Квазиоптические смесители терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ЯГУБОВ Павел Анатольевич

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ СМЕСИТЕЛИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА ЭФФЕКТЕ РАЗОГРЕВА ЭЛЕКТРОНОР В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ МЬХ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре общей и экспериментальной физики.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор ГЕРШЕНЗОН Е.М.

доктор физико-математических наук, профессор ГОЛЬЦМАН Г.Н.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ПИРОГОВ Ю А

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник КОШЕЛЕЦ В.П.

Ведущая организация — Институт Прикладной Физики Российской Академии Наук.

Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, Малая Пироговская ул., д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119435, Москва, Малая Пироговская ул., д. 1.

в

мша

>го сове

1997 г.

Автореферат разослан лл........

года.

Ученый секретарь Диссертационного совета

ЛИТВАК-ГОРСКАЯ Л.Б.

е/'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность.

В последние голы неуклонно растет интерес к созданию чувствительных широкополосных приемных устройств миллиметрового (ММ) и субмиллпмсгрового (СММ) диапазонов длин волн. Системы этого диапазона, в частности, нужны для проведения различного рода радиоастрономических наблюдений, исследования атмосферы Земли, радиолокации и т.д. В соседнем сантиметровом диапазоне лучшими на сегодняшний день являются приемники прямого усиления на транзисторах и сквидах, а в инфракрасном диапазоне рекордные характеристики имеют квантовые фото приемники и болометры на основе легированных полупроводников.

Практически во всем ММ и в значительной части СММ диапазона первенство удерживают супергетеродинные приемники на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Однако, на частотах выше 1 ТГц их шумовая температура резко растет. Смесители на основе диодов с барьером Шоттки работают в ММ и СММ диапазонах, но их чувствительность часто бывает недостаточной для практических применетш, а требуемую большую мощность гетеродина в коротковолновой части СММ диапазона трудно реализовать даже в лабораторных условиях. В СММ диапазоне достаточно малой шумовой температурой обладают полупроводниковые фотоприемники из п-1п8Ь, однако присущая им малая, порядка 1 МГц, полоса промежуточных частот существенно ограничивает область их применения.

Таким образом, проблема практической реализации чувствительных к широкополосных приемников в коротковолновой части СММ диапазона неразрывно связана с поиском новых альтернативных механизмов преобразования частоты. Одним из перспективных направлений в этой области является использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты электромагнитного излучения.

Эффект разогрева электронов выступает как достаточно универсальное явление для широкого класса сверхпроводников. Основным условием его реализации является обеспечение преобладающего вклада электрон-электронного неупругого рассеяния в энергетическую релаксацию электронной подсистемы, что выполняется для неупорядоченных пленок с малой длиной свободного пробега I. Теоретически и экспериментально показано, что для таких пленок происходит

усиление электрон-электронного взаимодействия и ослабление электрон-фононного [1-2]. При внешнем воздействии это ведет к формированию неравновесной функции распределения квазичастиц с эффективной температурой, превышающей температуру термостата. Высокая чувствительность резистивного состояния пленок сверхпроводников к разогреву электронов, обусловленная большой температурной крутизной сопротивления, позволяет использовать их в качестве смесительных элементов. Быстродействие смесителя на горячих электронах определяется скоростью остывания электронной подсистемы. Существуют два различных механизма охлаждения электронов. Если длина пленки, Ь, меньше электронно-тепловой длины, то работает диффузионный канал и "горячие" электроны охлаждаются за счет выхода в "холодные" металлические приконтактные области, причем постоянная времени этого канала пропорциональна Ь2 [3]. Другой механизм заключается в остывании электронов за счет электрон-фононного взаимодействия, так называемый фононный канал. Если при этом обеспечен быстрый уход неравновесных фононов в подложку, что реализуется для достаточно тонких пленок, то фононы успевают покидать пленку быстрее, нежели рассеиваться на электронах, и фононная подсистема пленки остается в равновесии с термостатом. Полоса промежуточных частот (ПЧ) смесителя определяется в этом случае в основном временем электрон-фононного взаимодействия, которое зависит от материала, его чистоты и температуры, составляя в области гелиевых температур КИ-Ю" с для различных сверхпроводников. В работе [4] была измерена температурная зависимость времени электрон-фононного взаимодействия для пленок ЫЬМ. При 10 К оно составляет «15 пс, что определяет максимально возможное значение полосы ПЧ смесителя «10 ГГц.

