Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы и постановка задачи 18
1.1. Полупроводниковые смесители на основе диодов с барьером Шоттки...18
1.2. Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник 24
1.3. Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения.36
1.4. Схемы согласования с высокочастотным излучением для волноводных СИС смесителей и квазиоптических НЕВ смесителей 49
1.5. Выбор объекта исследования и постановка задачи 54
Глава II. Методики исследования характеристик СИС и НЕВ приемников 56
2.1. Методика моделирования волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета HFSS 57
2.2 Методика измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета 60
2.3. Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры СИС и НЕВ приёмников 64
2.4. Методика исследования поляризации планарной спиральной антенны NbN НЕВ смесителей 69
Глава III. Характеристики волноводных Nb СИС смесителей 72
3.1. Моделирование волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета HFSS 72
3.2. Исследование импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета 79
3.3 Характеристики волноводных Nb СИС смесителей в диапазоне частот 0.6-0.7 ТГц 85
3.4 Выводы 91
Глава IV. Характеристики квазиоптических NbN НЕВ смесителей 93
4.1 ВАХ и выходная мощность шумового сигнала ПЧ NbN НЕВ смесителей, охлаждаемых в машине замкутого цикла 93
4.2 Шумовая температура квазиоптических NbN ШВ смесителей на частотах 0.5 и 0.85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла 101
4.3 Шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ смесителей в зависимости от частоты гетеродина в диапазоне 0.5-2.5 ТГц 109
4.4 Характеристики NbN НЕВ смесителей по постоянному току и улучшение шумовой температуры при помощи сеточного фильтра 117
4.5 Поляризация планарной спиральной антенны NbN НЕВ смесителей на частоте гетеродина 0.5 ТГц 128
4.6 Выводы 139
Заключение 141
Список публикаций автора 144
Литература 146
- Схемы согласования с высокочастотным излучением для волноводных СИС смесителей и квазиоптических НЕВ смесителей
- Методика измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета
- Исследование импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета
- Шумовая температура квазиоптических NbN ШВ смесителей на частотах 0.5 и 0.85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла
Введение к работе
Освоение субмиллиметрового и терагерцового частотных диапазонов относится к наиболее актуальным задачам технических нововведений. Причины этого обусловлены как практическими задачами современной наноэлектроники, радиосвязи, экологии, медицины, так и фундаментальными научными проблемами биологии, химии, физики конденсированных сред, астрофизики. По мере развития области терагерцовых технологий появилась возможность проводить астрономические измерения в терагерцовом диапазоне, где излучение Вселенной включает в себя около 40 тысяч отдельных спектральных линий элементов и молекул, при этом провести наблюдения удалось только нескольких тысяч линий [1]. Характерные спектральные линии элементов и молекул, таких как С+ (1.9 ТГц), могут дать исчерпывающую информацию об областях формирования звезд. Причем в этом частотном диапазоне вращательные переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере Земли, таких как вода, кислород, хлор, соединения азота могут служить для мониторинга целостности и причин разрушения озонового слоя, глобального потепления и загрязнения атмосферы [2].
Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли затруднено сильным поглощением терагерцового излучения в атмосфере парами воды [1]. Для проведения исследований с поверхности Земли на частотах выше 1 ТГц возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания [3]. 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]. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах (SMA [5], ALMA [6], APEX [7]) или с базированием на самолете (SOFIA [8]), воздушном шаре (BSMILES [9], TELIS [10]) или
искусственном спутнике (HERSHEL [11]).
Прогресс в разработке и создании приемных элементов для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем в других областях субмиллиметровых технологий (разработка гетеродинов). Интерес представляют не только рекордные параметры приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах. Применение тех или иных 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 [12]. На более высоких частотах предварительное усиление сопряжено со значительными трудностями, поэтому чувствительность становится решающим критерием отбора приемников.
Для повышения чувствительности часто используется гетеродинный приемник с высоким разрешением. 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 акустическо-оптическим спектрометром.
До последнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались диоды с барьером Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [13]. Однако существенным недостатком смесителей на диоде Шоттки является большая требуемая мощность гетеродина (порядка нескольких милливатт), что трудно достижимо в коротковолновой части субММ диапазона из-за отсутствия достаточно мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.
Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей на основе туннельных переходов "сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник" (СИС) [14]. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малую мощность гетеродина.
СИС переход представляет собой «сэндвич» из сверхпроводниковых пленок, разделенных пленкой диэлектрика толщиной 1-2 нм, через которую могут туннелировать как нормальные электроны - эффект Живера [15], так и сверхпроводящие куперовские пары - эффект Джозефсона [16]. Эффект Живера основан на нелинейности тока квазичастиц, связанной с квантовым эффектом стимулированного туннелирования нормальных электронов под действием фотонов СВЧ. А эффект Джозефсона в СИС переходах проявляется в виде наличия сверхпроводящего тока, создающего избыточный шум, понижающий чувствительность СИС смесителя, поэтому эффект Джозефсона всегда подавляется с помощью магнитного поля [17].
