Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Смесители терагерцового диапазона частот (обзор литературы) 16
1.1 Полупроводниковые неохлаждаемые смесители на основе диодов с барьером Шоттки 16
1.2 Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник 23
1.3 Физические основы работы сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах 28
1.4 Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения 32
1.5 Постановка задачи, определение цели и предмета исследования 41
Глава II. Изготовление квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах и методика эксперимента 43
2.1 Электронно - разогревные NbN смесители: топология, структура и технология изготовления 44
2.2 Квазиоптическая схема согласования NbN смесителя с входным трактом 52
2.3 Экспериментальный стенд и методика измерения полосы ПЧ NbN смесителей на частоте 0,9 ТГц 57
2.4 Экспериментальный стенд и методика измерения шумовой температуры NbN смесителей на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц 62
2.5 Экспериментальный стенд и методика исследования поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц 64
Глава III. Квазиоптические NbN смесители на горячих электронах на подложках из Si с буферным слоем MgO 68
3.1 Полоса преобразования NbN смесителей с фононным каналом охлаждения 68
3.2 Шумовая температура NbN смесителей с фононным каналом охлаждения на частотах 3,8 и 2,5 и 0,9 ТГц 83
3.3 Выводы 94
Глава IV. Поляризационный отклик спиральной антенны и определение шумовой температуры NbN смесителей с учетом эффекта прямого детектирования на частотах 3,8 и 2,5 ТГц 96
4.1 Поляризационная чувствительность планарной спиральной антенны на частотах 3,8 и 2,5 ТГц 96
4.2 Влияния эффекта прямого детектирования при определении шумовой температуры NbN смесителей на частоте 2,5 ТГц 103
4.3 Выводы 114
Заключение 115
Список публикаций автора 117
Литератур а
- Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник
- Квазиоптическая схема согласования NbN смесителя с входным трактом
- Экспериментальный стенд и методика измерения шумовой температуры NbN смесителей на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц
- Шумовая температура NbN смесителей с фононным каналом охлаждения на частотах 3,8 и 2,5 и 0,9 ТГц
Введение к работе
В связи с расширением области использования терагерцового (или субмиллиметрового) электромагнитного излучения потребность в чувствительных широкополосных приемных устройствах этого диапазона на сегодня полностью не удовлетворена. Указанный участок спектра имеет ряд преимуществ, прежде всего для радиоастрономии и мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, аэростатов и специальных самолетов [1-7], а также систем космической связи, диагностики плазмы и биологических тканей.
Для повышения чувствительности в этом диапазоне часто используется гетеродинная схема приемника излучения, в которой смеситель осуществляет преобразование частоты «вниз». Наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения в диапазоне частот 0,1 - 1,25 ТГц на сегодня признаны смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС - смеситель) [8-15]. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина. При дальнейшем повышении частоты (выше двойной щелевой частоты используемых сверхпроводников) чувствительность СИС -смесителей подает из-за увеличения внутренних потерь.
Другим распространенным полупроводниковым преобразователем частоты в гетеродинном приемнике, который может работать в диапазоне частот 0,3 - 5 ТГц, является диод с барьером Шоттки (ДБШ - смеситель) [16-25]. ДБШ - смесители не требуют глубокого охлаждении и могут работать в диапазоне температур от комнатных до гелиевых, что является основным их преимуществом при освоении терагерцового диапазона. К существенным
недостаткам ДБШ - смесителей следует отнести низкую чувствительность и большую требуемую мощность гетеродина (порядка милливатта).
Указанные недостатки рассмотренных смесителей, применяемых в терагерцовом диапазоне, скорее всего, частично будут устраняться по мере их дальнейшего совершенствования, однако принципиальное улучшение характеристик смесительных устройств этого участка спектра возможно лишь путем использования новых физических механизмов преобразования частоты. Наиболее перспективным представляется использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников под действием терагерцового излучения и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты [26-28].
Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии тонких сверхпроводящих пленок [29,30] - 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. Они являются весьма перспективными приемными элементами на частотах выше 1,25 ТГц, так как не имеют частотных ограничений по механизму смешения [31] и не содержат реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.
Суть эффекта сводится к следующему. С уменьшением толщины сверхпроводящих пленок (d<10 нм для NbN) возрастает роль электрон -электронных столкновений в процессах энергообмена. Если пленки содержат большое количество статических дефектов, электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах, в результате чего роль электрон -электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения. При воздействии излучения на такие пленки, поглощенная энергия распределяется по электронной подсистеме, повышая ее температуру 0, что проявляется в росте сопротивления пленки. Эффект не
зависит от частоты излучения - экспериментально доказана неселективность разогрева в диапазоне частот 1010 - 1015Гц [28,31]. Возбужденная электронная подсистема за счет электрон-фононного взаимодействия, характеризуемого временем электрон-фононного взаимодействия re.Ph, остывает за время релаксации электронной температуры тв, передавая энергию фононной подсистеме пленки. На последнем этапе происходит остывание фононной подсистемы пленки за счет выхода неравновесных фононов в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае неупорядоченных плёнок с малой длиной свободного пробега при условии те.е « ге.р/,. Полоса смесителей с фононным каналом охлаждения определяется в этом случае временем выхода неравновесных фононов в подложку resc и временем релаксации re.ph.
Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в [32] и далее развит в целом ряде работ [33-35]. Здесь в качестве "холодного" резервуара выступает не фононная подсистема, а массивные контакты прибора. В этом случае скорость остывания ограничивается диффузией горячих электронов в контакты, а прибор носит название болометра на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.
Определяющую роль в реализации многих приложений в терагерцовом спектральном диапазоне играет возможность совмещения большого динамического диапазона и широкой полосы промежуточных частот, используемых гетеродинных приемников излучения. Привлекательность НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения в этом плане несомненна. Путем изменения объема чувствительного элемента смесителя, не ухудшая его эффективности преобразования, можно не только оптимизировать динамический диапазон приемника, но и регулировать
величину требуемой оптимальной мощности гетеродина. Существующие твердотельные гетеродинные источники терагерцового излучения, применяемые в практических системах, не всегда имеют достаточный запас выходной мощности на частотах выше 1,5 ТГц.
Увеличение полосы ПЧ для НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто за счет применения как ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, так и промежуточных диэлектрических подслоев между сверхпроводящей пленки и подложкой для улучшения их акустического согласования.
С радиотехнической точки зрения НЕВ - смеситель с фононным каналом охлаждения осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты [26-28,36]. При этом, поскольку энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поглощение терагерцового излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии и слабо зависит от выбора рабочей точки по постоянному току. Это позволяет достаточно просто согласовывать его с различными типами приемных антенн, поскольку импеданс пленки на высокой частоте является чисто активным и может быть оптимизирован путем изменения размеров чувствительного элемента в плане.
Согласование НЕВ - смесителя с принимаемым электромагнитным излучением достигается путем использования волноводной или квазиоптической схем. В первом случае чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами монтируется в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной [37]. Во втором случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [38]. Среди планарных антенн популярность снискали три типа:
двухщелевая, спиральная, и логопериодическая. Последние два типа относятся к так называемым частотно - независимым антеннам, их ожидаемая полоса рабочих частот может составлять несколько октав. Двухщелевая антенна является резонансной структурой с рабочей полосой порядка 30 % от центральной частоты. Несмотря на широкое использование этих планарных антенн на диэлектрических подложках в квазиоптических схемах согласования с терагерцовым излучением, их характеристики, такие как входная полоса, диаграмма направленности, эффективность, поляризационная чувствительность, изучены наиболее полно лишь на частотах до 0,6 ТГц. Исследование характеристик планарных антенн на более высоких частотах, конструируемых путем масштабирования низкочастотного варианта антенны, остается пока неудовлетворительным, что является определенным препятствием их эффективного использования. Несмотря на это, все же происходит накопление экспериментального материала, который помогает определиться с выбором планарной антенны того или иного типа при создании гетеродинного приемника для практических применений. На частотах выше 1,5 ТГц чаще всего исследуются такие параметры антенны как входная полоса и диаграмма направленности [39, 40]. Исследование поляризационной чувствительности планарной логопериодической антенны на частотах 1,56 и 2,24 ТГц проводилось, пожалуй, лишь в единственной работе [41].
Наиболее активно используемым сверхпроводниковым материалом для создания НЕВ - смесителей терагерцового диапазона является высококачественные пленки нитрида ниобия, возможность использования которых была продемонстрирована в работах [29].
Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки NbN толщиной 2.5-3.5 нм, осажденной на сапфировую подложку, достигает 4 ГГц [42], что не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.
Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических NbN смесителей с фононным каналом охлаждения является весьма актуальным для практической радиоастрономии, что связано как с доплеровским уширением спектральных линий при наблюдении быстро перемещающихся источников терагерцового излучения, так и с ограниченностью перестройки частоты терагерцовых гетеродинных источников излучения.
К началу диссертационного исследования чувствительность квазиоптических NbN смесителей с фононным каналом охлаждения, характеризуемая двухполосной шумовой температурой, на частотах 0,75, 1,4, 2,5, 3,1 и 4,2 ТГц составляла 600 К, 2200 К, 2900 К, 4000 К и 5600 К [43] и полоса ПЧ такого смесителя не превышала 3-4 ГГц [42]. Позднее в работе [44] для смесителей была получена шумовая температура 1500 К на частоте гетеродина 2,5 ГГц.
Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, требуемая мощность гетеродина и полоса промежуточных частот, в терагерцовом диапазоне не достаточны для решения некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников терагерцового диапазона.
Целью данной диссертационной работы является исследование квазиоптических смесителей из ультратонких сверхпроводящих пленок NbN на эффекте электронного разогрева, работающих в диапазоне частот 2 -4 ТГц, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, требовали малой мощности гетеродина и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике.
Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 2-4 нм, осажденных на подложки из
MgO и Si, как с буферным подслоем MgO, так и без него.
Измерение полосы ПЧ смесителей проводилось на частоте 0,9 ТГц как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками, так и по реже используемой методике с применением излучения абсолютно черного тела, находящегося внутри криостата. Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц. Исследование поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны проводилось на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.
В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:
Исследованы квазиоптические смесители субмиллиметрового диапазона длин волн на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 2-4 нм с использованием подслоя MgO толщиной 200 нм.
Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей, изготовленных из сверхпроводящей пленки NbN толщиной 2 нм, до 5,2 ГГц. Получение пленки NbN такой толщины с критической температурой 9,2 К стало возможным, благодаря применению подслоя MgO между пленкой и подложкой из Si.
Впервые проведены измерения шумовой температуры NbN смесителя на установке, где в качестве гетеродинного источника был использован газоразрядный лазер на парах воды на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.
Впервые исследована поляризационная чувствительность планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны на подложке из Si на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.
Впервые определена величина погрешности измерения чувствительности NbN смесителя за счет эффекта прямого детектирования.
Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на основе металлической сетки.
На защиту выносятся следующие положения:
Квазиоптические смесители на кремниевой подложке с подслоем MgO на основе пленки NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 3100 К на частоте излучения гетеродина 3,8 ТГц.
Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей на основе NbN пленки толщиной 2 нм, осажденной на подложку из Si с применением подслоя MgO, в оптимальном по шумовым характеристикам режиме составляет 5,2 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.
На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53.
Величина погрешности определения шумовой температуры NbN смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродинного источника.
Практическая значимость работы подтверждена использованием разрабатываемых НЕВ смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX, ALMA, HERSHEL), так на исследование атмосферы Земли (SOFIA, TELIS).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 131 страницу, включая 28 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 108 наименований.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, раскрывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов и дается краткий обзор содержания работы.
Первая глава «Смесители терагерцового диапазона частот (обзор литературы)» носит обзорный характер. В 1.1 рассматриваются смесители субмиллиметрового диапазона на основе диодов с барьером Шоттки. В 1.2 рассматриваются смесители субмиллиметрового диапазона на основе СИС смесителей. 1.3 посвящен описанию двухтемпературной модели электронного разогрева в сверхпроводниковых пленках, осажденных на диэлектрическую подложку. Показано, что частотная зависимость сигнала на промежуточной частоте может быть получена в рамках данной модели, предполагающей нагрев как электронной, так и фононной подсистем пленки, и определяется в основном соотношением времен релаксации xesCj трь-е, и те.рь (tesc - время ухода неравновесных фононов, трь-е и те.рь - времена фонон-электронного и электрон-фононного взаимодействий, соответственно). Приводятся основные положения модели «нормального домена».
В 1.4 приведен обзор существующих работ по НЕВ смесителям с
фононным каналом охлаждения. Рассмотрено влияние
электротермической обратной связи в цепи смещения на полосу преобразования НЕВ смесителя. Показано, что изменение значения транспортного тока, протекающего через смеситель, приводит к изменению полосы преобразования НЕВ смесителя. Приведены лучшие характеристики смесителей, полученные на момент начала диссертационного исследования.
В 1.5 обосновывается выбор объекта исследования и формулируется задача диссертационной работы.
Вторая глава «Изготовление квазиоптических NbN смесителей на горячих электронах и методика эксперимента» посвящена описанию конструкции смесителей и экспериментальных установок.
В 2.1 освещаются аспекты изготовления квазиоптических NbN смесителей. Изучаемые NbN смесители изготовлялись на различных подложках: из высокорезистивного кристаллического кремния, кристаллического оксида магния и на кремниевой подложке с промежуточным буферным слоем MgO толщиной 0.2 мкм. Ультратонкие пленки NbN были получены методом реактивного магнетронного распыления ниобиевой мишени в атмосфере аргона и азота на постоянном токе. Смеситель - часть NbN пленки, включенной в центральную часть планарнои спиральной антенны-был сформирован посредством взрывной электронной и фотолитографий.
В 2.2 описана квазиоптическая схема согласования NbN смесителя с входным трактом.
