Введение к работе
Актуальность.
В последние годы неуклонно растет интерес к созданию чувствительных широкополосных приемных устройств миллиметрового (ММ) и субмиллпмегрового (СММ) диапазонов длин волн. Системы этого диапазона, в частности, нужны для проведения различного рода радиоастрономических наблюдений, исследования атмосферы Земли, радиолокации и т.д. В соседнем сантиметровом диапазоне лучшими на сегодняшний день являются приемники прямого усиления на транзисторах и сквидах, а в инфракрасном диапазоне рекордные характеристики имеют квантовые фото приемники и болометры на основе легированных полупроводников.
Практически во всем ММ и в значительной части СММ диапазона первенство удерживают супергетеродинные приемники на туннельном переходе еверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Однако, на частотах выше 1 ТГц их шумовая температура резко растет. Смесители на основе диодов с барьером Шоттки работают в ММ и СММ диапазонах, но их чувствительность часто бывает недостаточной для практических прнменешій, а требуемую большую мощность гетеродина в коротковолновой части СММ диапазона трудно реализовать даже в лабораторных условиях. В СММ диапазоне достаточно малой шумовой температурой обладают полупроводниковые фотоприемники из n-InSb, однако присущая им малая, порядка 1 МГц, полоса промежуточных частот существенно ограничивает область их применения.
Таким образом, проблема практической реализации чувствительных и широкополосных приемников в коротковолновой части СММ диапазона неразрывно связана с поиском новых альтернативных механизмов преобразования частоты. Одним из перспективных направлений в этой области является использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты электромагнитного излучения.
Эффект разогрева электронов выступает как достаточно универсальное явление для широкого класса сверхпроводников. Основным условием его реализации является обеспечение преобладающего вклада электрон-электронного неупругого рассеяния в энергетическую релаксацию электронной подсистемы, что выполняется для неупорядоченных пленок с малой длиной свободного пробега L Теоретически и экспериментально показано, что для таких пленок происходит
2 усиление электрон-электронного взаимодействия и ослабление электрон-фононного [1-2]. При внешнем воздействии это ведет к формированию неравновесной функции распределения квазичастиц с эффективной температурой, превышающей температуру термостата. Высокая чувствительность резистивного состояния пленок сверхпроводников к разогреву электронов, обусловленная большой температурной крутизной сопротивления, позволяет использовать их в качестве смесительных элементов. Быстродействие смесителя на горячих электронах определяется скоростью остывания электронной подсистемы. Существуют два различных механизма охлаждения электронов. Если длина пленки, L, меньше электронно-тепловой длины, то работает диффузионный канал и "горячие" электроны охлаждаются за счет выхода в "холодные" металлические приконтактные области, причем постоянная времени этого канала пропорциональна L2 [3]. Другой механизм заключается в остывании электронов за счет электрон-фононного взаимодействия, так называемый фононный канал. Если при этом обеспечен быстрый уход неравновесных фононов в подложку, что реализуется для достаточно тонких пленок, то фононы успевают покидать пленку быстрее, нежели рассеиваться на электронах, и фононная подсистема пленки остается в равновесии с термостатом. Полоса промежуточных частот (ПЧ) смесителя определяется в этом случае в основном временем электрон-фононного взаимодействия, которое зависит от материала, его чистоты и температуры, составляя в области гелиевых температур 10-8-10" с для различных сверхпроводников. В работе [4] была измерена температурная зависимость времени электрон-фононного взаимодействия для пленок NbN. При 10 К оно составляет «15 пс, что определяет максимально возможное значение полосы ПЧ смесителя «10 ГГц.
Воздействие электромагнитного излучения на пленку сверхпроводника является неселективным в широком спектральном интервале, поэтому потери преобразования смесителя на эффекте разогрева электронов в принципе не должны зависеть от частоты вплоть до ближнего инфракрасного диапазона [5]. Импеданс сверхпроводящей пленки на высокой частоте является чисто активным, что дает возможность достаточно просто согласовывать чувствительный элемент с различными типами приемных антенн. Коэффициент преобразования смесителя не зависит от его объема, что позволяет при необходимости регулировать величину требуемой мощности гетеродина. Так, уменьшение этой величины является весьма актуальным для большинства радиоастрономических задач, так как снижает требования к мощности гетеродина. В тех же случаях, когда используются
значительные интенсивности сигнала, как, например, в спектроскопии и диагностике плазмы, динамический диапазон может быть расширен путем увеличения размеров чувствительного элемента в плане. Следует отметить, что большой динамический диапазон и широкая полоса ПЧ могут быть реализованы одновременно только для смесителей с фононным каналом охлаждения. Для смесителей с диффузионным каналом увеличение размеров элемента в плане приводит к резкому сужению полосы ПЧ за счет увеличения постоянной времени диффузионного канала.