В 1979 году Такер развил квантовую теорию туннелирования СИС смесителей, которая предсказала их уникальные характеристики: возможность преобразования частоты вниз с усилением и низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу [18]. По данной теории эффективность преобразования определяется импедансом смесительного блока Gs, входной и выходной проводимостями СИС перехода Gwco и GLq, и проводимостью тракта промежуточной частоты (ПЧ) GL [19]. Очевидно, что эффективность преобразования достигает максимума при согласованиях по выходу (Glo=Gl) и входу {Ga)af=Gs), что приводит к необходимости определения импеданса смесительного блока с помощью вычислительного метода или экспериментального масштабированного макета.
Расчет импеданса волноводного смесительного блока был проведен с помощью вольтамперных характеристик СИС смесителей под действием
мощности гетеродина и без него [20] посредством решения нелинейного уравнения. Однако решение нелинейного уравнения является трудоемкой вычислительной задачей. К тому же точность этого решения связана с параметрами СИС перехода, которые трудно контролировать с высокой точностью в процессе изготовления. При конструировании СИС смесителей также используется метод масштабирования, позволяющего непосредственно измерить импеданс смесительного блока. При этом на место подключения СИС перехода припаивается коаксиальный кабель, по которому подается испытательный сигнал от анализатора цепей. Моделирование позволяет оптимизировать конфигурацию настроечных элементов, положение подложки и др. [21]. Однако электромагнитное поле искажается за счет наличия коаксиального кабеля и исследуемого зонда. В диссертационной работе смесительный блок конструировался по параметрам, рассчитанным с помощью современной дорогостоящей компьютерной программы по трехмерному моделированию электромагнитного поля.
Экспериментальное исследование импеданса смесительного блока проводилось в масштабированном макете с использованием трех калиброванных нагрузок, расположенных в месте СИС перехода. Данная методика позволяла экспериментально измерить импеданс смесительного блока без возмущения электромагнитного поля вблизи СИС смесителя.
Одним из существенных недостатков СИС переходов является параллельно соединенная собственная емкость изолирующего слоя Су, шунтирующая полезный сигнал (СВЧ ток квазичастиц). Это приводит к необходимости конструировать СИС смесители так, чтобы ток полезного сигнала, подводимый к СИС переходу, не шунтировался через его собственную емкость Cj, а полностью преобразовывался в ток квазичастиц. Эффективный способ снижения влияния собственной емкости Cj СИС перехода заключается в использовании интегральных настроечных элементов с индуктивным импедансом [22]. Практически используют параллельно соединенные распределенные структуры на основе микрополосковых линий,
которые эквивалентны цепи, состоящей из индуктивности и блокирующего конденсатора, вызывающего трудность при изготовлении СИС смесителей [23]. В [24] показано что, последовательно соединенная передающая линия тоже может использоваться в качестве настроечного элемента. Однако использование такой схемы дает низкое значение импеданса и подразумевает применение дополнительного повышающего трансформатора. В рамках диссертационного исследования предложенная нами структура на основе двух параллельно присоединенных переходов - называемая в научной литературе parallel connected twin junctions (PCTJ), разделенных микрополосковой линией, компенсирующей влияние собственной емкости без конденсатора, имеет сравнительно широкий диапазон частот и облегчает требования к технологии изготовления СИС смесителей.
СИС смесители, выполненные из сверхпроводника Nb, имеют шумовую температуру, которая лишь в 3 раз превышает квантовый предел в диапазоне частот 0.1-0.6 ТГц [25]. По мере приближения рабочей частоты СИС смесителей к частоте 0.66 ТГц для Nb, соответствующей сверхпроводящей щели, проявляются значительные потери в цепях настройки, так как энергии фотонов достаточно для разрушения сверхпроводящих куперовских пар, что приводит к потери части сигнала в интегральных настроечных элементах. К началу диссертационного исследования несколько групп испытали конструкции СИС смесителей в частотном диапазоне 0.6-0.7 ТГц, шумовая температура которых лишь в 5 раз превышала квантовый предел при использовании сосредоточенного СИС перехода с трансформатором импеданса из микрополосковой линии [26] или распределенного длинного СИС перехода [27].
При дальнейшем возрастании частоты (>1.2 ТГц) наблюдается увеличение внутренних потерь и шумовая температура становится выше, чем у сверхпроводниковых смесителей другого типа - смесителей на эффекте электронного разогрева.
Смесители на эффекте разогрева электронов в тонких сверхпроводящих пленках [28], называемые в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ), обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Этот сравнительно новый класс приборов появился в результате проведенных исследований энергетической релаксации электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках [29, 30]. Данные исследования показали, что эффект электронного разогрева реализуется в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии под воздействием электромагнитного излучения. Если размер пленки много больше длины свободного пробега электрона, а время электрон-фононного взаимодействия те.рн больше времени электрон-электронного взаимодействия те.е, то при воздействии излучения на пленку, энергетическое распределение электронов соответствует распределению Ферми с эффективной электронной температурой в, выше равновесного значения для пленки. Энергия от «разогретых» электронов передается фононам с характерным временем те.рь причем неравновесные фононы будут выходить из пленки в подложку за время resc. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным. Фононы играют роль термостата и тем более эффективно, чем больше фононная удельная теплоемкость по сравнению с электронной удельной теплоемкостью {Ср/Се). Тогда полоса ПЧ смесителей с фононным каналом охлаждения определяется взаимным соотношением Ср/се, времен resc и re.ph. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки NbN толщиной 3.5 нм, осажденной на подложку Si, достигает 5-6 ГГц [31, 32], что в основном удовлетворяет требованиям радиоастрономических наблюдений.
