Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи 17
1.1 Гетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн для радиоастрономических применений 17
1.2 Смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения 22
1.3 ІІЕВ-смесители в инструментах субмиллимстроіши астрономии. 39
1.4 Выводы и постановка задач , 43
Глава 2. Технология изготовления образцов и методики измерений характеристик приемников 44
2,1 Изготовление смесителей из тонких пленок NbN и NbTiN 44
2.2 Методика измерения шумовой температуры 46
2.3 Методика измерения динамического диапазона квазиоптических смесителей на горячих электронах 48
2.4 Методика исследований полосы ПЧ полноводных смесителей па горячих электронах 50
2.5 Использование Фурье-спектрометра для исследования входной полосы терагерцовых приемников. 54
2.6 Методика измерений требуемой мощности гетеродина НЕВ смесителей 55
2.7 Методика измерений собственного импеданса смесительного блока с использованием масштабированного макета 60
Глава 3. Динамический диапазон и поглощенная мощность гетеродина квазиоптических смесителей на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN . 64
3.1 Поглощенная мощность гетеродина смесителей на горячих электронах 64
3.2 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителей разного объема . 68
3.3 Динамический диапазон смесителей разного объема 74
3.4 Выводы . . 78
Глава 4. Волноводныс смесители терагерцового диапазона на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbTiN 79
4.1 Характеристики волноводных NbTiN РНЕВ смесителей по постоянному току 79
4.2 Исследование шумовой температуры волноводных NbTiN РНЕВ смесителей в диапазоне 0.7 - 1.3 ТГц 85
4.3 Исследование полосы преобразования волноводных NbTiN РНЕВ смесителей 91
4.4 Исследование поглощенной и требуемой мощности гетеродина волноводных NbTiN РНЕВ смесителей 94
4.5 Выводы 97
Глава 5. Исследование волноводных смесителей на горячих электронах с различным импедансом смесительного блока на несущей частоте 98
5.1 Проектирование смесительного блока с заданным собственным импедансом. 98
5.2 Параметры исследуемых волноводных NbN РНЕВ смесителей. 102
5.3 Высокочастотные характеристики волноводных NbN РНЕВ смесителей с заданным импедансом смесительного блока.. 105
5.4 Выводы 111
Заключение 112
Список публикаций автора 115
Литература 118
- Смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения
- Методика исследований полосы ПЧ полноводных смесителей па горячих электронах
- Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителей разного объема
- Исследование шумовой температуры волноводных NbTiN РНЕВ смесителей в диапазоне 0.7 - 1.3 ТГц
Введение к работе
Развитие астрономии неразрывно связано с техническими нововведениями. Так, изобретение телескопа приблизило к нам знезды и позволило создать классификацию космических объектов, получить представление об их эволюции. Освоение радиодиапазона привело к появлению радиоастрономии. И сегодня мы продолжаем осваивать новые диапазоны частот, для получения более полной информации об устройстве Вселенной.
Межзвездное вещество, заполняющее Вселенную, представляет собой разреженную смесь холодных газов и пыли. Процессы, связанные с формированием звезд и галактик, сопровождаются интенсивным ультрафиолетовым излучением, нагревающим окружающую «холодную» среду. Таким образом, области Вселенной, в которых протекают процессы формирования новых звезд и галактик, как правило, окружены облаками газов с большей температурой и плотностью нежели «холодное» межзвездное вещество. Интенсивность и спектральный состав излучения подобных областей звездного неба содержат в себе информацию о процессах, протекающих при образовании новых галактик и звезд.
Излучение сосредоточенных источников для его регистрации должно превалировать над фоновым излучением Вселенной. Большое количество линий излучения газов, составляющих холодную межзвездную среду, приходится на миллиметровые и субмиллиметровые волны. В этом диапазоне лежит максимум реликтового излучения Вселенной и один из максимумов излучения нашей галактики. По данным, полученным в рамках проекта NASA СОВЕ (COsmic Background Explorer), излучение, приходящееся на субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны, составляет около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный путь [1]. На рис.1, по данным обзора [2], приведена зависимость мощности излучения межзвездной пыли, легких и тяжелых молекул холодных газов от длины волны. Здесь также показаны зависимости, соответствующие излучению черного тела при 30 К и реликтового излучения Вселенной с эффективной температурой 2.7 К. Стоит отметить, что по предварительным оценкам спектр межзвездного вещества должен включать в себя порядка сорока тысяч отдельных линий в рассматриваемом диапазоне длин rf волн от 1 мм до 100 мкм, что соответствует диапазону частот от 0.3 до 3 ТГц. На сегодняшний день из всего множества предсказанных линий проведено наблюдение лишь около тысячи [3]. В тех направлениях, где мощность излучения межзвездной пыли невелика, терагерцовын диапазон волн представляет большой интерес еще и потому, что с его помощью можно наблюдать самые удаленные объекты во Вселенной.
