Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 20
1.1 Супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн на основе ДБШ и СИС 20
1.2 Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках. 24
1.3 Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения 29
1.4 Квазиоптические схемы согласования с высокочастотным излучением. 36
1.5 Выбор объекта исследования и постановка задачи 41
Глава II. Методики эксперимента и описание исследуемых образцов 44
2.1 Технология осаждения сверхпроводниковых плёнок и изготовление исследуемых смесителей 44
2.2 Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей на частоте 0,9 ТГц 57
2.3 Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей в магнитном поле и коэффициента диффузии электронов в плёнках сверхпроводников 61
2.4 Экспериментальная установка и методика измерений шумовой температуры приёмника с НЕВ смесителем на частотах гетеродина 30 ТГц и 2,5 ТГц 66
Глава III. Полоса преобразования квазиоптических смесителей на основе плёнок NBN и NBTIN на различных подложках 71
3.1 Полоса преобразования NbN и NbTiN смесителей на эффекте электронного разогрева на частотах вблизи 900 ГГц 71
3.2 Полоса преобразования NbTiN смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц 87
3.3 Коэффициент диффузии электронов в ультратонких плёнках NbTiN 92
3.4 Возможности увеличения полосы преобразования смесителей 98
Глава IV. Шумовые характеристики смесителей на электронном разогреве в ультратонких плёнках NbN и NbTiN 101
4.1 Шумовая температура приёмника с NbTiN смесителем на частоте гетеродина 2,5 ТГц 101
4.2 Шумовая температура лабораторного прототипа гетеродинного приёмника на частоте гетеродина 30 ТГц, изготовленного на основе NbN смесителей на GaAs подложке 108
4.3 Перспективы разработки смесителей на эффекте электронного разогрева с прямым согласованием чувствительного элемента
с излучением 113
Заключение 117
Спсок публикаций автора 119
Литература
- Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения
- Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей на частоте 0,9 ТГц
- Полоса преобразования NbTiN смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц
- Шумовая температура лабораторного прототипа гетеродинного приёмника на частоте гетеродина 30 ТГц, изготовленного на основе NbN смесителей на GaAs подложке
Введение к работе
Потребность в чувствительных приёмниках терагерцового диапазона особенно велика в радиоастрономии. Процессы, протекающие в газопылевых облаках при формировании звёзд и планет можно исследовать при наблюдении линий излучения различных ионов, атомов и молекул. По современным представлениям, при образовании новой звезды газопылевое облако коллапсирует под действием гравитационного притяжения, что приводит к нагреву внутренних областей. Тепловая энергия должна излучаться наружу газопылевого облака, чтобы процесс формирования звезды продолжался, причём большая часть этого излучения приходится на вращательные переходы СО, Н20 и других молекул в терагерцовом диапазоне. Кроме того, именно в терагерцовом диапазоне газопылевые туманности, окружающие арену формирования звезд и планет, прозрачны. Поэтому наблюдения в терагерцовом диапазоне могут дать астрономии уникальные данные о звездообразовании. Однако наблюдения с поверхности земли в терагерцовом диапазоне затруднены большим поглощением парами воды в атмосфере. Поэтому терагерцовые наземные обсерватории приходится располагать в высокогорных областях, где воздух достаточно сухой, причём в отличие от субтерагерцового диапазона наблюдения ведутся лишь в единичных окнах прозрачности на частотах от одного терагерца до полутора. Наиболее перспективными являются наблюдения с борта самолёта, на воздушном шаре или со спутниковых обсерваторий, что накладывает дополнительные ограничения на массу и габариты приёмника.
До последнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве приемного элемента использовались диоды с барьером Шоттки (ДБШ), работающие в широком диапазоне температур [1,2]. Однако их чувствительность даже при охлаждении до температуры 4 К часто оказывается недостаточной. Большая мощность гетеродина (порядка 1 мВт) подразумевает использование громоздких генераторов, что неприемлемо для спутниковых обсерваторий.
Смесители, использующие туннельный переход "сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник" (СИС) [3], являются безусловными лидерами на частотах до 1 ТГц, однако диапазон их рабочих частот принципиально ограничен энергией щели сверхпроводника. В настоящее время максимальная частота, на которой СИС смесители ещё работают, составляет 1,25 ТГц [4].