В лабораторных условиях возможно применение крупногабаритного оборудования или источников с большим энергопотреблением, таких как лазеры далекого инфракрасного диапазона или лампы обратной волны. Однако применение такого оборудования в реальных наблюдательных
приемных системах затруднительно из-за высокого напряжения для питания ЛОВ, составляющего выше 3 кВ при токе 30-35 мА в терагерцовом диапазоне. Эти источники должны потреблять значительную мощность, которую весьма затруднительно реализовать в полетном варианте приемника на самолете или воздушном шаре и уж тем более на космическом корабле. Кроме того, работа со столь высоким напряжением опасна для жизни экспериментаторов.
Для полетной версии приемника одним из важных параметров является его масса. При использовании в качестве генераторов ЛОВ значительно возрастает масса приемника системы, поэтому в диссертационной работе проведены исследования смесителей на эффекте электронного разогрева с генераторами Ганна с умножителями частоты. Такие генераторы на два порядка легче по сравнению с ЛОВ. Напряжение питания для твердотельных источников не превышает 20 В.
Согласование смесителя на горячих электронах с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием волноводной или квазиоптической схем. В первом случае подложка из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами располагается в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной [33]. В рамках данного исследования нас интересовали квазиоптические НЕВ смесители с фононным каналом охлаждения. В этом случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается в фокусе гипер-полусферической линзы, выполненной из высокоомного кремния [34]. В качестве планарной антенны мы выбрали эквиугольную самокомплементарную спиральную антенну, которая относится к так называемым частотно-независимым антеннам [35]. Её характеристики (диаграмма направленности, эффективность, поляризация) играют существенную роль при разработке приемников. Теоретически планарная спиральная антенна имеет круговую поляризацию в широком диапазоне частот. Однако экспериментальное исследование показало, что поляризация смесителей на горячих электронах, интегрированных в планарную
спиральную антенну, является эллиптической с коэффициентом сжатия (отношение длин большой оси к малой оси) 1.5 и 3 на частотах 1.4 и 2.5 ТГц, соответственно, лишь в единственной работе [36].
Сверхпроводящие смесители на горячих электронах теоретически не имеют частотных ограничений по механизму смешения [37]. Энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поэтому поглощение излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии. Однако в работе [38] экспериментально показано, что шумовая температура NbN смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты в субмиллиметровом диапазоне. Необходимо проводить дальнейшее исследование механизма преобразования, частотной зависимости импеданса НЕВ смесителей, и рассогласования с планарной спиральной антенной.
В настоящее время большинство исследований NbN смесителей на горячих электронах проведено при помощи гелиевых криостатов, обладающих высокой температурной стабильностью. Однако использование криостатов ограничивает применение сверхпроводящих приемников в высокогорных районах из-за транспортировки жидкого гелия [39]. Более того, подготовка криостата к заливке и сам процесс заливки требует больших временных затрат, а также определенной квалификации и осторожности от персонала при работе с жидкими хладагентами. Ещё одним недостатком при использовании жидкого гелия является ограниченное время работы. Испарение жидкого гелия в криостатах, используемых в лабораторных условиях, происходит в течение 5-6 часов. Увеличение гелиевых объемов в таких криостатах приводит к значительному увеличению габаритных размеров, что делает невозможным их применение в высокогорных обсерваториях, а также на телескопах воздушного и космического базировании. Также следует отметить, что криогенные установки, работающие на жидких хладагентах, обладают взрывоопасностью, что ставит под угрозу работу обеспечивающего персонала. Эта проблема может быть
решена при использовании непрерывно работающей машины замкнутого цикла, поэтому в рамках диссертационной работы проводилось исследование смесителей на горячих электронах, охлаждаемых машиной замкнутого цикла, и изучалась их стабильность.
Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, рабочий диапазон частот, требуемая мощность гетеродина в субмиллиметровом диапазоне не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым при решении некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников субмиллиметрового диапазона.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование субмиллиметровых гетеродинных приемников, таких как Nb СИС и NbN НЕВ смесители, которые для СИС смесителей сочетали бы высокую чувствительность и эффективное согласование со смесительным блоком в широком диапазоне частот, а для НЕВ смесителей имели бы рекордно низкую шумовую температуру и малую требуемую мощность гетеродина.
Объектом исследования являлись волноводные СИС смесители на основе туннельных переходов Nb/A10x/Nb и квазиоптические смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN толщиной 3.5 нм на кремниевой подложке.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:
Впервые исследован импеданс волноводного смесительного блока в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц посредством компьютерного программного пакета HFSS по трехмерному моделированию электромагнитного поля и экспериментально измерен его импеданс по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок при использовании масштабированного макета;
Исследованы волноводные СИС смесители на основе двух параллельно
присоединенных туннельных переходов Nb/A10x/Nb вблизи энергетической щели сверхпроводника Nb на частотах 0.6-0.7 ТГц и проведено измерение отклика данного СИС смесителя в детекторном режиме на Фурье-спектрометре в диапазоне 0.4-0.8 ТГц;
Впервые проведено исследование в машине замкнутого цикла шумовой температуры и стабильности выходной мощности шумового сигнала ПЧ NbN смесителей на горячих электронах на частотах 0.5 и 0.85 ТГц;
Проведено исследование квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах при использовании генератора Ганна с диодными умножителями частоты на частоте 0.5 ТГц, и их характеристики сравнимы с измеренными с помощью лампы обратной волны в качестве гетеродина;
Впервые исследована поляризация планарной спиральной антенны NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0.5 ТГц по оригинальной методике измерения шумовой температуры в зависимости от угла решетки, расположенной в сигнальном тракте.