Проведение радиоастрономических исследований с поверхности Земли в терагерцовом диапазоне волн затруднено слабой прозрачностью атмосферы. В v, основном она связана с сильным поглощением излучения парами воды. В верхней части рис. 2 показан спектр пропускания атмосферы, полученный в ради о обсерватор ии на горе Мауна Кеа, Гавайи [2]. Телескоп установлен на высоте 4200 метров над уровнем моря, приведенные данные получены при влажности, соответствующей высоте осажденного водяного столба и 1 мм. Для проведения исследований с поверхности Земли на частотах выше 1 ТГц также, как это делается для наблюдения в других спектральных интервалах, возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания. На сегодняшний день только начинается освоение окон прозрачности около 1.03, 1.35 и 1.5 ТГц. Стоит отметить, что прозрачность атмосферы в этих окнах в лучшие дни достигает около 40% в высокогорных районах плато Атакама, Чили (5525 метров над уровнем моря) [4]. Пропускание атмосферы в зависимости от частоты на высоте 12000 метров, полученное в обсерватории самолетного базирования (Kuiper Airborn Observatory), приведено на рис. 2, нижний график.
6LACKBODY со 10ю
2 mm 1mm 500длі 200;яп 100/лп
Рис.1 Излучаемая энергия в зависимости от длинны волны для черного тела при температуре 30 К, а также для холодного межзвездного газа и для ряда ключевых молекулярных линий излучения [2]. 'V I 4 ' 4 " I I f I 1 jii>ij — і f і j r і f f-.^ i^'i і і і і і d .** лпгл ' * 1 **l 1 ' ' ' I '
500 1000 1500 000 Frequency (GHz)
Рис.2 Спектры пропускания атмосферы Земли, верхний график - данные из обсерватории на горе Мауна Кеа, Гавайи, высота 4200м; нижний график - данные из обсерватории Купера, самолетного базирования, высота ] 2000м [2].
Создание высокочувствительных радиоастрономических инструментов для терагерцового диапазона частот представляет собой актуальную задачу. На настоящий момент ведется целый ряд международных проектов в этом направлении. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах или с базированием на самолете, воздушном шаре или искусственном спутнике.
На частотах ниже 1.2 ТГц лучшими характеристиками обладают суп ер гетеродинные приемники со смесителями, выполненными на туннельном переходе сверхпроводпик-изолятор-сверхпроподпик (СИС) [5, 6, 7. 8]. Большое количество радиоастрономических инструментов оборудовано подобными приемниками, ведутся разработки по их практическому применению в других областях науки и техники [3]. Ограничение сверху па полосу рабочих частот СИС смесителей следует из механизма отклика и по порядку величины соответствует энергетической щели используемого сверхпроводника (около 700 ГГц для ниобия) [5, 6, 9]. При возрастании частоты наблюдается увеличение внутренних потерь, и шумовая температура становится выше, чем у сверхпроводниковых смесителей другого типа - смесителей на эффекте электронного разогрева (hot electron bolometer - НЕВ).
Исторически первая работа, посвященная сверхпроводниковым смесителям па горячих электронах, была опубликована в 1990 г. [10]. Она продолжала серию работ [11, 12, 13, 14, 15], исследовавших энергетическую релаксацию электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках, В практическом плане эти работы решали вопрос о предельном быстродействии тонкопленочного сверхпроводящего болометра, когда узкое горло в теплоотводе задается скоростью остывания самой электронной подсистемы за счет электрон-фононного взаимодействия. Такие болометры получили название болометров на горячих электронах с фононным каналом охлаждения (phonon-cooled НЕВ -РНЕВ). Другой канал охлаждения электронов и сверхпроводящих смесителях па горячих электронах был предложен в [16] и далее развит в целом ряде работ [17, 18, 19]. 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 (diffusion-cooled НЕВ - DHEB). Оба типа смесителей представляют собой металлическую пленку на диэлектрической подложке с двумя контактами. В случае РНЕВ пленка должна быть очень тонкой, чтобы неравновесные фононы быстро уходили в подложку, а для DHEB существенной является малая длина пленки между контактами, чтобы горячие электроны могли быстро диффундировать в них. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.
К началу диссертационного исследования электронно-разогревные смесители из топких сверхпроводниковых пленок были признаны научным сообществом наиболее приемлемым решением для создания супергетеродинных приемников для радиотелескопов терагерцового диапазона. Оптимизация таких смесителей для дальнейшей интеграции в практический инструмент являлась актуальной задачей представленного диссертационного исследования.
Болометры на горячих электронах в полупроводниках - hot electron bolometers разрабатывались в 60х годах прошлого века. Наибольшее распространение получили смесители и детекторы на основе n-InSb болометра [20,21]. Демонстрируя рекордно низкую по тем временам шумовую температуру па субмиллиметровых волнах (500 К на 500 ГГц), он, в то же время, обладает, по крайней мере, двумя существенными недостатками. Во-первых, высокая чувствительность реализуется при высокой подвижности и довольно низкой концентрации электронов, так что поглощение излучения электронным газом начинает падать с частотой ю уже в субмиллиметровом диапазоне (ют> 1, т -время релаксации импульса) и для работы на высоких частотах необходимо резонансное магнитное поле (циклотронный резонанс). Во-вторых, время релаксации энергии электронов велико (~ 10"6 с) и полоса такого смесителя оказывается слишком узкой (~ I МГц).