Воздействие электромагнитного излучения на пленку сверхпроводника является неселективным в широком спектральном интервале, поэтому потери преобразования смесителя на эффекте разогрева электронов в принципе не должны зависеть от частоты вплоть до ближнего инфракрасного диапазона [5]. Импеданс сверхпроводящей пленки на высокой частоте является чисто активным, что дает возможность достаточно просто согласовывать чувствительный элемент с различными типами приемных антенн. Коэффициент преобразования смесителя не зависит от его объема, что позволяет при необходимости регулировать величину требуемой мощности гетеродина. Так, уменьшение этой величины является весьма актуальным для большинства радиоастрономических задач, так как снижает требования к мощности гетеродина. В тех же случаях, когда используются

значительные интенсивности сигнала, как, например, в спектроскопии и диагностике плазмы, динамический диапазон может быть расширен путем увеличения размеров чувствительного элемента в плане. Следует отметить, что большой динамический диапазон и широкая полоса ПЧ могут быть реализованы одновременно только для смесителей с фононным каналом охлаждения. Для смесителей с диффузионным каналом увеличение размеров элемента в плане приводит к резкому сужению полосы ПЧ за счет увеличения постоянной времени диффузионного канала.

В работе [6] продемонстрирована возможность использования пленок №> и для создания супергетеродинных приемников на эффекте разогрева электронов. В [7] показано, что для этих смесителей теоретический предел двухполосной шумовой температуры без учета квантовых флуктуации составляет -50 и 100 К для МЬ и КЬЫ, соответственно. Однако, на момент начала этой работы измерения проводились только на относительно низких частотах (20-350 ГГц) и лучшие значения двухполосной шумовой температуры приемника составили: 690 К на частоте 20 ГГц (водноводный №> смеситель) [8], 1000 К на частоте 100 ГГц (полноводный МЬН смеситель) [9] н 3000 К на частоте 350 ГГц (квазиоптический МЬЫ смеситель) [10]. Оптимальная поглощенная мощность гетеродина находилась в пределах нескольких микроватт. Уменьшение этой величины представляет значительный практический интерес для СММ диапазона, где проблема создания мощных компактных источников излучения еще не решена.

Кроме того, не было уделено достаточно внимания вопросу оптимизации полосы ПЧ. которая составляла 800-1000 МГц для смесителей из [9-10]. Не исследовалось влияние толщины пленки, ее критических параметров (критической температуры, Тс, и плотности критического тока, >), а также больших мощностей электромагнитного излучения и транспортного тока, соответствующих рабочим условиям смесителя, на его полосу ПЧ.

Отсюда вытекают цель и задачи диссертации.

Целью настоящей диссертационной работы являлось построение

квазиопшческого смесителя субмилпиметрового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках №>>}, сочетающего высокую чувствительность, широкую полосу промежуточных частот и малую требуемую мощность гетеродина; экспериментальное исследование его шумовых и частотных характеристик и сопоставление полученных результатов с выводами модели однородного электронного разогрева.

При этом в диссертации решались следующие задачи:

1. Изучение зависимости времени релаксации электронной температуры в пленке №>И при интенсивном воздействии высокочастотного излучения и постоянного тока от ее толщины и критических параметров, оптимизация полосы ПЧ смесителя.

2. Разработка конструкции квазиоптического смесителя субмиллиметрового диапазона и оптимизация шумовой температуры.