На защиту выносятся следующие положения:
Вычислен импеданс волноводного СИС смесительного блока для подложки с диэлектрической проницаемостью 4.45. Его величина составляет около 35 Ом в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц и определяется толщиной подложки и расстоянием от плоскости подложки до короткозамыкающего поршня, и практически не зависит от положения СИС перехода внутри волновода смесительного блока.
Измеренное значение импеданса волноводного смесительного блока составляет 50-60 Ом в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц, что хорошо согласуется с расчетными значениями 45-55 Ом для подложки с диэлектрической проницаемостью 3.5.
Волноводные СИС смесители на основе двух параллельно присоединенных туннельных переходов имеют шумовую температуру
менее 200 К в диапазоне частот 0.63-0.66 ТГц, при этом наименьшая шумовая температура составила 181 К на частоте гетеродина 0.656 ТГц. Полученные значения шумовой температуры в частотном диапазоне 0.6-0.7 ТГц хорошо согласуются с частотной зависимостью отклика СИС приемника в детекторном режиме, полученной с помощью Фурье-спектрометра.
Квазиоптические смесители на горячих электронах из пленки NbN толщиной 3.5 нм на кремниевой подложке, охлаждаемые в машине замкнутого цикла до температуры 4 К, имеют двухполосную шумовую температуру 900 К на 0.5 ТГц, и 1350 К на 0.85 ТГц.
Шумовая температура квазиоптических смесителей на горячих электронах медленно увеличивается с ростом частоты из-за рассогласования NbN смесителей с планарной спиральной антенной в результате неоднородного распределения высокочастотного тока в чувствительном элементе.
Поляризация планарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 1.2 для смесителя размером 4.0 мкм х 0.32 мкм и 1.28 для смесителя размером 1.8 мкм х 0.15 мкм на частоте гетеродина 0.5 ТГц, и не зависит от рабочей точки, направления электрического поля линейно поляризованного излучения гетеродина, и толщины делительной пластины.
Практическая значимость работы подтверждена применением исследуемых волноводных СИС смесителей и квазиоптических смесителей на горячих электронах субмиллиметрового диапазона в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (SMA, ALMA, APEX, HERSHEL, SOFIA), так и на исследование атмосферы Земли (BSMILES, TELIS).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 159 страниц, включая 48 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 133 наименования.
Во «Введении» обосновывается актуальность выбранной темы исследования, научная новизна и практическая значимость работы, приводится краткое содержание диссертации.
Первая глава «Обзор литературы и постановка задачи» носит обзорный характер. В 1.1 проведен обзор по полупроводниковым смесителям на основе диодов с барьером Шоттки. В 1.2 проведен обзор теоретических работ смесителей на основе туннельных переходов сверхпроводник - изолятор -сверхпроводник. 1.3 посвящен обзору теоретических работ по смесителям на горячих электронах с фононным каналом охлаждения. 1.4 посвящен схемам согласования волноводных СИС смесителей и квазиоптических смесителей на горячих электронах с высокочастотным излучением. В 1.5 обосновывается выбор объекта исследования и формулируется задача диссертационной работы.
Вторая глава «Методики исследования характеристик СИС и НЕВ приемников» посвящена описанию методик исследования характеристик волноводных смесителей на основе СИС переходов Nb/A10x/Nb и квазиоптических смесителей на горячих электронах из тонких пленок NbN толщиной 3.5 нм. В 2.1 описана методика моделирования волноводного СИС смесительного блока посредством программного пакета HFSS. 2.2 посвящен методике измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с использованием масштабированного макета. В 2.3 описана установка для исследования шумовых характеристик волноводных СИС смесителей в диапазоне 0.6-0.7 ТГц и квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах на частотах 0.5, 0.76, 0.85, 1.6, 2.5 и 3.8 ТГц. В 2.4 приведена методика исследования поляризации планарной спиральной антенны NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0.5 ТГц.
Третья глава «Характеристики волноводных Nb СИС смесителей» посвящена исследованию волноводных смесителей на основе СИС переходов. В 3.1 приведены результаты расчетов импеданса волноводного
смесительного блока и влияние геометрических параметров на его импеданс в диапазоне частот 0.6-0.72 ТГц. 3.2 посвящен исследованию импеданса волноводного смесительного блока по оригинальной методике трех калибровочных нагрузок с помощью масштабированного макета. В 3.3 представлены результаты измерения шумовой температуры волноводных СИС смесителей из двух параллельно соединенных СИС переходов в диапазоне частот 0.6-0.7 ТГц. В 3.4 изложены выводы данной главы.