Практически все значительные проекты субмиллиметровой супергетеродинной радиоастрономии и зондирования верхних слоев атмосферы в терагерцовом диапазоне в настоящее время основаны на применении сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах - hot electron bolometers (НЕВ). Первая работа, посвященная сверхпроводниковым смесителям на эффекте электронного разогрева, была опубликована в 1990 году [5]. С тех пор технология изготовления смесителей на горячих электронах быстро развивалась. В настоящее время такие смесители обладают наилучшими характеристиками и не имеют конкурентных аналогов в терагерцовом диапазоне на частотах выше 1,2 ТГц. Сверхпроводящий смеситель на эффекте электронного разогрева требует низкого уровня мощности гетеродина и обладает высокой чувствительностью. Шумовая температура приёмника, измеренная в двухполосном режиме, достигает для НЕВ-смесителей 950 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц [6], 3100 К на 3,8 ТГц
Столь высокая чувствительность НЕВ смесителей на частотах выше 1 ТГц обеспечила их практическое применение в ряде проектов Европейского космического агентства. Проекты SOFIA и TELIS предполагают воздушное базирование телескопов [8,9]. В первом, носителем будет являться самолёт, во втором - воздушный шар. По техническому заданию приёмник с НЕВ-смесителем, используемый в проекте TELIS, будет работать в диапазоне 1,76-1,86 ТГц, в котором интенсивность спектральных линий таких соединений, как ОН, НО2, НОСІ, NO и N02, особенно высока. НЕВ-смесители установлены в супергетеродинных приёмниках спектрометра GREAT, используемого в проекте SOFIA и позволяющего проводить измерения в трёх частотных диапазонах: 1.4-1.9, 2.6 и 4.8 ТГц. Для диапазона 4,8 ТГц смесительные элементы разрабатываются в Институте планетарных исследований Немецкого аэрокосмического агентства (DLR) совместно с МПГУ. Терагерцовыи канал диапазона 1,5-1,9 ТГц для телескопа космического базирования HERSCHEL [10] разрабатывается в Чалмерском технологическом университете, Швеция. В результате совместных разработок МПГУ и Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, США, был создан пока единственный в мире наземный телескоп (Receiver Lab Telescope, плато Атакама, Чили) для радиоастрономических наблюдений в терагерцовом диапазоне (1.03, 1.26 и 1.46 ТГц), с помощью которого уже на протяжении нескольких лет проводятся реальные исследования [11]. На современном этапе развития технологии НЕВ смесителей усилия по их разработке направлены, в основном, на устранение потерь по согласованию со встроенной антенной, на исследование характеристик смесителей на новых, более высоких, частотах гетеродина и на увеличение полосы преобразования.
Физические явления, лежащие в основе смесителей на эффекте электронного разогрева в сверхпроводниках, позволяют реализовать смесители с большей полосой промежуточных частот и работающие на более высоких частотах гетеродина, чем разработанные к настоящему времени. Это связано с двумя особенностями электронного разогрева в сверхпроводниках. Во-первых, в тонких разупорядоченных металлических плёнках, лежащих в основе смесителей на эффекте электронного разогрева, время релаксации импульса очень мало и поглощение излучения не зависит от частоты вплоть до видимого диапазона. Высокая чувствительность при этом 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 очень мало в сравнении с полупроводниковыми материалами. Так, в практически важном материале -тонких плёнках NbN оно достигает 10"11 с при температуре перехода в сверхпроводящее состояние, что принципиально позволяет реализовать NbN смеситель на эффекте электронного разогрева с полосой преобразования более 10 ГГц [12].
Полоса преобразования особенно важна для гетеродинных радиоастрономических наблюдений в терагерцовом диапазоне. В радиоастрономии многие важные исследования связаны с наблюдением отдельных спектральных линий излучения от быстродвижущихся объектов, которые расширяются вследствие Доплеровского смещения. В случае слабых сигналов на фоне больших шумов большое значение имеет радиометрический выигрыш, связанный с накоплением сигнала.
Флуктуационная чувствительность при радиометрических измерениях может быть записана в виде: AT- ы где AT — минимальная разница температур, измеряемая за время накопления сигнала т при шумовой температуре приёмника TN и полосе промежуточных частот АВ. Поэтому с увеличением полосы преобразования при той же шумовой температуре приёмника можно получать высокую флуктуационную чувствительность при меньшем времени накопления сигнала, что также важно при экологическом мониторинге верхних слоев атмосферы с борта самолёта.
К моменту начала работы над диссертацией наиболее исследованным и перспективным сверхпроводящим материалом, используемым для изготовления смесителей на эффекте электронного разогрева, являлся NbN. Его главным достоинством является малое время электрон-фононного взаимодействия, в отличие от других пригодных к изготовлению ультратонких сверхпроводящих плёнок материалов, таких как Nb [13], NbC [14]. Время электрон-фононного взаимодействия уменьшается с ростом температуры электронной подсистемы и для NbN составляет менее 30 пс при температурах более 6 К [12]. Однако рекордная полоса преобразования, достигнутая для NbN смесителей к моменту начала работы над диссертацией, составляла 4,5 ГГц для плёнок толщиной 3,5-4 нм, осаждённых на подложку из кристаллического MgO [15]. Такая полоса преобразования ограничивается временем ухода неравновесных фононов в подложку. Это время можно уменьшить, если уменьшать толщину плёнки NbN, однако температура сверхпроводящего перехода более тонких плёнок резко уменьшается, что приводит к увеличению времени электрон-фононного взаимодействия. При этом, несмотря на уменьшение времени ухода неравновесных фононов в подложку, уменьшение толщины плёнки не вызывает увеличения полосы преобразования, а в ряде случаев приводит к её уменьшению. В рамках диссертационного исследования была применена новая технология осаждения NbN плёнки на подслой MgO на кремниевой подложке, что позволило получить плёнки толщиной 2 нм с критической температурой около 9 К. На основе таких плёнок был реализован NbN смеситель на эффекте электронного разогрева с полосой преобразования 5,2 ГГц.
Однако, несмотря на значительное увеличение полосы преобразования в результате применения более тонких плёнок NbN, многие практические задачи требуют большей полосы преобразования. Одним из перспективных направлений увеличения полосы преобразования является поиск новых для технологии НЕВ смесителей сверхпроводящих материалов, плёнки которых могут иметь лучшее акустическое согласование с технологически важными материалами для подложек, таких как кремний, сапфир, оксид магния, кварц. Поиск таких материалов является весьма длительным и трудоёмким процессом, поскольку разработка процесса осаждения ультратонких сверхпроводящих плёнок требует значительных затрат времени и денег.