Оба этих недостатка преодолены в сверхпроводниковых НЕВ смесителях. Во-первых, в тонких разупорядоченных металлических плёнках время релаксации импульса очень мало и поглощение излучения не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот. Высокая чувствительность при 'лом достигается не за счёт зависимости подвижности от температуры, как в полупроводниках, а за счёт гораздо более сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние. Во-вторых, время энергетической релаксации электронов здесь также гораздо меньше. Так, в наиболее широко используемом материале - плёнках NbN толщиной 3-4 им, оно достигает -10" с, при температуре образца равной критической температуре сверхпроводящего перехода (Тс). Малая толщина сверхпроводниковой пленки NbN и неплохое акустическое согласование с большинством технологически важных подложек (кремний, кристаллический кварц, сапфир) позволяет получить короткое время ухода неравновесных фопоиов в подложку xCSL. = 40 по. Его можно ещё уменьшить, вводя согласующий буферный слой между NbN и подложкой. В результате сочетания короткого времени ухода неравновесных фононов в подложку и малого времени электрон-фононного взаимодействия удаётся получить широкую полосу промежуточных частої'. Опубликованные значения ширины полосы преобразования NbN НЕВ смесителей составляют около 4 ГГц.
Стоит отметить, что пленка NbN, на начало диссертационного исследования, выглядела наиболее привлекательно для создания РНЕВ приборов по сравнению с ранее исследовавшимися пленками Nb и YBaCuO [10, 14, 15, 22]. Однако, сверхпроводящие пленки NbTiN, демонстрирующие значения критической температуры сверхпроводящего перехода сравнимые со значениями для NbN при одинаковой толщине, могут оказаться приемлемой альтернативой для создания НЕВ смесителей [23, 24].
Другим очевидным преимуществом смесителей па горячих электронах является несслеістивпость используемого эффекта в широком спектральном интервазе [12,25,26]. Теоретически, чувствительность таких приемников терагерцового диапазона ограничена лишь квантовыми шумами, которые для идеального двухполосного смесителя имеют температуру hvj2kti и соответствуют 25 К/ТГц. Минимальные значения шумовой температуры терагсрцовых НЕВ смесителей, представленные в тематической периодике, соответствуют 0.5 К/ГГц [27].
Среди причин приводящих к деградации шумовой температуры может быть вклад сопротивления границы сверхпроводник-нормальный металл [28], и ухудшение характеристик сверхпроводящей пленки на технологическом этапе или при ее окислении в нормальных условиях [29]. Эти эффекты приводят к изменению импеданса смесителя, который должен быть согласован с приемной антенной на высокой частоте и с усилителем промежуточной частоты (ПЧ).
Согласование чувствительного элемента с падающим электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волноводной схем. В первом случае, чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [30]. Во втором, смеситель располагается в короткозамкнутой волноводной секции, переходящей в рупорную антенну [31],
Импеданс смесителя в полосе ПЧ и его частотная зависимость были исследованы в ряде работ [32, 33]. Было показано, что импеданс смесителя на относительно низкой ПЧ близок к дифференциальному сопротивлению образца в рабочей точке. Предполагается, что па частотах меньших частоты соответствующей энергии щели сверхпроводника, болометр имеет чисто активный импеданс близкий к сопротивлению по постоянному току в рабочей точке [34, 35]. На более высоких частотах образец ведет себя как нормальный металл, и его импеданс становиться равным сопротивлению в нормальном состоянии.
Кроме высокой чувствительности и широкой полосы преобразования, необходимо, чтобы смесители на горячих электронах имели малую теребуемую мощность гетеродина. Это требование продиктовано характеристиками компактных терагсрцовых источников, выходная мощность которых составляет всего несколько микроватт.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование смесителей па эффекте электронного разогрева из топких еверхмроводнпковых пленок, которые сочетали бы низкую шумовую температуру и широкую полосу ПЧ с малой требуемой мощностью гетеродина, а также оптимизация их согласования с падающим излучением для их дальнейшего использования в супергетеродинных терагерцовых приемниках радиоастрономических инструментов.
Объектом исследования были смесители на эффекте электронного разогрева из тонких сверх проводниковых пленок NbN и NbTiN (толщиной 3-4 им) на диэлектрических подложках кремния и кристаллического кварца.
Предметом исследования является: исследование возможности уменьшения величины требуемой мощности гетеродина для смесителя на горячих электронах с фононным каналом охлаждения; исследование волноводных смесителей на горячих электронах из тонкой сверхпроводниковой пленки NbTiN, как возможной альтернативы NbN PIIEB смесителям; - исследование согласования волноводных смесителей на горячих электронах с падающим излучением.