Четвертая глава «Характеристики квазиоптических NbN НЕВ
смесителей» посвящена исследованию характеристик квазиоптических смесителей на горячих электронах, охлаждаемых при помощи как машины замкнутого цикла, так и гелиевого криостата на частотах гетеродина от 0.5 ТГц до 2.5 ТГц. В 4.1 рассматривается влияние машины замкнутого цикла на вольтамперные характеристики и выходную мощность шумового сигнала ПЧ NbN смесителей на горячих электронах. В 4.2 приведены значения двухполосной шумовой температуры NbN смесителей на горячих электронах на частотах гетеродина 0.5 и 0.85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла. В 4.3 описана зависимость шумовой температуры NbN смесителей на горячих электронах от частоты гетеродина в диапазоне 0.5-2.5 ТГц. В 4.4 проводятся оценки улучшения шумовой температуры NbN смесителей на горячих электронах при помощи сеточного фильтра. В 4.5 описана поляризация планарной спиральной антенны NbN смесителей на горячих электронах на частоте гетеродина 0.5 ТГц. В 4.6 сформулированы основные выводы данной главы.
В «Заключении» сформулированы основные результаты работы.
Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 12 научных публикациях, список которых приведён в конце диссертации, и докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах:
1st and 3 rd International Symposium on Ultra-fast Phenomena and Terahertz wave (China, 2002 and 2006);
12, 13, 16 и 17-ом международном симпозиуме по космическим
терагерцовым технологиям (США, 2001 и 2002, Швеция, 2005, и Франция, 2006);
Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2004 и 2006);
16-ой международной крымской конференции СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии (Украина, 2006).
Схемы согласования с высокочастотным излучением для волноводных СИС смесителей и квазиоптических НЕВ смесителей
Это выражение характеризует изменение постоянного тока накачанной ВАХ при малом изменении амплитуды гетеродина (напряжение смещения считается фиксированным). Иными словами, выражение (1.2.6) характеризует чувствительность высоты квазичастичных ступеней тока к слабому изменению интенсивности накачки. Выражение (1.2.5) достигает максимальных значений при согласованиях по выходу {GLO=GL) И входу (GaarGs), что приводит к необходимости определения импеданса смесительного блока с помощью вычислительного программного пакета или экспериментального масштабированного макета. Об этом подробнее рассматривается в главе 3 диссертации.
Понятие шумовой температуры широко используется для определения предельной чувствительности приемных устройств. Принцип неопределенности налагает на полную шумовую температуру СИС смесителя, ограничение снизу: Tn hf/2kB, где -константа Больцмана. Было показано, что рассмотрение СИС смесителя приводит к соотношению для мощности входного шума РЦ [56]: где Af-частотнът диапазон процесса. Коэффициент избыточного шума А, следует из принципа неопределенности: А 1/2. Второй член в скобках представляет собой излучение черного тела, включающее нулевые флуктуации при конечной температуре Т. Для двухполосного режима приема усиление идеального смесителя становится бесконечным в пределе а«1 и Т=0, так как Rd . Практическим ограничением описанного режима является наличие конечного тока утечки [59], который можно характеризовать интенсивностью дробового шума на выходе смесителя: где /-постоянный туннельный ток. Заметим, что ВАХ СИС смесителя с идеальным туннельным барьером и подавленным эффектом Джозефсона представлена исключительно туннельным током. Дополнительные шумы практических смесителей могут создаваться как за счет неидеальности ВАХ, так и за счет потерь в цепях подвода сигнала, а также за счет приема на комбинационных частотах.
Одной из самых существенных особенностей СИС переходов является большая емкость изолирующего слоя Ср шунтирующая полезный сигнал (СВЧ ток квазичастиц). Этот фактор влияет на импеданс СИС переходов и их применимость на высоких частотах. Очевидно, что чувствительные детекторы на основе СИС переходов должны быть сконструированы так, чтобы ток полезного сигнала, подводимый к СИС переходу, не закорачивался через его собственную емкость Ср а полностью преобразовывался в ток квазичастиц. Эффективный способ снижения влияния собственной емкости СИС перехода заключается в использовании компенсации емкостной проводимости с помощью интегральных настроечных элементов [22-24], являющихся электродинамической системой без потерь с индуктивным импедансом. Практически используют распределенные структуры на основе микрополосковых линий, которые эквивалентны цепи, состоящей из индуктивности (рис 1.5а). Однако использование такой системы дает низкое значение импеданса и подразумевает применение дополнительного повышающего трансформатора. Распределенная цепочка, состоящей из двух параллельных соединенных СИС переходов с интегральным настроечным элементом из микрополосковой линии [60, 61], позволяет реализовать компенсацию собственной емкости СИС перехода без конденсатора, что облегчает требования к технологии изготовления СИС смесителей (рис. 1.56). Об этом подробнее рассматривается в главе 3 диссертации. На рис. 1.5в представлен принцип объединения N СИС переходов путем интеграции их в передающую линию. Частотный диапазон системы из N элементов может быть расширен в N раз за счет эффекта распределения [62-63].