3. Экспериментальное исследование шумовой полосы смесителя, сравнение ее с полосой преобразования.

4. Исследование возможности уменьшения величины оптимальной поглощенной мощности гетеродина для смесителя на горячих электронах.

Научная новизна работы определяется следующими наиболее важными из полученных результатов:

1. Исследована зависимость полосы ПЧ смесителя на электронном разогреве от толщины пленки и ее критических параметров; экспериментально уточнено время выхода неравновесных фононов в подложку.

2. Достигнута рекордная полоса ПЧ 3.2-4 ГГц для ЫЬИ смесителей с фононным каналом охлаждения электронов, изготовленных из пленок толщиной 2.5-3 нм на подложках из высокорезистивного кремния и сапфира.

3. Экспериментально исследована шумовая полоса смесителя, при полосе ПЧ 3.2 ГГц получена шумовая полоса приемника 5 ГГц; шумовая полоса смесителя при этом (исключая вклад шумов усилителя ПЧ) составляет 8 ГГц.

4. Впервые создан и исследован в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц квазиоптический супергетеродинный приемник на эффекте разогрева электронов в пленке МЬМ, достигнуты следующие характеристики смесителя: шумовая температура 500 К в диапазоне частот 620-650 ГГц, 980 К на частоте 900 ГГц и 1700 К на частоте 1.08 ТГц.

5. Реализован смеситель, имеющий оптимальную поглощенную мощность гетеродина менее 100 нВт.

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе исследованного смесителя на эффекте разогрева электронов в тонких пленках ЫЬЫ разработан и реализован приемник, который, несомненно, найдет применение в технике терагерцовых волн, в частности, в радиоастрономии, дистанционном

зондировании атмосферы, диагностике плазмы, спектроскопии, быстрой фотометрии if др.

Апробация работы.

Результаты работы были доложены на следующих конференциях и симпозиумах: Седьмом международном симпозиуме по космическим )ерагерцовым технологиям (Charlottesville, VA, 1996); Международной конференции но прикладной сверхпроводимости (Pittsburgh, РА, 1996); Восьмом международном симпозиуме ¡го космическим терагерцовым технологиям (Cambridge, MA, 1997); Третьей европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (Veldhoveu, Netherlands, 1997).

Публикации.

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 13 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Обьем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 119 страниц, включая 24 рисунка и 2 таблицы. Библиография содержит 166 наименований.

Основное содержание работы:

Bcl____введении обосновывается актуальность темы диссертации,

формулируются цель и основные задачи работы, раскрывается новизна и пракшческая значимость полученных результатов, а также приводятся краткое содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Параграф 1.1 посвящен обзору литературы по традиционным гетеродинным смесителям, которые используются в настоящее время в ММ и СММ диапазонах. В параграфе 1.2 приведен обзор теоретических н экспериментальных работ, посвященных исследованию смесителей на горячих электронах с фопонным каналом охлаждения. Показано, что частотная зависимость отклика может быть получена в рамках двухтемпературной модели [И], предполагающей нагрев как электронной, так и фононной подсистем пленки, и определяется в основном соотношением времен релаксации т«с, трь-с, и (т«с- время ухода тепловых фононов, гРь-с и te.Ph-времена фонон-электронного и электрон-фононного взаимодействий, соответственно):

&и(/) ос л©(/) = де(о)

где

2г„

1±

1 + (2

\1+(2ф2У\\ + (2ф3)21

(1)

1-4-

©-эффективная температура электронной подсистемы, Сс и срь - удельные электронная и фононная теплоемкости, соответственно.