В 2.3 представлены установки для исследования полосы преобразования квазиоптических NbN НЕВ смесителей. Исследования полосы преобразования NbN смесителей проводились как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками излучения на частоте 0,9 ТГц (ОВ-44), так по реже используемой методике при использовании НЕМТ-усилителя и шумового источника сигнала находящегося внутри гелиевого криостата. В качестве шумового источника использовался поглотитель при различных температурах.
В 2.3 описана установка для измерений шумовых характеристик квазиоптических NbN смесителей на частотах 3.8, 2,5 и 0,9 ТГц. В качестве гетеродинного источника использовался субмиллиметровый лазер на парах воды и лампа обратной волны ОВ-73. Шумовая температура смесителей определялась по стандартной методике смены "горячей" и "холодной" (300 К/77 К) нагрузки в сигнальном тракте приемника.
2.5 посвящен описанию методик измерения поляризационной чувствительности планарнои спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.
Третья глава «Квазиоптические NbN смесители на горячих электронах на подложках из Si с буферным слоем MgO» посвящена исследованию полосы преобразования и двухполосной шумовой температуры квазиоптических NbN смесителей на подложках из Si с буферным слоем MgO. В 3.1 обсуждаются результаты измерений полосы преобразования смесителей на частоте 0,9 ТГц, изготовленных их NbN пленки различной толщины, осажденной на подложки из Si, MgO и кремниевую подложку с буферным подслоем оксида магния. Проводились исследования смесителей на основе ультратонких NbN пленок, осажденных как на Si или MgO подложки, так и на Si подложку с буферным подслоем MgO толщиной 200 нм. Толщина пленки нитрида ниобия в случае Si подложки с подслоем MgO была 3,5 нм, 2,5 нм и 2 нм, а в случае Si и MgO подложки только 3,5 нм. Для смесителей с толщиной плёнки NbN 2 нм, осажденной на кремниевую подложку с буферным подслоем MgO, ширина полосы преобразования в оптимальной по шумовым характеристикам рабочей точке достигла значения 5,2 ГГц.
В 3.2 представлены результаты измерения шумовой температуры квазиоптических смесителей изготовленных из тонкой (толщиной 3,5-4 нм) сверхпроводящей NbN пленки на частотах гетеродина 3,8, 2,5 и 0,.9 ТГц. Исследуемые нами смесители имели размеры чувствительного элемента 0,13-0,24 мкм в длину и 1,2-3 мкм в ширину. Выбор столь малых размеров смесительного элемента позволяет использовать такие смесители в реальных приемниках, где применяются твердотельные гетеродинные источники с низким уровнем выходной мощности (не более 10 мкВт).
Измерения двухполосной шумовой температуры смесителей Т„ обычно проводились на промежуточной частоте 1,5 ГГц, а для некоторых смесителей в широком диапазоне промежуточных частот.
Рекордные значения двухполосной шумовой температуры квазиоптических смесителей на кремниевой подложке с подслоем MgO на
основе пленки NbN толщиной 3-4 нм составили 3100 К на частоте излучения гетеродина 3,8 ТГц и 1300 К на частоте излучения гетеродина 2,5 ТГц. Типичное значение двухполосной шумовой температуры на частоте излучения гетеродина 0,9 ТГц составило 840 К.
В 3.3 сформулированы основные выводы данной главы.
Четвертая глава «Поляризационный отклик спиральной антенны и определение шумовой температуры NbN смесителей с учетом эффекта прямого детектирования на частотах 3,8 и 2,5 ТГц» посвящена изучению поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны и исследованию влияния эффекта прямого детектирования на систематическую ошибку определения шумовой температуры приемника в лабораторных условиях.
В 4.1 представлены результаты измерения поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.
В 4.2 проанализированы результаты измерения выходной мощности шумового ПЧ сигнала и величины изменения транспортного тока для каждой рабочей точки в результате прямого детектирования тепловой мощности нагрузок при температурах 300 и 77 К. В эксперименте была использована стандартная установка для измерения шумовой температуры смесителей на частоте гетеродина 2,5 ТГц. Изменение тока при смене нагрузки в оптимальной рабочей точке составило 127 нА (0.12% от значения силы транспортного тока в данной точке), при этом погрешность определения шумовой температуры приемника составила более 8%. Для минимизации данного эффекта путем уменьшения входной полосы приемника предложено использование фильтра - тонкой металлической сетки с квадратной ячейкой и периодом 100 мкм. Изменение тока за счет смещения рабочей точки при использовании охлаждаемого сеточного фильтра существенно уменьшилось и не превышало 20 нА.
В 4.3 сформулированы основные выводы данной главы.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 21 печатной работе, список которых приведён в конце дисертации, и докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах:
13, 14 и 15-м Международном симпозиуме по космическим терагерцовым технологиям (США, 2002, 2003 и 2004);
Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2003);
Совместной 29-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и 12-ой Международной конференции по терагерцовой электронике (Германия, 2004);
5-ом Международном симпозиуме по физике и технике СВЧ и ММ и суб-ММ волн (Харьков, 2004).
Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник
Широкое распространение в последние время получили смесители терагерцового диапазона на основе нелинейности квазичастичного тока туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС), квантовая природа которого позволяет получить преобразование вниз по частоте с усилением и шумами, ограниченными лишь квантовыми флуктуациями. Нелинейность тока одночастичных возбуждений, проявляющаяся наиболее сильно в СИС - переходах, обусловлена наличием особенности в плотности электронных состояний в сверхпроводнике при энергиях, соответствующих энергетической щели [60], что проявляется в скачкообразном росте тока / при напряжениях А,+А2 Vz=— -, где Лі и Л2 - величины энергетических щелей сверхпроводников, образующих контакт. При напряжениях ниже щелевого Vg ток обусловлен влиянием факторов, размывающих плотность состояний, таких как температура, наличие примесей и дефектов, утечка туннельного перехода „ , где Rj - дифференциальное сопротивление участка ВАХ СИС - перехода при напряжениях V Vg. Чем меньше размытие щели SVg и величина утечки „ , тем выше качество СИС перехода, а значит, потенциально выше характеристики гетеродинного приемника можно реализовать на базе СИС - смесителя. Помимо значений SVg, Vg и д , СИС - переход характеризуется нормальным сопротивлением R„ (при напряжениях V Vg) и собственной конструктивной емкостью С, которая определяется площадью перехода и параметрами туннельной прослойки (материал, толщина, плотность тока через переход). Условием, обеспечивающим малу величину тока утечки в смесительном элементе в рабочей точке при напряжении V0=Vg——, является Rj » Rn. В случае, когда ток утечки велик, оказывается невозможным получить большие значения дифференциального сопротивления в рабочей точке, а значит - невозможно реализовать эффективный смеситель. Для идеального СИС - перехода при 4 К отношение Rj/R„ = 60 —100.
Топология СИС - перехода представляет собой структуру типа «сэндвич»: нижний сверхпроводящий базовый электрод - туннельная прослойка - верхний сверхпроводящий электрод. Туннельный слой может располагаться как планарно, так и на торце электродов, что позволяет снижать площадь СИС - перехода. В настоящее время наиболее отработана технология изготовления СИС - переходов на основе тугоплавких материалов (Nb, NbN, NbTiN, NbTi) с использованием искусственной туннельной прослойкой из А10х, MgOx или A1N с низкой величиной диэлектрической проницаемости (sAiox 9). Это позволяет повысить стабильность параметров СИС - переходов, устойчивость к термоциклированию, а также улучшить их электрофизические характеристики: за счет использования искусственного барьера на основе тонких (20 - 80 нм) окисных пленок А10х, MgOx [61, 62] в сочетании с технологией переходов субмикронных площадей [63, 64], удается существенно уменьшить собственную емкостью С СИС - перехода, при этом величина емкости на единицу площади перехода составляет 0,04 -0,08 пФ/мкм2 в зависимости от плотности тока [63, 65].
Согласно квантово - механической теории туннелирования квазичастиц в СИС - переходе под влиянием электромагнитного SV.e излучения с достаточно высокой частотой / , квантовое п сопротивление туннельного перехода описывается комплексной матрицей проводимости, что проявляется в нелинейной реактивной проводимости перехода, изменяющейся во времени с частотой / Это приводит к тому, что под воздействием колебаний гетеродина и сигнала, в смесителе возникают переменные напряжения и токи как на частотах гетеродина fr, сигнала /с, ПЧ сигнала /г /с, так и на высокочастотных комбинационных составляющих. Из-за сильной нелинейности ВАХ СИС - перехода высокочастотные составляющие спектра преобразования могут содержать значительную часть энергии преобразуемого сигнала, что приводит к уменьшению эффективности преобразования. Для предотвращения этого необходимо, чтобы нелинейное сопротивление было сильно шунтировано собственной емкостью СИС - перехода. Влияние собственной емкости С на частоте / принято характеризовать параметром, соответствующим добротности туннельного перехода у = 27tfCRn и определяющим входную полосу СИС - смесителя
Величина этого параметра в рабочем диапазоне частот находится в пределах 3-10. Для уменьшения у необходимо либо снижать величину собственную емкостью С за счет площади перехода, либо использовать переходы со сравнительно низким Rn. Последнее, однако, приводит к уменьшению действительной части входного импеданса Re(Z) смесителя, поскольку R(Z)cc R„/[y2 +l), а это затрудняет его согласование с ВЧ трактом на частоте/с Эффективный способ снижения влияния собственной емкости С перехода заключается в использовании компенсации емкостной проводимости на частоте fc с помощью интегральных индуктивных элементов, расположенных в непосредственной близости к туннельному слою и применяющихся как в волноводных, так и в квазиоптических СИС -смесителях [66-71].