При приближении к щелевой частоте встает вопрос влияния потерь в цепях настройки, так как энергии фотонов достаточно для разрушения сверхпроводящих куперовских пар. При этом значительная часть сигнала теряется в интегральных настроечных элементах, которые не могут исполнять роль индуктивных настроечных элементов СИС смесителя. На рис. 1.6а приведен расчет поверхностных сопротивлений для тонких пленок из различных материалов [64], рассчитанных согласно теории Маттиса-Бардина (Mattis-Bardeen) [65]. Поверхностное сопротивление сверхпроводниковой пленки резко увеличивается на своей щелевой частоте. Потери в ниобии при температуре 4.2 К пренебрежимо малы до частоты примерно 0.68 ТГц и резко возрастают на частотах выше 0.7 ТГц, сравниваясь с потерями в алюминии на частоте 0.83 ТГц. Очевидно, что ниобий является оптимальным вплоть до частоты 0.7 ТГц, так как поверхностное сопротивление ниобии достаточно мало, и гораздо легче изготовлена ниобиевая пленка по сравнению с материалами NbN и NbTiN, теоретически обладающими самыми низкими потерями до частоты 1.2 ТГц, выше которой лучший результат может быть получен из нормальных металлов [25].
Современное состояние в области оптимизации конструкции СИС-смесителей характеризуется переходом к созданию микросхем, в которых на основе достижений сверхпроводниковой электроники интегрированы СИС-смеситель, планарная сверхпроводниковая приемная антенна и криогенный генератор гетеродина [66-67]. При подаче лишь постоянного питания эти микросхемы работают как супергетеродинные субмиллиметровые приемники, не требуя никакого дополнительного оборудования. Сверхпроводниковый генератор на основе распределенного джозефсоновского туннельного перехода, работающего в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) [68], позволяет реализовать источник гетеродина в диапазоне частот 0.1-0.7 ТГц, обеспечивая достаточную мощность накачки СИС-смесителя (порядка 1 мкВт на частоте 0.5 ТГц).
На рис. 1.66 приведена шумовая температура в зависимости от частоты гетеродина СИС смесителей из различных сверхпроводниковых материалов с интегральными настроечными элементами [2, 25, 69]. В области частот 50-650 ГГц рад современных экспериментальных приемников на основе СИС смесителей типа Nb/AlOx/Nb и интегральных настроечных элементов из Nb имеют шумовую температуру всего в 3-5 раз выше hf/кв. На частотах выше 700 ГГц наилучший результат был получен в качестве интегральных настроечных элементов при использовании алюминии за счет низшего поверхностного сопротивления. Теоретически вместо алюминия, можно использовать сверхпроводник для интегрального настроечного элемента, однако до сих пор технология для изготовления СИС перехода из NbN еще не развита, но другой материал NbTiN, имеющий высокую щелевую частоту близко к NbN, выглядит перспективным [70,71].
Методика измерения импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета
Новый класс приборов-смесители на горячих электронах - называемый в научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ), появился в результате проведения исследований энергетической релаксации электронов в неупорядоченных металлах и сверхпроводниках [29, 30, 72]. Данные исследования показали, что эффект электронного разогрева реализуется в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии, под воздействием электромагнитного излучения.
В НЕВ смесителях, изготовленных на основе сверхпроводников, высокая чувствительность достигается за счёт гораздо более сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние. При этом время релаксации энергии электронов для тонких пленок NbN достигает 10"11 секунд при температуре перехода в сверхпроводящее состояние.
Как уже упоминалось во введении, релаксация горячих электронов может осуществляться через электрон-фононное взаимодействие или через диффузию в более холодные контакты. В первом случае пленка сверхпроводника должна быть очень тонкой и иметь хорошее акустическое согласование с подложкой. Во втором - сверхпроводниковый мостик должен иметь малую длину. На сегодня практическое применение нашли только смесители первого типа, их рассмотрению и посвящен этот параграф.
С микроскопической точки зрения тепловое равновесие в сверхпроводящей пленке на диэлектрической подложке можно представить как сосуществование четырех термически связанных подсистем: куперовских пар, квазичастиц, фононов в пленке и фононов в подложке, когда все они описываются равновесными функциями распределения с одинаковой температурой. Если любое из этих распределений не отвечает этому условию, ситуация рассматривается как неравновесная. В частности, модель горячих электронов в сверхпроводниках относится к области неравновесной сверхпроводимости и применима, например, к тонкой разупорядоченной сверхпроводниковой плёнке при температуре, близкой к температуре сверхпроводящего перехода Тс. При реализации резистивного состояния сверхпроводника высокочастотным электромагнитным излучением релаксация электронов определяется временем электрон-фононного взаимодействия, и с большой точностью совпадает со временем релаксации квазичастиц в сверхпроводящем состоянии [29,73,74]. В этом случае, электроны и фононы могут быть описаны функциями распределения для нормального металла, но их эффективные температуры могут различаться. Электронная и фононная температуры устанавливаются за счёт какого-либо быстрого механизма термализации, каким для электронов является межэлектронное взаимодействие, существенно усиливающееся в разупорядоченных плёнках [75].
Основные стадии релаксации энергии для явления горячих электронов проиллюстрированы на рис. 1.7. Введение характеристических времен обмена энергией между упомянутыми выше подсистемами сводит проблему описания этого явления к паре связанных уравнений теплового баланса для ви Tph, где в и Tph - эффективные электронная и фононная температуры, соответственно: где V - объем чувствительного элемента, re.ph - время электрон-фононного взаимодействия, vesc - время ухода неравновесных фононов в подложку, се и срн - удельные электронная и фононная теплоемкости, соответственно, Ть -температура подложки, Щь - мощность постоянного тока, PRF - мощность высокочастотного излучения, а - коэффициент поглощения излучения, п=3.6 для NbN.