В работе [6] продемонстрирована возможность использования пленок Nb и NbN для создания супергетеродинных приемников на эффекте разогрева электронов. В [7] показано, что для этих смесителей теоретический предел двухполосной шумовой температуры без учета квантовых флуктуации составляет -50 и 100 К для Nb и NbN, соответственно. Однако, на момент начала этой работы измерения проводились только на относительно низких частотах (20-350 ГГц) и лучшие значения двухполосной шумовой температуры приемника составили: 690 К на частоте 20 ГГц (волноводный Nb смеситель) [8], 1000 К на частоте 100 ГГц (полноводный NbN смеситель) [9] н 3000 К на частоте 350 ГГц (квазиоптический NbN смеситель) [10]. Оптимальная поглощенная мощность гетеродина находилась в пределах нескольких микроватт. Уменьшение этой величины представляет значительный практический интерес для СММ диапазона, где проблема создания мощных компактных источников излучения еще не решена.
Кроме того, не было уделено достаточно внимания вопросу оптимизации полосы ПЧ. которая составляла 800-1000 МГц для смесителей из NbN [9-10]. Не исследовалось влияние толщины пленки, ее критических параметров (критической температуры, Тс, и плотности критического тока, jc), а также больших мощностей электромагнитного излучения и транспортного тока, соответствующих рабочим условиям смесителя, на его полосу ПЧ.
Отсюда вытекают цель и задачи диссертации.
Целью настоящей диссертационной работы являлось построение квазиоішіческого смесителя субмиллиметрового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN, сочетающего высокую чувствительность, широкую полосу промежуточных частот и малую требуемую мощность гетеродина; экспериментальное исследование его шумовых и частотных характеристик и сопоставление полученных результатов с выводами модели однородного электронного разогрева.
4 При этом в диссертации решались следующие задачи:
-
Изучение зависимости времени релаксации электронной температуры в пленке NbN при интенсивном воздействии высокочастотного излучения и постоянного тока от ее толщины и критических параметров, оптимизация полосы ПЧ смесителя.
-
Разработка конструкции квазиоптического смесителя субмиллиметрового диапазона и оптимизация шумовой температуры.
-
Экспериментальное исследование шумовой полосы смесителя, сравнение ее с полосой преобразования.
-
Исследование возможности уменьшения величины оптимальной поглощенной мощности гетеродина для смесителя на горячих электронах.
Научная новизна работы определяется следующими наиболее важными из полученных результатов:
-
Исследована зависимость полосы ПЧ смесителя на электронном разогреве от толщины пленки и ее критических параметров; экспериментально уточнено время выхода неравновесных фононов в подложку.
-
Достигнута рекордная полоса ПЧ 3.2-4 ГГц для NbN смесителей с фононным каналом охлаждения электронов, изготовленных из пленок толщиной 2.5-3 нм на подложках из высокорезистивного кремния и сапфира.
-
Экспериментально исследована шумовая полоса смесителя, при полосе ПЧ 3.2 ГГц получена шумовая полоса приемника 5 ГГц; шумовая полоса смесителя при этом (исключая вклад шумов усилителя ПЧ) составляет 8 ГГц.
-
Впервые создан и исследован в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц квазиоптический супергетеродинный приемник на эффекте разогрева электронов в пленке NbN, достигнуты следующие характеристики смесителя: шумовая температура 500 К в диапазоне частот 620-650 ГГц, 980 К на частоте 900 ГГц и 1700 К на частоте 1.08 ТГц.
-
Реализован смеситель, имеющий оптимальную поглощенную мощность гетеродина менее 100 нВт.
Эти положения выносятся на защиту.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе исследованного смесителя на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN разработан и реализован приемник, который, несомненно, найдет применение в технике терагерцовых волн, в частности, в радиоастрономии, дистанционном
5 зондировании атмосферы, диагностике плазмы, спектроскопии, быстрой фотометрии if др.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены на следующих конференциях и симпозиумах: Седьмом международном симпозиуме по космическим іерагерцопьім технологиям (Charlottesville, VA, 1996); Международной конференции но прикладной сверхпроводимости (Pittsburgh, РА, 1996); Восьмом международном симпозиуме но космическим терагерцовым технологиям (Cambridge, MA, 1997); Третьей европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (Veldhoveu, Netherlands, 1997).
Публикации.
Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 13 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Обі.ем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 119 страниц, включая 24 рисунка и 2 таблицы. Библиография содержит 166 наименований.