Рассматривается влияние дополнительных факторов, которые при большом значении транспортного тока 1о, соответствующего рабочим условиям смесителя, могут приводить к сужению или расширению, в зависимости от конкретных условий, его полосы ПЧ. Одним из этих факторов является частотная зависимость импеданса смесителя 2(0- Вторым фактором, влияющим на полосу ПЧ смесителя, является эффект обратной связи по постоянному току, связанный с самонагревом смесителя током ПЧ. Если смеситель рассогласован с усилителем ПЧ, это приводит к изменению времени релаксации электронной температуры:

. До ~ +

где тт - время релаксации электронной температуры смесителя, Яо - сопротивление смесителя по постоянному току, Ль - сопротивление нагрузки, С = С0/0г -параметр самонагрева. Величина Со определяется как

Я1 + с-

(2)

¿К (¡Р

<Ш

(3)

су

где V - объем смесительного элемента.

Далее в параграфе показано, что, в отличие от резистивных смесителей, для которых полоса преобразования совпадает с шумовой полосой,. для болометрических приемников они различаются. Шумовая полоса смесителя на горячих электронах всегда шире полосы преобразования, а их отношение определяется выражением:

с

¡КИм i т>

где Ti - температура шума Джонсона, Тя - температура термодинамического шума, связанного с флуктуациями электронной температуры, на тгулевой частоте ПЧ.

Параграф 1.3 посвящен обзору литературы по теории и разработке смесителей на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения электронной подсистемы.

В параграфе 1.4 приведен обзор литературы по вопросу coi пасования смесительных элементов с излучением терагерцового диапазона с помощью различных квазиоптических систем.

В параграфе 1.5 обосновывается выбор объекта исследования и формулируется постановка задачи.

Вторая глава посвящена описанию конструкции исследуемых смесителей, а также экспериментальных установок и методик измерения частотных и шумовых характеристик смесителей.

В параграфе 2.1 кратко описана технология изготовления и топология волнонодных (для измерений на частоте 140 ГГц), и квазиоптических (0.6-1.1 ТГц) смесителей. Полноводные смесители представляют собой либо систему нескольких параллельных полосок пленкн NbN микронной ширины длиной 1-2 мкм и зазором 1 мкм, либо одну широкую полоску той же длины, включенные в Ti-Au полосковую линию на сапфире. Квазиоптические смесители изготавливались на подложках из высокорезистивного кремния и представляют собой структурированную пленку NbN, включенную в центральную часть спиральной антенны. Смесители создавались посредством фото- или электронной литографии.

В параграфе 2.2 приведено описание квазиоптической схемы согласования смесительного элемента с высокочастотным излучением. Вследствие того, что ультра гонкие пленки NbN являются достаточно высокоомными, отдельную задачу представляло их согласовать с приемной спиральной антенной. Для этого были разработаны различные варианты топологии смесительного элемента и центральной части антенны, описание которых также приведено в этом параграфе.

Параграф 2.3 посвящен описанию экспериментальной установки и методики измерения полосы ПЧ смесителей на частоте 140 ГГц. В качестве источников излучения использовались высокочастотные генераторы Г4-161. Измерения проводились путем перестройки по частоте одного из генераторов, причем мощность перестраиваемого генератора отслеживалась и поддерживалась постоянной в процессе перестройки.

В параграфе 2.4 описана установка для измерений полосы ПЧ квазиоптических смесителей на частоте 650 ГГц, а также установка для измерений шумовых характеристик смесителей в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц, В качестве источников излучения были использованы три лампы обратной волны (ЛОВ), перекрывающие этот диапазон: ОВ-74 (450-710 ГГц), ОВ-73 (650-920 ГГц) и ОВ-53 (0.9-1.2 ТГц). Шумовая температура смесителей определялась по стандартной методике "теплого'Тхолодного" (300 К/77 К) черного тела, которое представляет собой поглотитель при комнатной температуре или температуре жидкого азота, соответственно. Использование трех усилителей ПЧ в диапазоне 0.6-4 ГГц позволило проводить измерения шумовой температуры приемника в данной полосе ПЧ.

Третья глава посвящена систематическому исследованию на частоте 140 ГГц полосы промежуточных частот NbN смесителей на горячих электронах с фононным каналом охлаждения электронной подсистемы.

