Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию характеристик смесителей на эффекте электронного разогрева в тонких пленках NbN как в терагерцовом, так и в инфракрасном диапазонах В терагерцовом диапазоне исследуются смесители, сопряженные с планарной антенной, в то время как в инфракрасном диапазоне исследуются смесители с прямым поглощением. Работа включает изучение и оптимизацию шумовой температуры исследуемых смесителей на частотах 2,5 и 28,4 ТГц, изучение оптимальной поглощенной смесителем мощности гетеродина и диаграммы направленности приёмника на основе исследуемого смесителя на частоте 28,4 ТГц, а также вольтваттной чувствительности приемного элемента смесителя в диапазоне от 25 до 67 ТГц
Актуальность исследований
В современной радиоастрономии, а также в науках о Земле существует ряд проблем, решение которых зависит от чувствительности и спектрального разрешения приёмников излучения терагерцового (ТГц) и инфракрасного (ИК) частотных диапазонов В этих диапазонах находятся яркие спектральные линии химических соединений, важных для космологии, планетарной астрономии, а также для отслеживания глобальных процессов в земной атмосфере. Если при наблюдении спектральной линии удается установить ее принадлежность к «спектральной подписи» того или иного химического соединения, то по интенсивности линии можно судить о распространенности данного соединения, а также о процессах, протекающих в наблюдаемой области пространства Например, линия С+ на 158 мкм является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что свидетельствует о высокой распространенности этого элемента в Галактике По яркости этой линии определяются области звездообразования, где окружающие пылевые скопления облучаются ультрафиолетовым излучением новых звезд Используя «спектральные подписи» таких соединений, как ЩО, HD, HCN, CH3D, NH3, РН3, СО, С2Н2, СгНб, входящих в составы атмосфер планет Солнечной Системы [1], можно искать планетные системы, сходные с Солнечной В дальней ИК области (и ~ 15 ТГц) находится максимум спектральной плотности излучения астрономических объектов с температурами близкими к земным, что может быть использовано при поиске планет, на которых возможна жизнь
Соединения CFC, HCFC и HFC являются озоноразрушающими Кроме того, они, впрочем как СО, ОН и собственно Оз, могут влиять на процесс глобального потепления «Спектральные подписи» этих соединений могут быть использованы при мониторинге спектрометрами, выведенными в космос
В случаях, когда требуется высокое спектральное разрешение, например, когда необходимо различать близко расположенные спектральные линии или
учитывать форму линии, преимущество имеют гетеродинные приёмники В интервале от 1 до 30 ТГц, перекрывающем значительные части терагерцо-вого и ИК-диапазонов, наиболее распространены гетеродинные приемники со смесителями на основе структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), диодов Шоттки, полупроводниковых фотопроводящих материалов (например, HgCdTe), а также со смесителями на основе электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников (with hot-electron bolometer mixers — с НЕВ-смесителями)
На частотах ниже 1,25 ТГц используются СИС-смесители Двухполосная шумовая температура (Т^ис) системы на основе СИС-смесителя составляет 136 К на частоте гетеродина иг = 650 ГГц [2] Выше 1 ТГц Т%яс начинает быстро возрастать с частотой, достигая на vT — 1,25 ТГц значения 760 К [3] На более высоких частотах, существенно превосходящих частоту, соответствующую величине энергетической щели сверхпроводника, применение СИС-смесителей затруднено
Другим типом смесителей, используемых на терагерцовых частотах, являются смесители на основе диода Шоттки Даже при рабочей температуре 4 К они не показывают достаточно низкую шумовую температуру во всем терагерцовом диапазоне 880 К, 8500 К и 7 104 К на частотах 0,6 ТГц, 2,5 ТГц и 4,75 ТГц, соответственно [4, 5]
Отметим также, что на частотах, близких к 30 ТГц, проводились исследования смесителей на основе HgCdTe-фотодиодов Минимальная шумовая температура гетеродинной системы на основе HgCdTe-смесителя, исходя из измеренной величины квантовой эффективности 0,2 [6], составляет 3400 К на частоте 28,4 ТГц, однако, применение таких смесителей на частотах ниже 28 ТГц затруднено, так как их шумовая температура резко возрастает с уменьшением частоты [7]
В 1990 году был разработан новый тип смесителей — на основе электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников (hot-electron bolometer mixer, НЕВ-смеситель) [8] На частотах до 30 ТГц НЕВ-смесители, в отличие от СИС и HgCdTe - смесителей, не имеют принципиальных ограничений по механизму смешения Подавленное состояние энергетической щели сверхпроводниковой пленки, находящейся в резистивном состоянии, обуславливает спектральную независимость эффекта электронного разогрева от ММ до ближнего ИК-диапазона волн [9] К началу диссертационного исследования полученная шумовая температура квазиоптических NbN-смесителей на частотах 0,62, 0,7, 1,4, 2,5, 4,3 и 5 2 ТГц составила 500, 370, 2200, 2900, 5600 и 8800 К [10, 11, 12], соответственно