Одним из перспективных материалов для разработки смесителей на эффекте электронного разогрева представлялся NbTiN, который позволяет получать ультратонкие сверхпроводящие плёнки с достаточно высокой критической температурой. Первые NbTiN смесители в волноводном исполнении продемонстрировали шумовую температуру 850 К на частоте гетеродина 810 ГГц [16]. В рамках диссертационной работы были разработаны квазиоптические NbTiN смесители, интегрированные в спиральную антенну. Шумовая температура супергетеродинного приёмника на частоту 2,5 ТГц с таким смесителем составила 4000 К. Экспериментально измеренная полоса преобразования NbTiN смесителя составила 800 МГц в оптимальной по шумовой температуре рабочей точке. Это значительно меньше полосы преобразования, достигнутой к тому времени для смесителей на основе NbN. Однако, для определения перспективности дальнейшего развития NbTiN смесителей необходимо определить, какой процесс в основном ограничивает их полосу преобразования, для чего были исследованы ЫЕВ смесители на основе NbTiN плёнок различной толщины, осаждённых на различные технологически важные подложки. В результате выяснилось, что полоса преобразования таких смесителей ограничена временем ухода неравновесных фононов в подложку, вплоть до самых малых толщин плёнки для большинства технологически важных подложек. Также, в процессе исследований была обнаружена зависимость полосы преобразования NbTiN смесителей от геометрических размеров мостика в плане. Для объяснения этого эффекта был определён коэффициент диффузии NbTiN плёнок, который составил 0,7-1,1 см /с. Это значительно меньше, чем коэффициент диффузии в качественных плёнках Nb, где он достигает значения 10 см2/с. Этот факт, наряду со многими нерешёнными проблемами в разработке НЕВ смесителей с диффузионным каналом охлаждения показывет, что дальнейшая разработка NbTiN смесителей с диффузионным каналом охлаждения не перспективна. Таким образом, в результате исследований, проведённых в рамках диссертационного исследования, было проведено сравнение NbN и NbTiN как материалов для реализации смесителей на эффекте электронного разогрева. Чувствительность NbTiN смесителей на частоте 2,5 ТГц не превосходит чувствительности NbN смесителей, причём полоса преобразования NbN смесителей на большинстве технологически важных подложек значительно шире полосы преобразования NbTiN смесителей.
Помимо расширения полосы преобразования, одной из важнейших задач в разработке смесителей на эффекте электронного разогрева является продвижение в область больших частот гетеродина. Разработка чувствительных смесителей, интегрированных в планарную антенну, на частоты более 6 ТГц сильно затруднена. Среди наиболее значительных факторов, препятствующих реализации таких смесителей можно упомянуть рост потерь преобразования в контактных структурах между антенной и активным участком сверхпроводниковой плёнки с ростом частоты, что в значительной степени снижает чувствительность НЕВ смесителей на больших частотах гетеродина. Также с ростом частоты падает эффективность используемых в настоящее время планарных антенн. Так, верхняя частота эффективного приёма наиболее широкополосной спиральной антенны ограничена частотой 2-3 ТГц [17]. Разработка более высокочастотных антенн связана с уменьшением характерных геометрических размеров, что тоже достаточно затруднительно.
В качестве альтернативного пути разработки высокочастотных НЕВ смесителей в рамках диссертационного исследования был предложен смеситель с прямым поглощением излучения сверхпроводниковой плёнкой. В этом случае активный участок сверхпроводниковой плёнки располагается в фокальной плоскости вытянутой полусферической линзы, что позволяет сфокусировать на нём излучение гетеродина и значительно улучшает диаграмму направленности приёмника на основе такого смесителя. При прямом поглощении излучения плёнкой сверхпроводника высокочастотному току не нужно проходить через контакты между антенной и мостиком, где из-за остаточного сопротивления значительная часть мощности переходит в тепло, не образуя отклика на промежуточной частоте. Разработка смесителя на электронном разогреве с прямым поглощением излучения плёнкой в настоящее время представляется вполне реальным, в связи с разработкой квантовых каскадных лазеров, которые сочетают в себе положительные свойства твердотельного источника, достаточно компактны для практических применений и позволяют получать большую мощность излучения на терагерцовых частотах. Дополнительным свойством таких источников является возможность перестройки частоты в широких пределах [18]. Однако такие источники сейчас ещё не выпускаются в промышленных масштабах, в связи с чем разработка прототипа приёмника на их основе во время выполнения настоящей работы была невозможна.
Для определения перспективности прямого согласования НЕВ смесителя с излучением в рамках работы был создан и исследован супергетеродинный приёмник на основе НЕВ смесителя, оптимизированного на частоту 30 ТГц. Такая частота достаточно удобна для создания первого прототипа приёмника на основе безантенного смесителя потому, что на такой частоте существуют легко доступные и мощные С02 лазеры. Исследования смесителя на частоте 30 ТГц позволяют не только определить перспективность дальнейшей разработки смесителей с прямым поглощением излучения плёнкой на частоты более 6 ТГц, но и определить основные трудности, которые могут препятствовать их успешному применению в практических системах. Лабораторный приёмник с С02 лазером в качестве источника гетеродина продемонстрировал шумовую температуру 3100 К (2300 К после вычитания нулевых квантовых флуктуации по флуктуационно-диссипативной теореме Каллена-Вельтона [19]), что менее чем в 5 раз превышает квантовый предел на частоте 30 ТГц, который составляет 772 К. Уменьшение оптических потерь на отражение от поверхностей окна криостата и линзы может позволить ещё уменьшить эту цифру.