Характеризация приемников проводилась путем измерения двухполосной шумовой температуры методом холодной - теплой нагрузок и измерением отклика па Фурье-спектрометре. Для смесителей из сверхпроводящих пленок NbTiN также проводились оценки требуемой мощности гетеродина и измерение ширины полосы преобразования. В результате получены следующие новые научные результаты: -впервые исследован квазиоптический смеситель сверхмалого объема, на горячих электронах с фоноппым каналом охлаждения, изготовленный из сверхпровод пиковой пленки NbN с номинальными геометрическими размерами чувствительного элемента: 0.6x0.13x0.0035 мкм3; -проведены исследования зависимости поглощенной мощности гетеродина и динамического диапазона от объема чувствительного элемента для квазиоптнческих смесителей на эффекте электронного разогрева; -исследованы полноводные супер гетеродинные смесители на горячих электронах разного объема из сверхпроводниковых пленок NbTiN толщиной 4 им с подслоем A1N толщиной 20 нм на частоте гетеродина 0.8 ТГц и проведено комплексное тестирование приемников, включающее измерение шумовой температуры, ширины полосы преобразования, поглощенной и требуемой мощности гетеродина; -впервые реализован и исследован волноводный супергетеродинный смеситель из сверхпроводниковой пленки NbTiN толщиной 4 нм с подслоем A1N толщиной 20 им в диапазоне частот 1-1.3 ТГц; -исследованы волноводные NbN РНЕВ смесители с заданными значениями импеданса смесительного блока па частоте гетеродина 0.8 ТГц.
Положения, выносимые на защиту: -для смесителей на основе тонких пленок NbN экспериментально обнаружено, что при уменьшении объема болометра до 0.6x0.13x0.0035 мкм оптимальная поглощенная мощность гетеродина составляет всего 15 нВт; -результаты, полученные для смесителей разного объема, показывают, что для образцов с размером чувствительного элемента 2x0,3x0.0035 мкм и 0.6x0.13x0.0035 мкм3 динамический диапазон составляет не менее 20 дБ; -исследованы характеристики волповодных NbTiN РНЕВ смесителей разного объема из сверхпроводниковых пленок толщиной 4 нм с подслоем Л IN толщиной 20 нм; образцы демонстрировали полосу ПЧ 1.1 ГГц при оптимальном смещении, для них получены рекордные значения двухполосной шумовой температуры для смесителей из пленок NbTiN: 800 К на 0.8 ТГц, 1300 К на 1.1 ТГц и 1500 К на 1.26 ТГц на промежуточной частоте 3 ГГц, при ширине полосы преобразования 1.1 ГГц; значения оптимальной поглощенной мощности гетеродина для измеренных образцов были эквивалентны 30 мкВт/мкм3; -исследования вол 11 овод ных NbN РНЕВ смесителей, с заданным импедансом смесительного блока, на частоте гетеродина около 0.8 ТГц, показывают, что рассогласование нормального сопротивления образца с импедансом смесительного блока приводит к сужению входной полосы и деградации шумовой температуры; -образцы, выполненные с использованием разработанных топологий металлических электродов, демонстрировали рекордные значения шумовой температуры, для волноводных NbN РНЕВ смесителей, и составляли около Uhv/kB.
Практическая значимость этой работы состоит в создании и оптимизации смесителей на эффекте электронного разогрева для их использования в радиоастрономических приемниках терагерцового диапазона. Часть данного исследования выполнена в рамках создания лабораторного прототипа квазиоптического НЕВ смесителя для обсерватории им. Гсршеля космического базирования [36], Другая часть в рамках оптимизации и подготовки полноводных НЕВ смесителей для функционирующего терагерцового телескопа Смнтсоновской астрофизической обсерватории (САО), установленного на вершине Ccrro Sairecabur, Чили [37].
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 129 страниц, включая 33 рисунка и 3 таблицы. Библиография включает 109 наименований.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, научная новизна и практическая значимость работы, приводятся краткое содержание и основные результаты диссертации.
Смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения
Оба этих недостатка преодолены в сверхпроводниковых НЕВ смесителях. Во-первых, в тонких разупорядоченных металлических плёнках время релаксации импульса очень мало и поглощение излучения не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот. Высокая чувствительность при лом достигается не за счёт зависимости подвижности от температуры, как в полупроводниках, а за счёт гораздо более сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние. Во-вторых, время энергетической релаксации электронов здесь также гораздо меньше. Так, в наиболее широко используемом материале - плёнках NbN толщиной 3-4 им, оно достигает -10" с, при температуре образца равной критической температуре сверхпроводящего перехода (Тс). Малая толщина сверхпроводниковой пленки NbN и неплохое акустическое согласование с большинством технологически важных подложек (кремний, кристаллический кварц, сапфир) позволяет получить короткое время ухода неравновесных фопоиов в подложку xCSL. = 40 по. Его можно ещё уменьшить, вводя согласующий буферный слой между NbN и подложкой. В результате сочетания короткого времени ухода неравновесных фононов в подложку и малого времени электрон-фононного взаимодействия удаётся получить широкую полосу промежуточных частої . Опубликованные значения ширины полосы преобразования NbN НЕВ смесителей составляют около 4 ГГц.