В параграфе 3.1. на частоте 140 ГГц исследуются смесители, работающие при физической температуре, близкой к критической. В этом квазиравновесном состоянии точно известна температура электронов в=Тс, а, следовательно, и время электрон-фононного взаимодействия, те-рь(б) {4]. Мощности гетеродина и постоянного тока много меньше того, что требуется для оптимального смешения при низкой температуре. При этом параметр самонагрева С = С0/02«1 в основном за счет малости величины транспортного тока 1о, и поэтому можно пренебречь влиянием эффекта обратной связи по постоянному току, который приводит к изменению времени релаксации электронной температуры (2) и, следовательно, полосы ПЧ смесителя. Кроме того, при малых значениях le отсутствует частотная зависимость импеданса смесителя, которая также может изменить частотную характеристику смесителя. Таким образом, полоса ПЧ смесителя при физической температуре, близкой к критической, определяется только соотношением времен Tc-ph, Tph-e и tese, что дает возможность проще интерпретировать полученные результаты. На основе экспериментальных результатов по измерению полосы ПЧ смесителей, изготовленных из пленок NbN толщиной 2.5-10 нм, в рамках двухтемпературной модели было уточнено время выхода неравновесных фононов в подложку, а также температурная зависимость фононной теплоемкости сРь. При этом полагалась точно известной зависимость тс-рь(Т)~'Г16, которая подтверждена ранее во многих экспериментах. Наилучшее соответствие расчетов по формуле (1) экспериментальным результатам было получено при выборе следующих

параметров: тис(<1)=13 пс-ё(нм), ec/cpi,(T)~T-2 при Сс/Срь(10 К)=0.16. Полученная температурная зависимость фононной теплоемкости отличается от рассчитанной в модели Дебая, cPh(T)~T3, по-видимому за счет модификации фононного спектра в тонких пленках, и совпадает с экспериментальными данными для пленок Nb.

В параграфе 3.2 изложены результаты измерений тех же смесителей в оптимальной рабочей точке при низкой физической температуре и, соответственно, больших мощностях гетеродина и транспортного тока, таблица 1. Ширина полосы ПЧ смесителей, изготовленных из относительно толстых, 5-10 нм, пленок, в этом случае бывает меньше той, которая получается при ТмГс Было показано, что эта разница не может быть объяснена влиянием частотной зависимости импеданса смесителя и эффектом обратной связи по постоянному току. Анализ полученных результатов с помощью двухтемпературной модели дает возможность оценить эффективность нагрева гетеродином электронной подсистемы в пленках различной толщины. Показано, что для ультратонких пленок, в отличие от пленок толщиной 5-10 нм, нагрев происходит практически до Т., что объясняется более однородным поглощением излучения.

Далее в параграфе приведены результаты исследования полосы ПЧ смесителей в зависимости от критических параметров пленки. Из таблицы 1 следует, что широкой полосой ПЧ обладают только смесители, изготовленные из высококачественных пленок с высокими значениями критической температуры и высоким значением плотности критического тока jt(4.2 К)> 106 A/cm2. Для пленок с

Таблица], Параметры смесителей {критическая температура, плотность критического тока, толщина пленки) и результаты измерений полосы ПЧ смесителей в оптимальней рабочей точке при низкой физической температуре.

№ Тс, К jc(4.2 К), Л/cin- d, nm АВ, GHz

1 8.5 9.3*105 2.5 4

2 9.2 1.0.10' 3.0 3

3 9.8 1.8.10« 3.5 3

4 10.2 1.Ы0* 3.5 3.5

5 10.3 2.1. 106 4.0 2.7

6 10.4 1.6.10« 4.0 2.5

7 11.8 4. МО* 5.0 1.9

8 11.8 3.9.106 5.0 1.8

9 14.2 6.5.10« 10 0.9

10 14.2 1,3.10« 10 0.9

11 11 3.9.10* : 3:5 3.5

12 8.5 7.0.105 3.5 1.8

13 8.5 5.0.105 3.5 1.9

низким значением ]с(4.2 К) электронная температура лишь незначительно превышает температуру термостата, поэтому полоса смесителей, изготовленных из таких пленок, относительно узкая. Чем выше критический ток смесителя при низкой температуре, тем ближе к Тс оказывается электронная температура в рабочих условиях смесителя, и тем шире рабочая полоса ПЧ.