Чувствительные смесители на частотах 6 ТГц и выше могут найти широкое применение в разрабатываемых в настоящее время радиоастрономических проектах.
Такие системы необходимы для успешной реализации проекта МИЛЛИМЕТРОН, который включен в федеральную космическую программу России до 2015 года, и разрабатывается координировано с головной организацией - Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН по заказу Федерального космического агентства Росавиакосмос. В проекте МИЛЛИМЕТРОН запланирован запуск космической обсерватории с охлаждаемым зеркалом диаметром 12 м, с приборным комплексом, рассчитанным на наблюдения в диапазоне 10мкм-2см. Среди прочих инструментов, в приборный комплекс будут входить гетеродинные приёмники в диапазоне 0,3-1,5 ТГц, включённые в состав комплекса интерферометров Космос-Космос и Земля-Космос (соответствующий диапазонам наилучшей прозрачности наземных радиотелескопов, в частности, для многоэлементной системы апертурного синтеза ALMA в Чили).
Недавно началась разработка проекта космического гетеродинного интерферометра ESPRIT (Exploratory Submm Space Radio-Interferometric Telescope) [20], направленного на исследование областей формирования звёзд и планет в тех частях терагерцового диапазона, которые закрыты для наблюдений с поверхности Земли и не входят в рабочий диапазон частот космического телескопа James Webb (JWST). По замыслу, интерферометр будет состоять из шести элементов и обладать возможностью получения изображений на выбранных частотах в диапазоне от 0,5 до 6 ТГц. Каждый элемент будет укомплектован гетеродинным приёмником. На частотах более 1,5 ТГц будут использоваться сверхпроводящие смесители на эффекте электронного разогрева, хотя для того, чтобы удовлетворить требованиям проекта, понадобится существенное расширение полосы промежуточных частот по сравнению с уже достигнутыми значениями.
Космический телескоп SAFIR [21], который в настоящее время разрабатывается НАСА в Jet Propulsion Laboratory (JPL) и Goddard Space Flight Center (GSFC), представляет собой большой криогенный телескоп космического базирования с единственным основным зеркалом диаметром 8-Ю м, планируемый как следующий шаг в астрофизике после Spitzer Space Telescope (Spitzer) и Herschel Space Observatory. SAFIR будет обладать беспрецедентной чувствительностью в важнейшем диапазоне между ИК-диапазоном, в котором проводятся радиоастрономические наблюдения на космическом телескопе James Webb, и СВЧ-диапазоне, в котором наблюдения уверенно производятся с поверхности Земли. Этот телескоп предназначен для исследования процессов формирования самых первых звёзд и галактик, и позволяет проникнуть сквозь завесу межзвёздной пыли для исследования процессов формирования планетарных систем в нашей собственной галактике.
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 вполне удовлетворяют запросам современной радиоастрономии и для успешного применения в современных радиоастрономических проектах требуется значительная оптимизация этих характеристик. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников терагерцового диапазона.
Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка квазиоптических смесителей на эффекте электронного разогрева, работающих в терагерцовом диапазоне частот, из ультратонких сверхпроводящих пленок NbN, которые наряду с высокой чувствительностью в терагерцовом диапазоне имели бы широкую полосу промежуточных частот и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике.
Еще одной целью было исследование зависимости постоянной времени NbTiN смесителей от температуры в режиме малых мощностей гетеродина и сигнала и сравнение НЕВ смесителей на основе этого материала со смесителями на основе плёнок NbN.
Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, интегрированные в планарную антенну или с прямым поглощением излучения плёнкой, изготовленные из пленок NbN толщиной 2-5 нм, осажденных на подложки из оксида магния, арсенида галлия и кремния как с буферным подслоем MgO, так и без него, а также смесители из плёнок NbTiN различной толщины, нанесённых на подложки из сапфира, кремния и кремния с подслоем MgO.
Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 2,5 ТГц и 30 ТГц. Измерение полосы преобразования NbN и NbTiN смесителей проводилось вблизи частоты 0,9 ТГц по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками.
Измерения зависимости постоянной времени NbTiN смесителя в зависимости от температуры производились на частотах 135-145 ГГц в диапазоне магнитных полей 0-4 Тл и температур 1,6-8 К. Измерения коэффициента диффузии NbTiN плёнок производились в диапазоне магнитных полей 0-4 Тл.
В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:
Созданы и исследованы новые квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 3-4 нм с использованием подслоя MgO толщиной 200 нм.
Проведены измерения шумовой температуры NbTiN смесителя с подслоем MgO на кремниевой подложке на частоте гетеродина 2,5 ТГц.
Показана возможность расширения полосы промежуточных частот до 5,2 ГГц для квазиоптических смесителей, изготовленных их сверхпроводящей пленки NbN толщиной 2 нм. Использование подслоя MgO позволило создать ультратонкую NbN плёнку с критической температурой около 9 К.
Определены времена ухода неравновесных фононов в подложку для NbTiN плёнок, нанесённых на подложки из кремния, сапфира и кремния с подслоем MgO. Исследована зависимость постоянной времени NbTiN смесителя от температуры в перпендикулярном магнитном поле.