Стоит отметить, что пленка NbN, на начало диссертационного исследования, выглядела наиболее привлекательно для создания РНЕВ приборов по сравнению с ранее исследовавшимися пленками Nb и YBaCuO [10, 14, 15, 22]. Однако, сверхпроводящие пленки NbTiN, демонстрирующие значения критической температуры сверхпроводящего перехода сравнимые со значениями для NbN при одинаковой толщине, могут оказаться приемлемой альтернативой для создания НЕВ смесителей [23, 24].
Другим очевидным преимуществом смесителей па горячих электронах является несслеістивпость используемого эффекта в широком спектральном интервазе [12,25,26]. Теоретически, чувствительность таких приемников терагерцового диапазона ограничена лишь квантовыми шумами, которые для идеального двухполосного смесителя имеют температуру hvj2kti и соответствуют 25 К/ТГц. Минимальные значения шумовой температуры терагсрцовых НЕВ смесителей, представленные в тематической периодике, соответствуют 0.5 К/ГГц [27].
Среди причин приводящих к деградации шумовой температуры может быть вклад сопротивления границы сверхпроводник-нормальный металл [28], и ухудшение характеристик сверхпроводящей пленки на технологическом этапе или при ее окислении в нормальных условиях [29]. Эти эффекты приводят к изменению импеданса смесителя, который должен быть согласован с приемной антенной на высокой частоте и с усилителем промежуточной частоты (ПЧ).
Согласование чувствительного элемента с падающим электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волноводной схем. В первом случае, чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [30]. Во втором, смеситель располагается в короткозамкнутой волноводной секции, переходящей в рупорную антенну [31],
Импеданс смесителя в полосе ПЧ и его частотная зависимость были исследованы в ряде работ [32, 33]. Было показано, что импеданс смесителя на относительно низкой ПЧ близок к дифференциальному сопротивлению образца в рабочей точке. Предполагается, что па частотах меньших частоты соответствующей энергии щели сверхпроводника, болометр имеет чисто активный импеданс близкий к сопротивлению по постоянному току в рабочей точке [34, 35]. На более высоких частотах образец ведет себя как нормальный металл, и его импеданс становиться равным сопротивлению в нормальном состоянии.
Кроме высокой чувствительности и широкой полосы преобразования, необходимо, чтобы смесители на горячих электронах имели малую теребуемую мощность гетеродина. Это требование продиктовано характеристиками компактных терагсрцовых источников, выходная мощность которых составляет всего несколько микроватт. Целью настоящей диссертационной работы является исследование смесителей па эффекте электронного разогрева из топких еверхмроводнпковых пленок, которые сочетали бы низкую шумовую температуру и широкую полосу ПЧ с малой требуемой мощностью гетеродина, а также оптимизация их согласования с падающим излучением для их дальнейшего использования в супергетеродинных терагерцовых приемниках радиоастрономических инструментов.
Объектом исследования были смесители на эффекте электронного разогрева из тонких сверх проводниковых пленок NbN и NbTiN (толщиной 3-4 им) на диэлектрических подложках кремния и кристаллического кварца. Предметом исследования является: - исследование возможности уменьшения величины требуемой мощности гетеродина для смесителя на горячих электронах с фононным каналом охлаждения; - исследование волноводных смесителей на горячих электронах из тонкой сверхпроводниковой пленки NbTiN, как возможной альтернативы NbN PIIEB смесителям; - исследование согласования волноводных смесителей на горячих электронах с падающим излучением. Характеризация приемников проводилась путем измерения двухполосной шумовой температуры методом холодной - теплой нагрузок и измерением отклика па Фурье-спектрометре. Для смесителей из сверхпроводящих пленок NbTiN также проводились оценки требуемой мощности гетеродина и измерение ширины полосы преобразования. В результате получены следующие новые научные результаты: -впервые исследован квазиоптический смеситель сверхмалого объема, на горячих электронах с фоноппым каналом охлаждения, изготовленный из сверхпровод пиковой пленки NbN с номинальными геометрическими размерами чувствительного элемента: 0.6x0.13x0.0035 мкм3.
Методика исследований полосы ПЧ полноводных смесителей па горячих электронах
В той же работе используя приближение ломанной прямой линии для температурной зависимости сопротивления и оптимальной вольт-амперной характеристики, 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 эффективностью 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. Оптимальная вольт-ампер пая характеристика также состоит из трех участков: вертикального -сверхпроводникового, горизонтального - резистивного и нормального -соответствующего нормальному сопротивлению [35].
Под шумовой полосой смесителя понимают диапазон частот, в котором шумовая температура смесителя увеличивается и дна раза. Ширина полосы преобразования определяется диапазоном частот, в котором эффективность преобразования падает на три децибела. В работе [65] было показано, что для смесителя на горячих электронах с фопонным каналом охлаждения шумовая полоса шире, чем полоса преобразования: это различие обычно составляет около 1.6 раз.