Далее было показано, что результаты систематического исследования полосы ПЧ смесителей, полученные на частоте 140 ГГц, в полной мере применимы для более высоких частот, в частности, в СММ диапазоне. Для этого в одной и той же рабочей точке по постоянному току была измерена полоса ПЧ квазиоптического смесителя на двух установках, 140 ГГц и 650 ГГц. Полученные частотные характеристики полностью совпадают друг с другом, что позволяет сделать вывод о применимости результатов проведенного на частоте 140 ГГц исследования для всего СММ диапазона.

Далее в этом параграфе был проанализирован вопрос, насколько широка может быть полоса ПЧ реального ТЧЬИ смесителя с фононным охлаждением электронной подсистемы, и какая толщина пленки является оптимальной. Действительно, с уменьшением толщины уменьшается время выхода неравновесных фононов ткс, что уменьшает влияние болометрического компонента отклика, но с другой стороны, ультратонкие пленки обладают меньшей критической температурой, и поэтому даже для идеального смесителя, для которого &~ТС> полоса сужается за счет большего времени тс-Рь. Эта ситуация была проанализирована также с помощью двухтемпературной модели. При этом время релаксации хс-Рь(®) было определено через толщину пленки, используя зависимость критической температуры пленки от ее толщины Т0(с1). Результаты моделирования показывают, что на существующей стадии технологии тонких пленок КЪЫ оптимум по полосе ПЧ соответствует толщине пленки 2.5-3.5 нм, а максимальное значение полосы достигает 4 ГГц. Дальнейшее увеличение полосы может быть возможно при улучшении качества пленок (более высокая критическая температура для ультратонких пленок).

Четвертая глава посвящена исследованию шумовой полосы смесителей на горячих электронах. Для большинства радиоастрономических задач требуются малошумящие широкополосные приемники и поэтому шумовая полоса является зачастую более важной характеристикой смесителя, чем полоса преобразования, так как определяет его полосу чувствительности. Поправка на уменьшение с частотой коэффициента преобразования смесителя может быть достаточно просто учтена в дальнейшей схеме регистрации сигнала.

В параграфе 4.1 приведены результаты измерений на частоте 650 ГГц полосы преобразования квазиоптического смесителя, которая составляет 3.2 ГГц, и выходного шума смесителя в диапазоне ПЧ 0.65-3.9 ГГц; проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Показано, что выходной шум, за вычетом шума Джонсона, соответствующего величине эффективной электронной температуры в рабочей точке, имеет такую же частотную зависимость, что и сигнал ПЧ, что указывает на его термодинамическую природу. Результаты расчета по формуле

для шума, связанного со флухтуациями электронной температуры, показывают хорошее соответствие с экспериментом.

Параграф 4.2 посвящен исследованию шумовой полосы смесителя на горячих электронах. Измеренная шумовая полоса приемника по уровню 3 сШ составляет примерно 5 ГГц. Следует заметить, что в разных частотных диапазонах шумовая температура усилителей ПЧ различна. Кроме того, на высоких частотах, где выходной шум смесителя уменьшается, шумы усилителя становятся сравнимы с выходным шумом и начинают давать значительный вклад в шумовую температуру приемника. В этой ситуации, для того, чтобы получить собственную шумовую полосу смесителя, мы посчитали целесообразным вычесть шумовую температуру усилителей из результатов эксперимента. Полученные таким образом значения дают шумовую полосу смесителя, равную 8 ГГц, что находится в хорошем соответствии с результатами расчета по формуле (3).