Если температура электронов близка к Тс, эти уравнения становятся линейными, так как энергетическая щель сверхпроводника сильно подавлена, концентрация куперовских пар мала и неспаренные электроны ведут себя подобно обычным электронам в нормальном металле. С упомянутыми упрощениями эти уравнения теплового баланса запишутся следующим образом: Приведенные выше уравнения представляют собой модель "слабого сигнала". При этом оптимальные значения тока смещения и мощности гетеродина не вычисляются в рамках модели, а оцениваются независимо. Чтобы включить их в рассмотрение необходимо ввести в модель структуру резистивного состояния и температурные зависимости величин се и Te.Ph. В этом случае уравнения теплового баланса становятся нелинейными и описывают ситуацию далекую от равновесия. Для пространственно однородного резистивного состояния модель "большого сигнала" рассматривалась в работах [76]. Модель неоднородного резистивного состояния, а именно, модель горячего пятна, созданного током смещения за счет самонагрева вблизи нормального домена, описана в [77-78]. Горячее пятно занимает только часть пленки смесителя, сопротивление которого по постоянному току больше нуля, но меньше нормального. В этом подходе мощность гетеродина поглощается равномерно во всём объеме плёнки смесителя (энергия кванта считается много большей щели сверхпроводника, что является довольно грубым допущением для работы реальных приборов), в то время как мощность транспортного тока смещения выделяется только в области горячего пятна. Электронная диффузия в этой модели включается в основные уравнения, поэтому она может описать все промежуточные случаи между чисто диффузионным и чисто фононным охлаждением. Эти уравнения для в в пренебрежении разогревом фононов (resc=0) и временем термализации (тт=0) записываются следующим образом [77].
Исследование импеданса волноводного СИС смесительного блока с использованием масштабированного макета
В той же работе, используя приближение ломанной прямой линии для температурной зависимости сопротивления и оптимальной вольтамперной характеристики (рис. 1.8), составляющие слагаемые шумовой температуры смесителя могут быть приведены к виду: как можно видеть из этих оценок чувствительность смесителя зависит от характеристик пленки, представленных в виде температуры сверхпроводящего перехода и его ширины, с одной стороны, и эффективности согласования с падающим излучением с другой. В этом приближении переход в сверхпроводящее состояние на температурной зависимости сопротивления аппроксимируется прямой линией, соединяющей два участка постоянного сопротивления, остаточного ниже перехода и нормального - выше (рис. 1.8а). Оптимальная вольтамперная характеристика также состоит из трех участков: вертикального-сверхпроводникового, горизонтального-резистивного и нормального-соответствующего нормальному сопротивлению (рис. 1.86) [82]. Под шумовой полосой смесителя понимают диапазон частот, в котором шумовая температура смесителя увеличивается в два раза. Ширина полосы преобразования определяется диапазоном частот, в котором эффективность преобразования падает на три децибела. В работе [87] было показано, что для смесителя на горячих электронах с фононным каналом охлаждения шумовая полоса шире, чем полоса преобразования: это различие обычно составляет около 1.6 раз.
Существенное улучшение параметров NbN НЕВ смесителей оказалось возможным с получением высококачественных ультратонких пленок NbN толщиной 3-4 нм. В работе [33] 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 [88] 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 [89].
Для квазиоптического варианта NbN НЕВ смесителей, на момент начала диссертационного исследования, Тп составляла 600 К на 0.75 ТГц [90], 2200 К на 1.4 ТГц, 2900 К на 2.5 ТГц, 4000 К на 3.1 ТГц, 5600 К на 4.2 ТГц [91] на промежуточной частотой 1.5 ГГц в полосе 75 МГц. На настоящий момент, лучшие существующие лабораторные приемники демонстрируют значения, близкие к S-lOhv/к до частоты 2.5 ТГц (рис. 1.9) [75]. Важной характеристикой терагерцового смесителя является требуемая 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 требуемой оптимальной мощности гетеродина. Это можно делать в первом приближении путем уменьшения объема болометрического элемента V [92]. Заметим, что уменьшение критической плотности тока ведет опосредованно также к уменьшению поглощенной мощности. Для квазиоптических NbN НЕВ смесителей с толщиной пленки 3.5 нм зависимость Раь5 от (Кх/с(4.2К)) является линейной [93], а для смесителя с размером пленки в плане 0.6x0.13 мкм2 значение поглощенной мощности гетеродина составило всего 15 нВт. Для волноводных NbN смесителей с толщиной пленки 3-4 нм и размером в плане 1x0.1 мкм2 оцененная поглощенная мощность равна 70 нВт [94].
Уменьшение объема чувствительного элемента может приводить к паразитному эффекту, называемому эффектом прямого детектирования и связанному со смещением рабочей точки при смене горячей и холодной нагрузки в измерениях шумовой температуры [95,96]. 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 по нагрузочной кривой. Этот эффект приводит не только к ошибке измеренного значения Y-фактора и как следствие рассчитанной шумовой температуры приемника в лабораторных условиях.
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 [82]. В волноводных 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 нм пленок NbN демонстрируют полосу преобразования около 2 ГГц [33]. Совсем недавно в целях расширения полосы ПЧ было предложено использование подслоя MgO для улучшения акустической прозрачности границы пленка-подложка [97,98].