Из приведенных данных видно, что шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ-смесителей на частотах выше 2 ТГц начинает быстро возрастать Такое поведение зависимости шумовой температуры от частоты ге-
теродина связано с применением антенн Верхняя частотная граница наиболее широкополосных спиральных антенн, интегрированных с чувствительным элементом в чипах NbN НЕВ-смесителей составляет ~ 3 ТГц [13] Изготовление антенн, рассчитанных на более высокую частоту, а следовательно - меньшего размера, является отдельной технологической проблемой, однако даже при ее решении увеличение эффективности преобразования на более высоких частотах будет недостаточным Основной трудностью является рост потерь в контактных структурах между берегами металлической планарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком с увеличением частоты гетеродина. Из-за контактного сопротивления, которое, в отличие от сопротивления резистивной чувствительной сверхпроводниковой пленки, не изменяется на промежуточной частоте, значительная часть мощности рассеивается в контактах, не образуя ПЧ-отклика Кроме того, при увеличении частоты и соответствующем уменьшении характерного размера антенны контактные потери могут возрастать из-за сопутствующего уменьшения размеров самих контактов
В сложившейся ситуации актуальным является как исследование возможности улучшения шумовых параметров NbN НЕВ-смесителей те-рагерцового диапазона, так и исследования, направленные на создание NbN НЕВ-смесителей, рассчитанных на более высокие частоты, где применение смесителей, сопряженных с планарными антеннами, затруднено.
Целью диссертационной работы является исследование NbN НЕВ-смесителей в терагерцовом и инфракрасном диапазонах
Демонстрация возможности эффективного гетеродинного преобразования сигнала с помощью NbN НЕВ-смесителя на частоте, близкой к 30 ТГц
Оптимизация шумовой температуры NbN НЕВ-смесителей терагерцо-вого и ИК - диапазонов
В качестве объекта исследования выбраны смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной от 3 5 до 5 нм NbN-пленки, из которых изготавливаются смесители, осаждаются методом реактивного магнетронного распыления Nb мишени в атмосфере Аг и N2 как на подложки из кремния, так и на подложки из арсенида галия в зависимости от частотного диапазона смесителя Между кремниевой подложкой и чувствительной пленкой NbN может быть нанесен буферный слой MgO, улучшающий сверхпроводящие свойства чувствительного мостика и обеспечивающий акустическую прозрачность интерфейса с чувствительной пленкой NbN за счет сходства текстур NbN и MgO [14]. Буферный слой наносится методом электронно-лучевого'йспаре-ния перед нанесением пленки NbN Чувствительный элемент смесителя мо-
жет быть интегрирован с металлической спиральной антенной, формируемой методами электронной литографии и фотолитографии
Предмет работы включает в себя
Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения характеристик смесителей с прямым поглощением при рабочей температуре 4,2 К на частоте 28,4 ТГц
Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения шумовой температуры NbN НЕВ-смесителей, сопряженных с пла-нарными антеннами, при рабочей температуре 4,2 К на частоте 2,5 ТГц
Разработку теоретических моделей, описывающих эффект прямого детектирования на частотах 2,5 и 28,4 ТГц
Измерение шумовой температуры исследуемых образцов в зависимости от напряжения смещения и транспортного тока Определение оптимальной рабочей точки
5. Измерение оптимальной поглощенной мощности гетеродина для смесителя с прямым поглощением, изучение диаграммы направленности приемника на основе такого смесителя на частоте 28,4 ТГц, а также получение частотной зависимости вольтваттной чувствительности приемного элемента смесителя с прямым поглощением в диапазоне 25 -г- 67 ТГц
б Сравнение полученных экспериментальных результатов с модельными теоретическими расчетами
Особенностью методик исследования этой работы является учет вклада эффекта прямого детектирования в величину Y-фактора при измерении шумовой температуры Исследуемые NbN НЕВ-смесители являются не только смесителями, но и прямыми детекторами, причем входная полоса детектирования—существенно больше полосы преобразования В схеме измерения шумовой температуры при смене в сигнальном тракте нагрузок-черных тел, если входная полоса приемника достаточно широка, может происходить смещение рабочей точки смесителя по току, что, в свою очередь, приводит к изменению зависящих от нее эффективности преобразования и выходного шума смесителя, не связанному с гетеродинным преобразованием Методы, применяемые в этой работе, позволяют учитывать или устранять эффект прямого детектирования