Пятая глава посвящена исследованию шумовой температуры смесителей, изготовленных с помошыо электронной литографии. Использование электронной литографии позволяет перейти к субмикронным размерам смесительного элемента в плане. Это приводит к уменьшению оптимальной поглощенной мощности гетеродина, что становится особенно важным в короткой части СММ диапазона. Кроме того, с уменьшением размеров чувствительного элемента упрощается задача его согласования со спиральной антенной, размеры центральной части которой становятся очень малы при переходе к частотам порядка 0.8 ТГц и выше.

В параграфе 5.1 описана методика и результаты измерения поглощенной смесителем мощности гетеродина, которая составила менее 100 нВт для смесителя, изготовленного из пленки ИЬЫ толщиной Знм и размерами чувствительного элемента в плане 0.3 X 5 мкм. Далее в параграфе обсуждается вопрос дальнейшего уменьшения этой величины.

(5)

В параграфе 5.2 представлены результаты исследования шумовой температуры приемника в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц. Так как смесители с малым объемом имеют малый динамический диапазон, а входная полоса приемника достаточно широка, при измерениях шумовой температуры особое внимание было уделено проверке влияния прямого детектирования тепловой мощности "холодной" и "теплой" нагрузок. Эффект состоит в изменении электронной температуры смесителя под действием теплового излучения нагрузок, смещении рабочей точки, и, как следствие, приводит к изменению выходного шума, которое может быть ошибочно принято за У-фактор смесителя. На рис. 1 показаны вольт-амперные характеристики смесителя, соответствующие 77 К ("холодная") и 300 К ("теплая") нагрузкам. Переключение нагрузок приводит к небольшому, порядка 1 мкА, смещению рабочей точки. На том же рисунке изображены выходные шумы смесителя с "холодной" и "теплой" нагрузками, а также с "теплой" нагрузкой для "холодной" ВАХ. Из рисунка видно, что для интересующего нас участка с положительным дифференциальным сопротивлением, где выходной сигнал стабилен, вблизи рабочей точки шум смесителя с "теплой" нагрузкой практически не меняется при переходе от "теплой" ВАХ к "холодной", что доказывает отсутствие влияния прямого детектирования на измеряемый сигнал смешения.

На рис. 2 представлена зависимость двухполосной шумовой температуры приемника в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц. В процессе измерений в качестве делителя луча гетеродина мы использовали пластины из майлара двух различных толщин: 50 и 12 мкм. На высоких частотах, в основном из-за оптических потерь в тракте гетеродина, мы использовали преимущественно 50 мкм материал. В тех же точках по частоте, где мощность гетеродина была достаточной, мы использовали 12 мкм майлар, что позволяло значительно уменьшить теплые потери на пути сигнала. Так, на частоте 900 ГГц, где мы имеем данные шумовой температуры приемника для обеих пластин, разница, вызванная только заменой делительной пластины, составляет примерно 350 К. Это дает основания полагать, что и для остальных точек, измеренных с помощью 50 мкм майлара, потери сигнала в делителе луча составляют примерно такую же величину, и шумовая температура приемника не превышает 1350 К вплоть до 1.08 ТГц.

Из рис. 2 видно, что в диапазоне 0.6-1 ТГц наблюдается плавный рост шумовой температуры с частотой. Частично это объясняется дополнительными потерями оптического согласования, возникающими из-за того, что просветляющее покрытие кремниевой линзы, используемой в эксперименте,

0.5 1 1.5

\Маде, тУ Рис.1. ВАХ смесителя я выходной шум с "холодной" и "теплой" нагрузками в зависимости от напряжения смещения.

id зооо 2?

2 2500

SH

а>

Q.2000

е

ш

~1500 со о

С 1000

ш ; — i

о 500 . , _____

600 700 800 900 1000 1100 1200

Frequency, GHz Рис.2. Двухполосна« шумовая температура лриеыяика. В качестве делителя луча использовался майллр толщиной 12 и 50 мкм.