Определен коэффициент диффузии электронов в плёнках NbTiN различной толщины, осаждённых на подложки из кремния, сапфира и кремния с подслоем MgO.
Создан безантенный NbN смеситель, прямо согласованный с излучением. На основе NbN смесителя с прямым поглощением излучения плёнкой изготовлен и исследован лабораторный супергетеродинный приёмник на частоту 30 ТГц с газоразрядным СОг лазером в качестве гетеродина.
На защиту выносятся следующие положения:
Полоса преобразования квазиоптических смесителей на основе ультратонких плёнок NbN толщиной 2 нм, осажденных на слой MgO на кремниевой подложке, составляет 5,2 ГГц в оптимальной по шумовым характеристикам рабочей точке.
Значение полосы преобразования квазиоптических смесителей микронных размеров на основе ультратонких плёнок NbTiN толщиной 3, 4 и 10 нм в широком диапазоне температур (1,6-8 К) и магнитных полей (0-4 Тл) для большинства технологически важных подложек определяется временем ухода неравновесных фононов в подложку и для кремниевой подложки с подслоем MgO составляет 400, 300 и 100 МГц, соответственно.
Значение полосы преобразования квазиоптических NbTiN смесителей с длиной мостика 0,13 мкм составляет 800 МГц в оптимальной по шумовым характеристикам рабочей точке. Существенный вклад в полосу преобразования таких смесителей вносит диффузия горячих электронов в металлические контакты.
Коэффициент диффузии электронов в плёнках NbTiN толщиной 3, 4 и 10 нм, осаждённых на технологически важные подложки составляет 0,8-1 см2/с.
Значение шумовой температуры в двухполосном режиме квазиоптического NbN смесителя с прямым поглощением излучения плёнкой составляет 3100 К (2300 К после вычитания нулевых квантовых флуктуации по флуктуационно-диссипативной теореме Каллена-Вельтона) на частоте гетеродина 30 ТГц.
Шумовая температура приёмника на основе квазиоптического NbTiN смесителя составляет 4000 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц.
Практическая значимость работы подтверждена выбором использования разрабатываемых НЕВ смесителей в ряде международных проектов ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX [22,23] ALMA [24], HERSHEL [25], МИЛЛИМЕТРОН [26]), так и на исследование атмосферы Земли (SOFIA [27], TELIS [28]).
Полученные знания об электрон-фононном взаимодействии в ультратонких плёнках NbTiN определяют перспективность дальнейшей разработки электронно-разогревных детекторов и смесителей на основе этого сверхпроводникового материала для практических применений.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объём работы составляет 127 страниц, включая 25 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 107 наименований.
Во введении обосновывается актуальность, раскрывается научная новизна и цели диссертационного исследования.
Смесители на электронном разогреве с фононным каналом охлаждения
Если Tcsc Tph-c» то неравновесные фононы, излучаемые горячими электронами, покидают пленку баллистически, не испытывая рассеяния на электронах. Фононы играют роль термостата для электронов, и электронный разогрев реализуется в чистом виде. При этом частотная зависимость отклика будет характеризоваться одной постоянной времени те.рн- В случае тсхс»трь-е в AU(f) будет наблюдаться как болометрический, так и неравновесный отклик. При условии Tcsc»ic.ph Cph-e имеется низкочастотный спад, связанный только с болометрической компонентой. При близких же значениях времен te-ph и Tesc отклик характеризуется одной постоянной времени То. Эта постоянная времени с уменьшением толщины пленки (а значит, TCSC) приближается к тс.рь. На частотах модуляции более отклик падает обратно пропорционально частоте модуляции. Для тонких пленок NbN найденное значение Систематические измерения, проведенные в [60], позволили измерить время Tesc=12fl?nc/nM для пленок нитрида ниобия на кремниевой подложке.
Подавленное состояние энергетической щели сверхпроводниковой плёнки, находящейся в резистивном состоянии, обуславливает спектральную независимость эффекта электронного разогрева от миллиметрового вплоть до ближнего инфракрасного диапазона волн [61].
Релаксация энергии горячих электронов может происходить не только путем рассеивания их на фононах, но и при помощи диффузионного механизма [62]. Данный механизм осуществляется в болометрических элементах из пленок чистых металлов, длина которых L меньше электронно-тепловой длины (длины диффузии электронов за время Te-ph) определяемой формулой: ld= Te-phD (1.10) где D— коэффициент диффузии электронов. Значение ld может достигать нескольких микрометров в некоторых материалах. В этом случае «разогретые» электроны будут уходить в холодные «берега» нормального металла раньше, чем испытают взаимодействие с фононами, т.е. контактные площадки становятся тепловым резервуаром в процессе релаксации электронной температуры. Диффузионный механизм охлаждения электронов доминирует в чистых сверхпроводниковых пленках с большими значениями
Из формулы (1.10) следует, что при длине мостика меньше величины 4lj будет реализован диффузионный канал охлаждения электронно-разогревного смесителя. Скорость релаксации электронной температуры будет определяться временем остывания электронной подсистемы посредством диффузии электронов в берега нормального металла [62]:
В двухтемпературной модели, рассмотренной выше, предполагалась пространственная однородность функции распределения электронов, то есть электронная температура 0 одна и та же во всем активном участке плёнки. Для реального смесителя это является весьма грубым приближением. В смесительном режиме при температуре пленки далекой от критической, мощность излучения гетеродина достаточно велика и ситуация может становиться отличной от равновесной. Резистивное состояние пленки в этом случае создается образованием нормально проводящего домена, размер которого увеличивается с увеличением рассеиваемой в нем энергии [63].