В процессе работы были получены следующие новые научные результаты
Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц NbN НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения В отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжен с планарной антенной Излучение поглощается непосредственно в тонокй пленке NbN Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты NbN НЕВ-смесителей
Измерена шумовая температура Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К
Измерена оптимальная поглощенная мощность гетеродина для NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт
Получена зависимость вольтваттной чувствительности NbN НЕВ, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц
Исследована диаграмма направленности NbN НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7
Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне
Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из пленок NbN толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц
Практическая значимость работы определяется острой необходимрстью малошумящих широкополосных смесителей для практических приборов высокого спектрального разрешения, работающих в диапазоне частот от 1 до 30 ТГц, а также возможностью применения NbN НЕВ-смесителя, являющегося объектом исследования, для решения практических задач радиоастрономии и исследования земной атмосферы Практическая значимость подтверждается выбором разрабатываемых НЕВ-смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюде-
ния (APEX1 [15], HERSCHEL2 [16, 17], МИЛЛИМЕТРОН3 [18]), так и на исследование атмосферы Земли (SOFIA4 [19], TELIS5 [20])
Были поставлены следующие задачи
Разработать NbN-смесители с прямым поглощением для инфракрасного диапазона
Разработать теоретическую модель, позволяющую учитывать вклад эффекта прямого детектирования в погрешность измерения Y-фактора
Исследовать шумовую температуру NbN-смесителя с прямым поглощением в зависимости от напряжения смещения и транспортного тока на частоте 28,4 ТГц
Исследовать вольтваттную чувствительность приемного элемента NbN-смесителя с прямым поглощением в диапазоне 25 -5- 67 ТГц
Исследовать на частоте 28,4 ТГц диаграмму направленности NbN-смесителя с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм
Исследовать вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне
Оптимизировать шумовую температуру смесителя на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из пленки NbN на частоте гетеродина 2,5 ТГц
На защиту выносятся следующие положения
Гетеродинное преобразование синала на частоте 28,4 ТГц может быть осуществлено смесителем на эффекте электронного разогрева, изготовленным из тонкой пленки NbN, с прямым поглощением, те без интегрированной в чип смесителя планарной антенны, сопряженной с чувствительным мостиком
Двухполосная шумовая температура Каллена-Велтона смесителя с прямым поглощением на эффекте электронного разогрева, изготовленного из пленки NbN толщиной 5 нм, с размерами чувствительного элемента
1Atacama Pathfinder Experiment
2Космическая обсерватория диапазона длин волн от 57 мкм до 670 мкм
3Космическая обсерватория ММ, СММ и ИК диапазонов
Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy
5Terahertz and Submilkmeter Limb Sounder
в плане 20 х 30 мкм2, установленного на германиевой вытянутой полусферической линзе диаметром 12 мм, составляет 2300 К на частоте гетеродина 28,4 ТГц
3 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителя на эффекте электронного разогрева, изготовленного из пленки NbN толщиной 5 нм с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, составляет 16 мкВт на частоте гетеродина 28,4 ТГц
4. Вольтваттная чувствительность приемного элемента смесителя на основе пленки NbN толщиной 5 нм с размерами в плане 20 х 30 мкм2, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, в диапазоне от 25 до 67 ТГц близка к 70 J^ Слабая зависимость вольтваттной чувствительности от частоты связана с тем, что в приведенном диапазоне энергия кванта существенно превышает удвоенную ширину энергетической щели NbN
5 Влияние эффекта прямого детектирования и связанное с ним искажение Y-фактора при измерении шумовой температуры в ИК-диапазоне, как и в терагерцовом, могут быть значительно уменьшены путем установки на входе приемника полосопропускающего фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродина, уменьшающего входную полосу прямого детектирования
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10 печатных работах и представлены в 8 докладах на российских и международных конференциях В журналах из списка ВАК опубликовано 2 работы Список публикаций приведен в конце автореферата
Объём и структура диссертации. Общее количество страниц в диссертации составляет 144 Диссертация включает 4 главы, 35 рисунков, 3 таблицы В библиографию включено 95 наименований