Квазиоптическая схема согласования NbN смесителя с входным трактом
Для эффективного ввода электромагнитного излучения, приходящего из свободного пространства с волновым сопротивлением 120л, на НЕВ -смеситель использовалась квазиоптическая схема, состоящая из фокусирующей линзы и широкополосной эквиугольной планарной антенны [39]. Для интегрирования антенны и чувствительного элемента НЕВ -смесителя она должна удовлетворять ряду требований:
1. это должна быть планарная структура, дающая возможность воспроизведения с высокой точностью формы антенны и изготовления ее совместно со смесительным элементом в едином технологическом цикле на одной подложке;
2. необходимо, чтобы структура и топология антенны допускали простое соединение ее со смесительным элементом, при этом желательно отсутствие дополнительных токоведущих электродов, с учетом их влияния на добротность системы смесительным НЕВ элементом -антенна;
3. требуется достаточная широкополосность самой антенны в пределах субмиллиметровых длин волн при чисто активном и постоянном выходном импедансе в рабочем диапазоне частот для упрощения согласования со смесительным элементом;
4. для упрощения ввода электромагнитного излучения на антенну, она должна обладать осесимметричной диаграммой направленности (ДН), при этом диэлектрическая подложка, на которой размещается система смесительный НЕВ элемент - антенна, должна оказывать минимальной воздействие на ДН антенны.
Такая антенна может рассматриваться как элемент согласования смесительного НЕВ элемента с входным оптическим трактом и при выполнении вышеперечисленных требований дает ряд преимуществ: снижение величины выходного импеданса с 400 Ом у волноводной системы до нескольких десятков Ом у антенны; отсутствие дополнительной реактивности токоведущих электродов, т.к. смесительный элемент подключается непосредственно к выходным зажимам антенны, и связанное с этим увеличение широкополосное; возможность изготовления всей структуры методами тонкопленочной технологии с точностью лучше, чем 0,5 мкм; высокий К.П.Д. антенны осесимметричная ДН позволяет достичь хорошего согласования с входным пучком электромагнитного излучения.
В качестве приемной антенны была выбрана эквиугольная спиральная антенна, которая представляет собой двухветвевую осесимметричную планарную структуру, отельная ветвь которой ограничена двумя экспоненциально заданными в полярных координатах кривыми: А = А ехр(яр) и р, = Кр0 ехр(а р) (2.2.1) где р, ф - полярные координаты, р, К, а - положительные константы, вторая ветвь - на 180 повернутая первая. При числе витков 1,25-1,5 и оптимальном значении параметра а = 0,3 антенна имеет осесимметричную диаграмму направленности. При конечных размерах антенны, минимальная частота определяется длинной плеча антенны, а максимальная - отклонением в форме антенны в ее центре, и при соответствующем выборе топологии возможно достижение широкополосности около декады. При, этом, однако, следует учитывать, что, во-первых, слишком широкая полоса антенны может привести к насыщению НЕВ - смесителя и, во-вторых, так как смесительный элемент включается в центральную часть антенны, его размеры могут ограничить диапазон антенны со стороны высоких частот.
Используемая антенна являлась самокомплементарной, т.е. площадь ее металлической части равна площади щелевой, в этом случае импеданс антенны является чисто активным и, в пренебрежении поверхностным сопротивлением металла, составляет: что для кремния дает 75 Ом.
Направленность и эффективность согласования с гауссовым пучком системы линза-антенна определяется в основном типом линзы и местоположением антенны относительно поверхности линзы.
В качестве фокусирующей линзы из высокоомного кремния была выбрана вытянутая полусфера радиусом R=6MM И собственной длиной вытяжения Lo=l,75 мм. Поскольку ВЧ излучение на смеситель заводится через кремниевую подложку, то с учетом ее толщины полная длина вытяжения составляет L=2,l мм, что соответствует 0,35 R. Квазиоптическая схема согласования с терагерцовым излучением, изображена на рис. 6. Как было отмечено, это приводит к узкой диаграмме направленности антенны и эффективному согласованию с гауссовым пучком.
При изготовлении смесителей применялись спиральные планарные антенны трех типов с различным рабочим частотным диапазоном. Для всех антенн неизменным оставался параметр а = 0,3, а изменялись лишь радиусы окружностей, ограничивающих внутреннюю и внешнюю части спирали. Геометрические размеры антенн и рабочий диапазон частот [39] указаны в табл. 3.
