбежным контактом напыленной пленки с атмосферой при нанесении резистов для литографических процессов; 2) загрязнение титана газами в процессе его быстрого напыления; 3) абсорбирующие поверхности внутри вакуумного объема [146]. Количественная оценка рс может быть проведена «методом переноса длины», предложенным в [145], и требует изготовления структур разной длины с дальнейшим измерением их сопротивления.
Зависимость полосы преобразования смесителей от напряжения смещения смесителя
В самом деле, измеряя сопротивление смесителя, мы не можем избавиться от омического сопротивления контакта между NbN пленкой и двухслойной структурой золото-титан, образующей контактные площадки. Вследствие того, что RD NbN пленки много больше Rn золота RnAu 0.5-1 Ом/а, постоянный ток течет по контактам и входит в смесительный элемент только на некотором расстоянии от контакта 1Т- Сопротивление смесителя может быть записано как [144] где рс — удельное контактное сопротивление, характеризующее вклад указанного выше омического контактного сопротивления, и имеющее размерность Омхсм2. Появление данного паразитного сопротивления может быть обусловлено несколькими причинами, связанными со сложностью технологических процессов. Такими причинами являются: 1) наличие оксидного слоя на пленке NbN, связанного с неизбежным контактом напыленной пленки с атмосферой при нанесении резистов для литографических процессов; 2) загрязнение титана газами в процессе его быстрого напыления; 3) абсорбирующие поверхности внутри вакуумного объема [146]. Количественная оценка рс может быть проведена «методом переноса длины», предложенным в [145], и требует изготовления структур разной длины с дальнейшим измерением их сопротивления.
Применение подслоя оксида магния при изготовлении смесителя неизбежно влияет на его электрофизические характеристики. Морфология кварцевой подложки не является идеальной. Тонкая пленка NbN растет, повторяя профиль подложки, местами с образованием дефектов пленочной структуры глубиной до нескольких нанометров. Это сравнимо с толщиной самой пленки нитрида ниобия [146]. В то время как, достаточно толстый слой оксида магния величиной 200 нм улучшает качество поверхности материала перед напылением NbN пленки, сглаживая поверхностные дефекты подложки. Таким образом, мы ожидаем лучшего качества напыленной NbN пленки.
Все исследованные нами джозефсоновские структуры были изготовлены в лаборатории криоэлектроники на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова. Разработка геометрии изученных ДП и шаблона-маски проводилась нами совместно с сотрудниками данной лаборатории.
Для изготовления ДП использовались тонкие пленки УВа2Сііз07-8 толщиной 50-е-200 нм, напыленные на бикристаллические подложки из галлата неодима (NdGaCb) и фианита (ZrC 2, стабилизированный иттрием). Каждая подложка представляла собой два сваренных кристалла, симметрично развернутых относительно друг друга в плоскости (001) на углы 32 и 36.8 соответственно. Как правило, поверхность обеих частей имела ориентацию (100) с точностью 1-г-2. Этот параметр необходимо контролировать, иначе разориентация осей одной из половинок относительно поверхности кристаллов может привести к росту принципиально разных по качеству и свойствам сверхпроводящих пленок YBaCuO. Все подложки подвергались химико-механической полировке [147,148]. Перед напылением качество подложек тщательным образом контролировалось под микроскопом, что позволяло на ранних стадиях изготовления выявлять образцы с дефектами в области сшивки, чтобы впоследствии избежать попадания на это место формируемых структур.
Пленки УВагСизОуЗ наносились на подложки из фианита и NdGaCb с поликристаллической мишеней при использовании лазерного распыления. После напыления пленки подвергались отжигу при температуре 400С в атмосфере кислорода в течение не менее 30 минут [147]. Толщина полученных пленок составляла 50ч-100 нм с критической температурой Тс 90 К. Наиболее эффективное тестирование YBa2Cu307-S пленки производилось при помощи измерения зависимостей магнитной восприимчивости [147]. При этом четко отслеживается как температура перехода в сверхпроводящее состояние в целом, так и ширина такого перехода в области слабой связи - бикристаллической границы. Критерием качества полученной пленки являлись также результаты исследование температурных зависимостей сопротивления пленки R(T) и плотности критического тока JC(T), типичное значение последнего параметра составляло 4 -6х10А/см" при Т=10К. Для формирования структуры в пленке использовался стандартный процесс фотолитографии с последующим травлением в 0.1% раствора азотной кислоты [143], при этом скорость травления, в зависимости от качества и структуры пленки, составляла 7ч-8 нм/дЭркозефсоновские переходы шириной Зч-5 цм были сформированы на бикристаллических подложках из фианита и ЫсЮаОз размером 10x10 и 5x5 мм2, с углами разориентации 32 и 36.8, соответственно. Обычно на одной подложке формировалось 7-12 одиночных структур или их последовательных цепочек в зависимости от размеров и геометрии в едином технологическом цикле. Готовая подложка со структурами с помощью клея крепилась внутри стеклотекстолитового контейнера с медными площадками по количеству контактов на образце. Тонкие серебряные провода разваривались одним концом к золотым контактам структур, а другим к медным площадкам на контейнере. Во всех прикладных задачах, где могут быть использованы описанные выше джозефсоновские переходы - одномерные цепочки и мостики - очень важна временная стабильность параметров. Поэтому все изготовленные структуры успешно подвергались многократному термоцикли-рованию. Измерения показали, что при хорошей влагозащищенности заметного изменения их характеристик не отмечалось.
Смесительная структура размещается в короткозамкнутой волно-водной секции поперек сечения волновода как показано на рис.2.4. Расстояние от плоскости подложки до коротко замыкающей стенки волновода h определяется согласованием с частотой входного излучения, и показано в таб. 2.1
Волноводная смесительная камера состоит из двух частей. Фронтальная секция камеры, несущая скалярный рупор для согласования входящего излучения с волноводом, имеет сверхтонкие пружинные контакты из бериллиевой бронзы для включения миксера в измерительную цепь. В другой части камеры, в микроканале находится смесительная структура, как показано на рис. 2.5, которая затем зажимается между двумя частями камеры.