Первые смесители на горячих электронах на основе тонких сверхпроводниковых пленок были выполнены из ниобия [10,35] и демонстрировали ширину полосы преобразования па уровне 100 МГц. Использование NbN для изготовления смесителей позволило получить полосу преобразования порядка 3 ГГц для пленок толщиной 3-4 нм [65,66]. В упомянутых работах сверхпроводпиковая пленка напылялась на диэлектрическую подложку из высокоомного кремния. Использование подслоя оксида магния на кремнии [67] и кварце [33, 68] позволяет улучшить акустическое согласование пленки с подложкой и тем самым добиться больших значений полосы преобразования. Так, по данным работ [33, 68], смеситель на кварцевой подложке в точке с минимальной шумовой температурой (СД = 0.5 мВ) имеет полосу 3.7 ГГц, а при повышении смещения она увеличивается до 5.3 ГГц ( = 1 мВ), а затем до 6.6 ГГц {Ub - 1.5 мВ). Результаты измерений полосы преобразования, смесителей на подложке из оксида магния, в сравнении с результатами для полосы смесителей на кремнии с подслоем MgO приведены в работе [67], и в точке оптимальной шумовой температуры она составила в первом случае 4.5 ГГц, а во втором — 5.2 ГГц.
Как было указано в предыдущем параграфе, малая выходная мощность существующих твердотельных источников гетеродина приводит к необходимости снижения требуемой мощности гетеродина терагерцовых приемников (рис.1.2). Пути снижения мощности гетеродина для смесителей на эффекте электронного разогрева из тонких пленок нитрида ниобия исследуются в главе 3 данной диссертации. Оценка поглощенной мощности гетеродина для смесителей на горячих электронах может быть сделана из вольт-амперной характеристики. В основе этого метода лежит два предположения, первое - сопротивление образца зависит только от электронной температуры, второе - изменение электронной температуры пропорционально поглощенной мощности и не зависит от частоты [69]. Из этого следует, что линия постоянного сопротивления, проведенная на вольт-амперной характеристике, является изотермой, для любых двух точек на этой прямой мы можем записать для поглощенных мощностей постоянного тока и высокочастотного сигнала:
При использовании вольт-амперной характеристики без мощности гетеродина, для одной из точек, эта формула упрощается из-за того, что PRF=0.
Приемник терагерцового диапазона частот для радиоастрономических инструментов должен удовлетворять целому комплексу требований, таких как высокая чувствительность, широкая полоса преобразования и низкая мощность гетеродина. Признанным лидером, среди РНЕВ смесителей, на сегодняшний день является смеситель на основе сверхироводниковой пленки нитрида ниобия. Однако, постоянно идет поиск альтернативных материалов для такого типа смесителей. Как было указано выше, первые образцы изготавливались из пленок ниобия, в ряде работ велись исследования пленок и болометров из пленок высокотемпературного сверхпроводника YBCO [70,71,72]. В начале данного диссертационного исследования у научной общественности появился интерес к использованию сверхпроводниковых пленок NbTiN для создания НЕВ смесителей. За время проведения данного диссертационного исследования в печать вышел ряд работ по этой тематике [73, 74, 75, 76]. Этот интерес был простимулирован использованием таких пленок при изготовлении СИС смесителей [77, 8]. Сверхпроводниковые пленки NbN и NbTiN демонстрируют близкие значения критической температуры сверхпроводящего перехода и плотности критического тока при одинаковой толщине пленок и материале подложки. Исследованию вол но водных смесителей на горячих электронах из тонких пленок NbTiN посвящена четвертая глава данного диссертационного исследования.
Принцип работы НЕВ-смесителей и свойства тонких разупорядоченных металлических плёнок, определяют возможность их разработки вплоть до оптики, где падает поглощение электромагнитного излучения в металле даже с очень малой длиной свободного пробега электронов, как тго имеет место в тонких плёнках NbN. На практике входная полоса терагерцового ЫЕВ-приёмника ограничивается используемой антенной и оптикой входной части прибора.
Согласование смесительного элемента с принимаемым электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волновод но и схем. В первом случае, чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гип ер полусфер и ческой линзы (рис. 1.5), выполненной, как правило, из высокоомного кремния [30]. Во втором, чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и фильтрами располагается в короткозамкнутой волноводной секции, с гофрированной рупорной антенной [4].
Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителей разного объема
Два используемых источника излучения представляют собой генератор на диоде Ганна с умножителями частоты. Излучения обоих источников согласованы параболическими фокусирующими зеркалами с приемником и пространственно совмещены решеточным делителем луча. Источники настроены на частоты около 800 ГГц с разницей в 1.4 ГГц, эта промежуточная частота в дальнейшем "вырезается" полосовым фильтром в тракте ПЧ. Для обеспечения частотной стабильности этих источников каждый из них стабилизирован системой фазовой авто подстройки частоты (ФАПЧ), обе системы синхронизованы излучением генератора опорного сигнала 100 МГц. Это позволяет получать, на выходе тракта ПЧ, сигнал на частоте 1.4 ГГц с частотной стабильностью порядка 10 кГц.