Экспериментальный стенд и методика измерения шумовой температуры NbN смесителей на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц
Исследование поляризационных характеристик квазиоптических смесителей на основе NbN пленки, согласованных с планарными эквиугольными самокомплементарными спиральными антеннами проводилось с помощью установки, изображенной на рис.10. В качестве источника излучения на частотах 2,5 и 3,8 ТГц использовался газоразрядный лазер на парах воды в режиме непрерывной генерации. Согласование смесителя с практически параллельным, гауссовским пучком лазерного излучения осуществлялось с помощью квазиоптической схемы, описанной в 2.4.
Излучение содержало в себе две ортогональные линейно поляризованные моды, наличие которых было обусловлено конструктивными особенностями газоразрядный лазер. Для обеспечения одномодового линейно поляризованного излучения генерация одной из имеющихся мод подавлялась с помощью металлической решетки, которая размещалась внутри разрядной трубы лазера так, что ее плоскость была перпендикулярна оси трубы. Решетка была изготовлена из алюминиевых проволок диаметром 20 мкм, закрепленных параллельно друг другу с периодом 10 мм в тонкостенной оправке в виде кольца.
В ходе проведения измерений необходимо было не только контролировать стабильность лазерного излучения, но и поддерживать постоянный уровень его мощности. Для этого пучок излучения на выходе из лазера расщеплялся делительной пластиной из майлара толщиной 10 мкм, и отраженная часть пучка регистрировалась при помощи оптико-акустического преобразователя ОАП-7.
Для изменения в свободном пространстве ориентации вектора электрической напряженности в линейно поляризованном лазерном пучке использовался квазиоптический вращатель плоскости поляризации излучения. Он размещался на пути прошедшего через делительную пластину излучения от лазера и позволял осуществлять вращение плоскости поляризации пучка на любой угол от 0 до 360 градусов перед входным окном криостата.
Детектирование излучения, принимаемого планарной спиральной антенной, осуществлялось NbN смесителем, который находился при физической температуре близкой к критической температуре сверхпроводящей пленки и смещался источником питания в режиме стабилизации тока. Фактически в данной ситуации был реализован детектор на эффекте разогрева электронов электромагнитным излучением в сверхпроводящей NbN пленке, переведенной в резистивное состояние транспортным постоянным током. Однородный электронный разогрев терагерцовым излучением приводил к изменению сопротивления чувствительного элемента NbN детектора, а так как смещение осуществлялось в режиме генератора тока, то это приводило к изменению значения напряжения. Таким образом, величина изменения напряжения на детекторе являлась своего рода индикатором поглощенной мощности ВЧ излучения. Уровень мощности ВЧ излучения необходимый для того, чтобы детектор работал в пределах своего динамического диапазона, регулировался квазиоптическим аттенюатором.
С целью повышения отношения сигнал/шум на NbN детекторе мощность лазерного излучения прерывалась с частотой 20 Гц при помощи механического модулятора. Регистрация переменного напряжения на частоте модулятора производилась с помощью селективного вольтметра.
Полоса ПЧ рассматриваемого типа смесителей определяется скоростью остывания электронной подсистемы сверхпроводящей пленки, которая вычисляется через теплоемкости Се и Ср, время релаксации тер.ь и время ухода неравновесных фононов в подложку те8с, которое зависит от толщины сверхпроводящей пленки и акустического согласования ее с подложкой. На момент диссертационного исследования были достигнуты следующие предельные значения полос ПЧ смесителей с фононным каналом охлаждения на основе NbN пленок толщиной 3,5 - 4 нм, а именно 4 ГГц на кремневой подложке, 3,7 ГГц на подложке из сапфира и 4,5 ГГц на подложке из MgO. Дальнейшее расширение полосы ПЧ NbN смесителей оказывалось возможным лишь при реализации более тонких пленок, сверхпроводящие свойства которых были бы не хуже, чем для пленок толщиной 3,5 - 4 нм.
В данной главе представлены результаты измерения полосы ПЧ электронно-разогревных NbN смесителей на подложках из Si с буферным слоем MgO, работающих при низкой физической температуре по сравнению с критической температурой сверхпроводящих пленок, на основе которых были изготовлены исследуемые смесители. В такой ситуации, требующей достаточно больших мощностей гетеродина и транспортного тока, квазичастицы и фононы находятся в неравновесных условиях. Параметры исследуемых образцов, а именно толщина пленки NbN, ее критическая температура, плотность критического тока, а также полоса ПЧ, приведены в таблице 4.
Шумовая температура NbN смесителей с фононным каналом охлаждения на частотах 3,8 и 2,5 и 0,9 ТГц
В данном параграфе представлены результаты измерения шумовой температуры квазиоптических смесителей изготовленных из сверхпроводящей NbN пленки толщиной 3,5-4 нм. Основные параметры смесителей, используемых в исследовании, приведены в табл. 5.