Шумовая температура квазиоптических NbN ШВ смесителей на частотах 0.5 и 0.85 ТГц, охлаждаемых в машине замкнутого цикла
Измерение шумовой температуры смесителей проводились по стандартной методике с холодной и теплой нагрузками (с температурами 77 К и 295 К, соответственно). Блок-схема экспериментальной установки представлена на рисунках 2.3 и 2.4 для квазиоптических смесителей на горячих электронах и волноводных СИС смесителей, соответственно. В качестве гетеродинных источников использовались: генератор на диоде Ганна с диодными умножителями частоты в диапазоне частот 0.6-0.7 ТГц, лампа обратной волны на частоте 0.85 ТГц , газовый лазер с оптической накачкой на частотах 0.76, 1.6 и 2.5 ТГц и газоразрядный лазер на парах воды на частотах 2.5 и 3.8 ТГц.
Пространственное совмещение излучения гетеродина и сигнала производилось пленочным делителем луча из майлара или решеткой с диаметром проволоки 10 мкм и периодом 20 мкм. Майларовая пленка толщиной 15 мкм обладает потерями около 0.5 дБ для проходящего сигнала, при этом примерно такая же часть излучения гетеродина отражается в сторону смесителя. Эта схема обычно реализуется при использовании относительно мощных источников гетеродина, таких как лазер ИК диапазона, лампа обратной волны, или генератор на диоде Ганна с диодными умножителями частоты на частотах ниже 1 ТГц. На частотах выше 1 ТГц выходная мощность твердотельных источников гетеродина значительно ниже, поэтому используется схема с решеточным делителем луча, однако это приводит к возрастанию оптических потерь.
После делителя луча излучение заводилось в криостат через входное окно из полиэтилена толщиной 0.5 мм или майлара толщиной 15 мкм. С целью уменьшения теплового потока через окно криостата, на азотном экране которого размещались тепловые фильтры из черного полиэтилена толщиной 20 мкм для 2.5 и 3.8 ТГц или из пористого тефлона (Zitex G) для частот ниже 1
Для согласования смесителя на горячих электронах с излучением на всех рассматриваемых частотах гетеродина использовался смесительный блок для квазиоптического смесителя, рис 2.36. Медный держатель со смесителем на вытянутой полусферической линзе диаметром 12 мм, выполненной из высокорезистивного кремния, укреплялся на охлаждаемой плате гелиевого криостата или машины замкнутого цикла. Квазиоптическая спиральная антенна смесителя переходила в 50-омную копланарную линию, по которой распространялся сигнал ПЧ. Съем сигнала ПЧ осуществлялся при помощи гибкой 50-омной копланарной линии с СВЧ-разъемом на выходе и поступал на адаптер, через который производилось смещение смесителя по постоянному току в режиме стабилизации напряжения.
За адаптером следовал циркулятор, предотвращавший образование стоячей волны в тракте ПЧ, и охлаждаемый малошумящий усилитель с коэффициентом усиления порядка 30 дБ. Сигнал ПЧ усиливался вторым каскадом усилителей, находящихся при комнатной температуре, и через полосовой фильтр подавался на полупроводниковый детектор или измеритель мощности. Шумовая температура тракта ПЧ определялась шумами первого каскада и составляла менее 10 К, при коэффициенте усиления всей усилительной цепочки порядка 60-70 дБ. Для согласования СИС смесителя с излучением в диапазоне 0.6-0.7 ТГц использовался волноводный блок для СИС смесителя, рис. 2.46. Внутри криостата излучение с помощью параболического зеркала фокусировалось на смесительном блоке, рис. 2.4а, представляющем собой короткозамкнутую волноводную камеру, переходящую в рупорную антенну. СИС смеситель располагался поперек волновода и представлял собой участок микрополосковой линии, включенной в тракт ПЧ, состоящий из малошумящего усилителя и циркулятора, через который осуществлялось смещение СИС смесителя в режиме стабилизации тока. Затем сигнал ПЧ выходился из криостата и дополнительно усиливался вторым усилителем, находящимся при комнатной температуре, и подавался на измеритель мощности. Следует отметить, что эффект Джозефсона, ухудшающий чувствительность СИС смесителя, был подавлен с помощью магнитного поля от сверхпроводящей катушки.
По отношению мощностей выходного сигнала ПЧ от теплой {Phot) и холодной (Рсои) нагрузок определялся Y-фактор: Затем вычислялась шумовая температура смесителя по формуле:
Мы применяли два способа смены горячей/холодной нагрузок. Первый метод заключалась в ручной смене нагрузок с частотой 0.1-1 Гц. Получаемое значение Y-фактора в зависимости от времени можно легко пересчитать в шумовую температуру приемника при помощи специальной программы. Второй способ основан на смене нагрузок механическим модулятором с частотой 1-20 Гц. Величина Y-фактора измерялась с помощью синхронного детектирования.
Для определения поглощённой мощности гетеродина была использована изотермическая методика [83], основанная на том, что сопротивление смесителя в резистивном состоянии зависит лишь от его электронной температуры (это можно считаться справедливым при больших напряжениях смещения, где сопротивление смесителя по постоянному току близко к его нормальному сопротивлению). Тогда поглощённую мощность ю можно определить как разность мощностей тока смещения в точках пересечения ВАХ, без гетеродина и под гетеродином, прямой постоянного сопротивления (выходящей из начала координат плоскости IV).