Расположение смесительного блока и часть тракта ПЧ, расположенная в криостате, аналогичны описанию приведенному в 2.2, Коаксиальный выход смесительного блока соединялся с циркулятором и далее с низкошумящим криогенным усилителем, с коэффициентом усиления порядка 30 дБ. Для смешения образца по постоянному току третий порт циркулятора был нагружен адаптером питания, высокочастотный выход которого заземлялся через согласованную нагрузку 50 Ом. Снаружи криостата осуществлялось дополнительное усиление сигнала, с коэффициентом усиления около 20 дБ, и его фильтрация 1.4 ГГц полосовым фильтром (ПФ) с эффективной полосой 200 МГц. Для мониторинга мощности и частоты, сигнал ПЧ разделяется между измерителем мощности и анализатором спектра.
Для расчета требуемой мощности гетеродина по формуле (2.6.1) необходимо провести калибровку используемого аттенюатора с хорошей точностью. Для аттенюатора в этой работе была подобрана пластиковая пластина толщиной около 2 мм, которая обеспечивала требуемый уровень аттенюации сигнала. Для проведения калибровки измерялась зависимость мощности сигнального источника от мощности сигнала ПЧ в широких пределах с этим аттенюатором и без него. Так как измеряемый уровень аттенюации ожидается порядка нескольких десятков дБ используемый измеритель мощности в полосе 1.3 - 1.5 ГГц не сможет зарегистрировать очень узкий сигнал ПЧ. Этот сигнал - продукт смешения двух монохроматических источников с высокой частотной стабильностью ( 10 КГц). Интегральный вклад мощности этого сигнала в 200 МГц полосе фильтра на фоне 295 К будет очень мал. Для измерения мощности этого выходного сигнала использовался калиброванный анализатор спектра. Постоянное напряжение, возникающее на нагрузке смещения выходного умножителя частоты сигнального источника, использовалось для мониторинга мощности. Предположительно, это напряжение является монотонной зависимостью выходной мощности умножителя. Па рис. 2.4 представлены результаты этих измерений для образца Ь54п4 обсуждаемого в четвертой главе. Закрытые символы соответствуют измерениям без аттенюатора, открытые - с ним. Искомая величина аттенюации - разность этих двух измерений. Полученное среднее значение составило 50.4 дБ при среднеквадратичном отклонении 0.28.
Стоит отметить, что используемая методика измерений требуемой мощности гетеродина, при учете погрешностей измерения выходной мощности, измерения величины аттенюации, а также измерения угла наклона решеточного делителя луча, дает суммарную погрешность в районе 15-20 % для представленной установки.
Использование современных компьютерных технологий позволяет проектировать СВЧ системы высокой сложности, но при проведении таких расчетов всегда используются методические или геометрические упрощения, в частности из-за ограниченности ресурсов вычислительной техники. Масштабное электродинамическое моделирование может выступать как инструмент апробации расчетной топологии. Использование этой техники возможно благодаря масштабной инвариантности уравнений Максвелла. Пропорциональное увеличение геометрических размеров исследуемого устройства позполяет проводить измерения на пропорционально низких частотах. Электродинамическая модель представляет собой масштабную копию исследуемого объекта, в которой сохранены электродинамические свойства ключевых элементов (электрическая проводимость, магнитная и диэлектрическая проницаемости). Эта техника находит широкое применение при моделировании приемников с СИС смесителями [103].
При проектировании смесительного блока его импеданс делают равным импедансу смесителя для оптимального согласования и избежания потерь мощности сигнала. Принимая во внимание теоретические оценки значения импеданса смесителя на горячих электронах (см. гл.1), на частоте гетеродина, задачей моделирования было создание нескольких конфигураций смесительного блока, обеспечивающих разные значения импеданса. Проектирование импеданса смесительного блока проводилось относительно порта расположенного в зазоре между контактными площадками, в месте расположения чувствительного элемента, рис. 1.6., Расчет проводился с использованием комплексных коэффициентов отражения от трех стандартных нагрузок помещенных вместо чувствительного элемента. Эти коэффициенты отражения рассчитывались для компьютерной модели и измерялись для масштабного макета на выходе волноводпой камеры (рис. 1.6). Это стандартная методика, исполі.зуемая в измерительных панорамах коэффициентов передачи для самокалибровки, описана в работе [104] применительно к моделированию СИС приемника на 660 ГГц, В пятой главе диссертации она использована для проектирования и тестирования волноводного смесительного блока для частоты гетеродина 800 ГГц.
На рис. 2.5 представлено фото установки для измерений с использованием масштабного макета смесительного блока волноводного приемника терагерцового диапазона. Благодаря масштабированию геометрических размеров для смесительного блока, разработанного на частоту 0.8 ТГц, в 160 раз, рабочая частота установки смещается к 5 ГГц. В этой модели смесителя выполняемого на подложке из кристаллического кварца использовался диэлектрик с близкой диэлектрической постоянной (,. = 4.5), макеты смесителей также показаны нарис. 2.5. Представленная установка состоит из измерительной панорамы комплексных коэффициентов передачи HP Network Analyzer 8510, перехода с коаксиальной линии (50 Ом) на прямоугольный волновод (41 х И мм2) и макета с моделью смесителя внутри.