Смесители па электронном разогреве с фопонпым каналом охлаждения Как было указано в предыдущем параграфе, в условиях электронного разогрева воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии приводит к увеличению ее электронной температуры, время релаксации которой т определяет полосу промежуточных частот смесителя.
Если на болометр, по которому протекает ток смещения, падает излучение гетеродина и сигнала, то выходная мощность на промежуточной частоте равна: Pahs=2 PmPscos{2nft) (1.14) где Ріс) и / -поглощенные мощности гетеродина и сигнала соответственно, f= (LO- fs - промежуточная частота. Заметим, что в спектре выходного сигнала смесителя кроме f содержатся fL0, U, fm+fs и их гармоники. Однако в случае fLo, U »2K/TQ, ЧТО для NbN выполняется уже в ММ диапазоне длин волн, электронная температура (1.4) оказывается модулирована лишь разностной частотой f.
Экспериментальная установка и методика исследования полосы преобразования смесителей на частоте 0,9 ТГц
В качестве подложек обычно выбирается диэлектрический материал, устойчивый к механическим и химическим воздействиям, которым он подвергается в процессе изготовления структур. Дополнительным требованием к материалу подложки являлась прозрачность в соответствующем диапазоне длин волн (субмиллиметровый для смесителей типов А и В, средний инфракрасный для смесителей типа С), что ещё более сужает выбор материала подложки для изготовления смесителя. В работе для изготовления смесителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (140 ГГц, 900 ГГц, 2,5 ТГц) использовались подложки из кремния, оксида магния и сапфира. Смесители для диапазона 20 - 70 ТГц изготавливались на подложках из арсенида галлия.
Также, для изготовления отдельных партий смесителей, на поверхность кремниевой подложки наносился слой оксида магния толщиной 200 нм, служащий подслоем для сверхпроводниковых плёнок. Подслой наносится методом электронно-лучевого испарения перед осаждением сверхпроводниковой плёнки и служит как для улучшения акустического согласования между сверхпроводниковой плёнкой и подложкой, так и в качестве «росткового» подслоя для улучшения сверхпроводящих свойств ультратонких плёнок NbN и NbTiN. При этом сверхпроводящие свойства получаемых плёнок на подложке из высокоомного кремния с подслоем MgO оказались значительно выше, чем на других подложках для плёнок всех толщин. Особенно же значительно улучшаются свойства самых тонких плёнок 2,5-3 нм. С использованием кремниевой подложки с подслоем MgO удалось впервые получить плёнки NbN толщиной 2 нм с температурой сверхпроводящего перехода более 9 К, и изготовить на их основе практические смесители.
Для изготовления NbN смесителей на частоту гетеродина 30 ТГц использовались подложки из арсенида галлия. Толщина плёнки составляла 5 нм. Это связано с тем, что сверхпроводящие свойства плёнок NbN на подложке GaAs значительно хуже, чем на всех остальных подложках, что определяется как качеством поверхности GaAs, так и необходимостью производить процесс осаждения на подложку, нагретую до значительно меньшей температуры, чем в случае кремниевых или сапфировых подложек. Осаждение на подложку из арсенида галлия осуществляется при температуре подложки 300С, поскольку при температуре 400С происходит активная дегазация мышьяка, и нарушается состав подложки. Осаждение сверхпроводниковых плёнок NbN на подложки из кремния и оксида магния осуществляется при температуре подложки 850С.
При изготовлении смесителей субмикронных размеров типа А малые контактные площадки, внутренняя часть спиральной антенны и защитная плёнка SiO поверх мостика формируются при помощи электронно-лучевой литографии в несколько этапов. С помощью дальнейшей фотолитографии у смесителей формируется внешняя часть спиральной антенны и большие контакты. На рис. 4 представлены общий вид смесителя типа А, интегрированного в спиральную антенну и электронная фотография внутренней части субмикронных размеров.
Смесители типа В для исследования энергетической релаксации формировались из плёнки NbTiN в несколько этапов. На первом этапе фотолитографии формировались малые контактные площадки, определяющие активный участок сверхпроводниковой плёнки. Следующим этапом фотолитографии формируются спиральная антенна из золота, оптимизированная на частоту 140 ГГц, и большие контактные площадки. На рис. 5 представлена фотография центральной части смесителя на частоту 140 ГГц и указана область, покрытая фоторезистом, определяющая активный участок сверхпроводниковой плёнки NbTiN после стравливания NbTiN по полю.
Смесители типа С, предназначенные для работы в среднем инфракрасном диапазоне (20-70 ТГц), также формируются без использования электронно-лучевой литографии. На первом этапе формируются контактные площадки, также выполненные в виде участка копланарной линии. Зазор между центральными участками нулевого и сигнального контактов определяет длину активного участка NbN плёнки. Следующим этапом фотолитографии над зазором формируется участок плёнки SiO, который определяет ширину NbN мостика. На последнем этапе плёнка сверхпроводника стравливается по полю за исключением участков, защищенных золотом или SiO. При стравливании NbN также стравливается верхний слой подложки из GaAs, что приводит к неровностям на поверхности. Подобные неровности на оборотной стороне подложке не позволяют осуществить оптически плотный контакт подложки с плоской поверхностью линзы, поэтому обратная сторона подложки покрывалась резистом на время стравливания NbN. На рис. 6 представлена фотография смесителя типа С на частоту гетеродина 30 ТГц.