Выбор размеров смесительного элемента обусловлен двумя причинами. Во-первых, требуемым значением сопротивления в нормальном состоянии, для лучшего согласования с трактами высокой и промежуточных частот, что определяет выбор отношения длины к ширине элемента. Во-вторых, в силу того, что требуемая оптимальная мощность гетеродина пропорциональна объему болометра, выбор малых размеров смесительного элемента позволяет использовать такие смесители в реальных приемниках, где используются твердотельные гетеродинные источники с низким уровнем выходной мощности (не более 1 мкВт). Поэтому исследуемые нами смесительные элементы имели размеры в плане 0,13-0,24 мкм в длину и 1,2-3 мкм в ширину. Заметим, что используемый в лабораторной установке газовый лазер на парах воды, имел большой запас мощности и с его помощью любой из смесителей легко переводился в нормальное состояние.
Нами были изучены квазиоптические смесители, изготовленные как на кремниевой подложке без буферного слоя, так и с подслоем MgO. Применение последнего позволяло улучшить сверхпроводниковые характеристики пленки и параметры смесителя по постоянному току. Действительно, как видно из табл. 5, значения Тс пленки смесителей при применении буферного слоя несколько увеличиваются, то же поведение можно отметить и для плотности критического тока. Однако к значительному улучшению чувствительности смесителей это не привело.
Различие нормального сопротивления R„ смесителей с расчетным 40-50 Ом из известного поверхностного сопротивления пленки NbN (Rn 500 600 Ом), как видно из табл.4, составляет 10 Ом и более. Возможные причины этого, связанные с контактным сопротивлением между пленкой сверхпроводника и Ti/Au контактными площадками.
Двухполосная шумовая температура смесителей Т„ обычно измерялась на промежуточной частоте 1,5 ГГц, а для смесителя L310(#7) в широком диапазоне промежуточных частот (0,8-6 ГГц). Несмотря на то, что значения шумовой температуры смесителей, представленные в табл. 5, значительно различаются между собой, относительная погрешность измерения данной величины в эксперименте составляет не более 5 %. Погрешность измерения Т„ определяется флуктуациями выходной мощности смесителя, обусловленными в основном нестабильностью гетеродинного источника и неточностью определения температуры нагрузок.
На рис. 18 представлены вольтамперные характеристики смесителя Ы80#14 при различном уровне мощности излучением гетеродина на частоте 2,5 ТГц. На этом же рисунке представлена зависимость измеренной шумовой температуры приемника в зависимости от положения рабочей точки. Измерения Y-фактора производилось на промежуточной частоте 1.5 ГГц, а ширина выходного полосового фильтра составляла 20 МГц. Оптимальная чувствительность достигается при значении напряжения смещения 0,7-0,9 мВ и токе смещения 24-28 мкА. Данная точка находится экспериментально следующим образом. Сначала при выбранном фиксированном значении напряжения смещения (обычно менее 1 мВ), измеряется зависимость Y-фактора от приложенной мощности гетеродина и находится точка, при которой Y-фактор максимален. Затем при фиксированной мощности гетеродина изменяется напряжение смещения смесителя и снова выбирается значение с максимальным Y-фактором. Таким образом, после нескольких итераций мы получаем точку, оптимальную по напряжению смещения и мощности гетеродина. Для наглядности зависимости чувствительности смесителя от положения рабочей точки на ВАХ на рисунке представлены также значения шумовой температуры для других рабочих точек в широком диапазоне напряжений смещения и величины транспортного тока.
Лучшее значение шумовой температуры приемника составило 1300 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц.
Вольтамперные характеристики смесителя L180#14 при различном уровне мощности излучением гетеродина на частоте 3,8 ТГц и зависимость измеренной шумовой температуры приемника в зависимости от положения рабочей точки представлены на рисунке 19. Лучшее значение шумовой температуры приемника составило 3100 К.
При измерениях шумовой температуры мощность теплового излучения, поглощаемая смесителем с поверхности нагрузки, являющейся абсолютно черным телом, пропорциональна температуре нагрузки и входной полосе приемника. Данное тепловое излучение может вызывать болометрический нагрев смесителей. Это приводит к изменению рабочей точки, что, в свою очередь, приводит к изменению выходного шума и коэффициента преобразования смесителя.
Это явление принято называть эффектом прямого детектирования. При шумовых измерениях смесителя, вышеописанный эффект является паразитным и вносит искажения в измерения шумовой температуры.
Рассмотрим, как изменяется шумовая температура смесителя в зависимости от ПЧ. На рис. 20 представлена зависимость некорректированной шумовой температуры смесителя L310#7 и корректированной на шумы усилительного тракта ПЧ от промежуточной частоты. В этом эксперименте, мы использовали два охлаждаемых НЕМТ усилителя оптимизированные на 1,3-1,7 ГГц и 4,4-5,2 ГГц, соответственно, и каскады «теплого» усиления, позволяющие измерять шумовую температуру смесителя в выходной полосе 20 МГц.