Исследование шумовой температуры волноводных NbTiN РНЕВ смесителей в диапазоне 0.7 - 1.3 ТГц
Стоит отметить, что снижение объема смесительного элемента, наряду с уменьшением требуемой мощности гетеродина, может приводить к увеличению вклада прямого детектирования [105]. Это эффект связан с разогревным механизмом отклика болометра на горячих электронах. Вклад мощности фонового излучения, поглощаемого болометром в относительно широкой полосе приемной антенны, может оказаться сравнимым с мощностью гетеродина. Для смесительного режима работы прибора детекторный вклад является паразитным явлением. В представленном исследовании чувствительный элемент был интегрирован в спиральную антенну, как это упоминалось в первой главе, полоса рабочих частот такой антенны составляет не менее 2 ТГц. Для ослабления эффекта прямого детектирования, измерения динамического диапазона смесителя были выполнены с использованием охлаждаемого аттенюатора величиной 17 дБ, расположенного на холодной плате криостата (2.3). В качестве источника сигнала, на частоте около 0.6 ТГц, использовалась лампа обратной волны.
Точки смещения, выбранные для измерений динамического диапазона, находятся в окрестности области на вольт-амперной характеристике с минимальной шумовой температурой приемника. Эти точки отмечены на вольт-амперных характеристиках, ток и напряжение смещения приведены в табл. 3.1. На рис. 3.5 и 3.6 приведены результаты измерений динамического диапазона, разные символы соответствуют разным рабочим точкам, тонкие прямые линии соответствуют линейному режиму работы смесителей.
Для смесителя Ы0-2#2, отклонение от линейности на 3 децибела достигается при величине мощности сигнального излучения порядка 10 дБ ниже оптимальной поглощенной мощности гетеродина. Следовательно, при оптимальной поглощенной мощности гетеродина 15 нВт, мощность сигнала составляет около 1 нВт. Для смесителя Ml0-4, мощность сигнала иа 15 дБ ниже мощности гетеродина на уровне отклонения от линейности на 3 дБ, что соответствует мощности около 2 нВт. Оценим эффективную радиояркостную температуру источника сигнала, мощность которого приводит к снижению эффективности преобразования смесителя на 3 дБ. Используя формулу Найквиста, можно рассчитать: где Р - уровень мощности сигнала па входе приемника, к постоянная Больцмана, В - ширина полосы преобразования, которая составляет около 4 ГГц для смесителей используемого типа. Эффективная температура составляет порядка 10 К, что согласуется с оценками, проведенными в работах [106, 107] для волноводных смесителей из сперхпроводниковой пленки NbN толщиной 3.5 нм и размерами в плане 2x0.3 мкм".
Таким образом, уменьшение объема чувствительного элемента смесителя на горячих электронах от 2x0,3x0,0035 мкм3 до 0,6x0,13x0,0035 мкм3 не привело к- заметному уменьшению динамического диапазона смесителя и позволило сократить оптимальную требуемую мощность гетеродина с 70 нВт до 15 нВт, Смесители М10#4 и L10-2#2 демонстрируют динамический диапазон, при оптимальном смещении по мощности гетеродина и постоянному току, около 20 дБ. Отклонение от линейного режима работы наблюдается при эффективной температуре нагрузки на два порядка большей, чем температура фонового излучения (295К).
В заключении параграфа, стоит отметить особенности проведенных исследований динамического диапазона. При увеличении мощности сигнального излучения она становится сравнима с мощностью гетеродина, что приводит к дополнительному нагреву чувствительного элемента. Нагрев приводит к изменению сопротивления смесителя по постоянному току. При смещении в режиме стабилизации напряжения, увеличение сопротивления приводит к уменьшению транспортного тока через образец. Для проведения исследований в выбран о и рабочей точке на вольт-амперной характеристике мы уменьшали мощность гетеродина. Таким образом, мощность падающего излучения
} поддерживались на постоянном уровне. С другой стороны, на промежуточной
частоте образец соединен с вентилем, который имеет волновое сопротивление 50 Ом. Сигнал на выходе смесителя может быть представлен на вольт-амперной характеристике как колебания рабочей точки, с частотой равной ПЧ, вдоль нагрузочной прямой. Эти нагрузочные прямые представлены на рис. 3.4 пунктирными линиями. Возрастание амплитуды сигнала ПЧ приводит к тому, что изменение положения рабочей точки на вольт-амперной характеристике приводит к существенному изменению коэффициента преобразования смесителя. Как показано на рис. 1.7, для малых напряжений смещения коэффициент преобразования имеет более резкую зависимость, а значит и отклонение от линейности наступает при меньших сигналах ПЧ. Таким образом, динамический диапазон определяется особенностями зависимости эффективности преобразования от смещения по постоянному току и гетеродину.