Полоса преобразования NbTiN смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц
Шумовая температура приёмника на 30 ТГц измерялась по стандартной схеме горячей - холодной нагрузки. Как показано на рис. 9, ослабленное излучение гетеродина комбинировалось при помощи делителя луча с излучением от нагрузки, в качестве которой использовался глобар, нагретый до 1200 К с прерывателем, покрытым поглотителем комнатной температуры. Далее излучение сигнала и гетеродина с помощью германиевой вытянутой полусферической линзы собиралось на чувствительную часть сверхпроводниковой плёнки смесителя. Преобразованный сигнал через адаптер смещения подаётся на вход охлаждаемого малошумящего НЕМТ (high electron mobility transistor) усилителя с вентилем на входе, рассчитанным на диапазон частот 1,4 - 1,6 ГГц, и, после дополнительного усиления цепочкой усилителей комнатной температуры, сигнал на промежуточной частоте детектировался диодным СВЧ детектором диапазона 0,5 - 4 ГГц. Излучение горячей нагрузки (глобара) периодически прерывается нагрузкой комнатной температуры в целях увеличения стабильности измерений, и сигнал с детектора промежуточной частоты регистрируется синхронным вольтметром. Параллельно вольтметром постоянного тока регистрируется постоянная составляющая видеосигнала с детектора. Шумовая температура в приближении Рэлея-Джинса, в котором спектральная плотность излучения абсолютно-чёрного тела прямо пропорциональна физической температуре, что верно лишь для высоких температур и низких частот, вычисляется далее через Y-фактор по формуле: Т -Т -Y j _ 1hol 1а,М 1 noise VI где Thot и Tcoid - температуры горячей и холодной нагрузок соответственно, символом Y обозначен Y-фактор, равный отношению выходной мощности приёмника с горячей нагрузкой на входе к выходной мощности при холодной нагрузке, выражаемый в случае модуляционной методики измерения через показания вольтметра постоянного тока U_ и синхродетектора LL как: U. + K-U.
Коэффициент К зависит от формы сигнала, и в случае прямоугольных импульсов, когда апертура антенны много меньше лопасти прерывателя,
К = —, как отношение амплитуды первой гармонической составляющей ряда Фурье для импульсного сигнала со скважностью 0,5 к амплитуде импульсов. Для измерения шумовой температуры приёмника с NbTiN смесителем на частоте гетеродина 2,5 ТГц была использована экспериментальная установка, сходная с установкой для измерения полосы преобразования на частоте 0,9 ТГц. В качестве гетеродинного источника (обозначен 1 на рис. 7) использовался газовый лазер с накачкой СОг лазером, вместо сигнального генератора (обозначен 2 на рис. 7) в тракт ВЧ устанавливалась горячая/холодная нагрузка. Анализатор спектра не использовался, вместо измерителя мощности (обозначен 15 на рис. 7) использовался диодный СВЧ-детектор, позволяющий производить измерения с частотой до нескольких килогерц.
Данная глава посвящена результатам измерений частотных характеристик НЕВ смесителей на основе плёнок NbN и NbTiN нанесённых на различные подложки. В 3.1 описаны результаты измерений NbN и NbTiN смесителей с чувствительным элементом субмикронных размеров на частотах гетеродина вблизи 900 ГГц в смесительном режиме. Результаты исследований частотных характеристик отклика NbTiN смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на излучение с частотой вблизи 140 ГГц обсуждаются в 3.2. Параграф 3.3 посвящен исследованию коэффициента диффузии плёнок NbTiN, нанесённых на различные подложки, и оценке влияния диффузионного канала охлаждения на полосу NbTiN смесителей. В 3.4 рассматриваются перспективы расширения полосы преобразования смесителей на эффекте электронного разогрева.
В данном параграфе представлены результаты измерения полосы преобразования на частотах 0.8 ТГц и 0.9 ТГц. Для проведения эксперимента на частоте 0.9 ТГц мы использовали традиционную схему измерения с двумя монохроматическими источниками. В качестве источников сигнала и гетеродина использовались две лампы обратной волны (ОВ-44). Излучение сигнала и гетеродина пространственно совмещались пленочным делителем луча. Смеситель находится при температуре 5 К, значительно меньшей критической температуры NbN пленки смесителя, и переводится в рабочий режим поглощением мощности гетеродина и транспортным током. Исследовались смесители на основе NbN пленок, осажденных на кремниевые, MgO подложки и кремниевые подложки с подслоем MgO, а также на основе NbTiN плёнок на кремниевой подложке с подслоем MgO (таблица 2). В таблице представлены параметры некоторых исследуемых смесителей. Толщина пленки нитрида ниобия в случае Si подложки с буферным подслоем MgO была 3.5 нм, 2.5 нм и 2 нм, а в случае Si и MgO подложки только 3.5 нм. Это связано с тем что пленки NbN толщиной менее 3 нм осажденные на подложки без подслоев имеют значительно худшие сверхпроводящие характеристики по сравнению с использованием подслоя MgO, а при толщине 2 нм вообще не имеют сверхпроводящего перехода вплоть до температуры кипения жидкого гелия. На рис. 10 представлена зависимость сопротивления от температуры смесителя L154/1 #4, которая является типичной и для других смесителей. Семейство вольтамперных характеристик этого же смесителя, полученное при температуре 5 К при различной поглощенной мощности излучения гетеродина, показано на рис. 11. Нужно отметить, что для приведенных ВАХ смесителя характерно остаточное сопротивление, составляющее порядка 2-3 Ом.
Шумовая температура лабораторного прототипа гетеродинного приёмника на частоте гетеродина 30 ТГц, изготовленного на основе NbN смесителей на GaAs подложке
Полоса преобразования NbTiN смесителей в режиме низкой физической температуры и большой мощности гетеродина значительно меньше, чем для смесителей на основе ультратонких плёнок NbN. Большинство других научных групп, исследовавших NbTiN смесители позже, получили значения того же порядка для полосы преобразования в оптимальной по шумовой температуре рабочей точке. Так, волноводные NbTiN смесители на кварцевой подложке с подслоем A1N демонстрируют полосу преобразования 0,9-1,2 ГГц [88]. Несмотря на сравнительно хорошие шумовые характеристики, которые демонстрируют приёмники на основе NbTiN смесителей [16], столь малая полоса не позволяет разрабатывать конкурентоспособные смесители. Чтобы определить направление для дальнейшей оптимизации таких смесителей, необходимо глубже исследовать механизм энергетической релаксации электронной подсистемы в NbTiN.
Для этого необходимо исследовать полосу преобразования NbTiN смесителей в ситуации, когда физическая температура близка к критической температуре плёнки. В этом квазиравновесном состоянии точно известна температура электронов Э=ТС, а, следовательно, и время электрон-фононного взаимодействия, те.рь(0). Мощности гетеродина и постоянного тока много меньше того, что требуется для оптимального смещения при низкой температуре. При этом параметр саморазогрева С = С01 «1 в основном за счёт малости величины транспортного тока 1о, и поэтому можно пренебречь влиянием эффекта термоэлектрической обратной связи по постоянному току, который приводит к изменению времени релаксации электронной температуры и, следовательно, полосы ПЧ смесителя вдоль вольт-амперной характеристики. Таким образом, полоса ПЧ смесителя при физической температуре
Полоса преобразования для смесителей на эффекте электронного разогрева, изготовленных из плёнок NbTiN, нанесённых на подложки из кремния, сапфира и кремния с подслоем MgO, исследовалась с использованием экспериментальной установки на основе СВЧ-генераторов диапазона 127-142 ГГц. Этот частотный диапазон был выбран потому, что мостик шириной 10 микрон и длиной 1 микрон требует больших размеров спиральной антенны, в которую он интегрирован, а масштаб центральной части спиральной антенны определяет верхнюю границу рабочего диапазона входных частот антенны. Как было сказано в первом параграфе второй главы, такие размеры мостика позволяют уменьшить влияние диффузии разогретых электронов в контактные площадки на время энергетической релаксации электронной подсистемы смесителя. Зависимости выходной мощности смесителей от промежуточной частоты для NbTiN смесителей с толщиной плёнок 3,5 нм, 4 нм и 10 нм представлены на рис.17. Экспериментально полученные значения выходной мощности смесителей обозначены треугольниками для смесителей, изготовленных из, плёнки NbTiN толщиной 10 нм, квадратами для NbTiN плёнки толщиной 4 нм и кружками для толщины 3,5 нм. Значения полосы преобразования, при которых стандартные подгоночные кривые максимально близко проходят рядом с экспериментальными данными, составляют 100 МГц, 300 МГц и 400 МГц для смесителей на основе NbTiN плёнок толщиной 10 нм, 4 нм и 3,5 нм соответственно. На рис. 18 представлены зависимости выходной мощности от промежуточной частоты для NbTiN смесителей с толщиной плёнки 3,5 нм на кремниевой и сапфировой подложках. Полоса преобразования для исследованных смесителей составляет 270 МГц для кремниевой подложки и 350 МГц для сапфировой подложки.
Для смесителей на электронном разогреве, находящихся вблизи температуры сверхпроводящего перехода, когда распределение эффективной электронной температуры однородно по всей площади сверхпроводящего мостика, постоянная времени болометра на эффекте электронного разогрева Tph зависит лишь от характеристических времён Tcph и Tesc. Полоса преобразования смесителя на эффекте электронного разогрева может зависить от температуры, в силу зависимости от температуры электрон-фононного взаимодействия, и от толщины плёнки сверхпроводника из-за зависимости времени ухода неравновесных фононов в подложку от толщины плёнки и от акустического согласования между плёнкой сверхпроводника и подложкой. На рис. 19 представлено время энергетической релаксации исследованных NbTiN смесителей в зависимости от толщины плёнки. Как видно из рисунка, время релаксации To=l/27if исследованных смесителей на основе эффекта электронного разогрева в плёнке NbTiN с длиной мостика 1 мкм удовлетворяет зависимости To(d)=0,21 -(d-1,5). Пересечение графика зависимости с осью абсцисс в точке 1,5 нм можно объяснить погрешностью определения толщины плёнок. Как указывалось в главе 2, толщина ультратонких плёнок оценивается по времени процесса при известной скорости осаждения. Скорость осаждения рассчитывается из прямого измерения толщины плёнки, осаждённой в длительном процессе. Однако скорость неустановившегося процесса в самом начале осаждения может быть как больше, так и меньше усреднённой скорости в длительном процессе.