л 50 ym Myfcar beamsplitter --1K/GH2 line • 12 ym Mylar beamsplitter Л

Ci Л АЛ &

A

Л

оптимизировано для частоты 650 ГГц, и на частоте 1 ТГц мы имеем примерно 20 процентов отраженной мощности. Резкий рост шумовой температуры на частотах выше 1 ТГц происходит из-за поглощения в атмосфере (сильная лиши воды в районе 1.1 ТГц). Полные потери преобразования были оценены из измерений входной и выходной шумовой температуры приемника и на частоте 620 ГТц составляют 9.5 с!В.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в настоящей работе, и выводы диссертации.

Основные результаты работы:

1. Систематически исследована зависимость полосы ПЧ ЫЬК смесителей на электронном разогреве при физической температуре, близкой х критической, экспериментально уточнено время выхода неравновесных фононов в подложку,

ПС (Ним).

2. Проведено систематическое исследование полосы ПЧ М>Ы смесителей при низкой физической температуре в оптимальной точке смешения в зависимости от критических параметров пленки. Показано, "что достижение широкой полосы ПЧ становится возможным только для пленок с высокой критической температурой (Тс> 10 К) и

высокой плотностью критического тока, |с(4 2 К)>106 А/ал '.

3. Сравнение результатов измерений полосы ПЧ на частотах 140 ГГц и 650 ГГц показывает их полное совпадение. Это позволяет сделать вывод о применимости результатов проведенного на частоте 140 ГГц систематического исследования полосы ПЧ для всего СММ диапазона.

4. Достигнута рекордная полоса ПЧ 3.2-4 ГГц для смесителей, изготовленных из высококачественных пленок NbN толщиной 2.5-3 нм на подложках из высокорезистивного кремния и сапфира.

5. Экспериментально показано, что основными механизмами шума смесителя на горячих электронах являются термодинамический шум, связанный с флуктуациями электронной температуры, и шум Джонсона. Получено хорошее количественное соответствие между экспериментальными результатами по измерению шумов смесителя и выводами модели разогрева электронов.

6. Экспериментально исследована шумовая полоса смесителя. При полосе преобразования 3.2 ГГц получена шумовая полоса приемника 5 ГГц; шумовая полоса смесителя при этом (исключая вклад шума усилителя ПЧ) составляет 8 ГГц. Полученный результат хорошо согласуется с рассчитанным в модели разогрева электронов.

7. Впервые создан и исследован в диапазоне частот 0.6-1.1 ТГц квазиоптический супергетеродинньш приемник на эффекте разогрева электронов в тонкой пленке NbN, достигнуты следующие характеристики приемника: шумовая температура 500 К в диапазоне частот 620-650 ГГц, 980 К на частоте 900 ГГц и 1700 К на частоте 1.08 ТГц. Измеренные на частоте 650 ГГц полные потери преобразования приемника составляют 9.5 dB.

8. Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителей, изготовленных с помощью фотолитографии, составляет >1 мкВт. Использование электронной литографии позволило уменьшить эту величину. Для лучшего смесителя, исследованного в данной работе, она не превышает 100 нВт.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. A.D.Semenov, Yu.P.Gousev, R.S.Nebosis, K.F.Renk, P.A.Yagoubov, B.M.Voronov, G.N.Gol'tsman, S.I.Svechnikov, S.I.Cherednichenko, E.M.Gershenzon, "Quasi Optical NbN Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Radiation," Proceedings of the 7th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, VA, 1996.

2. P.Yagoubov, G.Gol'tsman, B.Voronov, S.Svechnikov, S.Cherednichenko, E.Gershenzon, V.Beiitsky, H.Ekstrom, E.Kollberg, A.D.Semenov, Yu.P.Gousev, K.F.Renk, "Quasioptical Phonon-Cooled NbN Hot-Electron Bolometer Mixer at THz Frequencies," Proceedings of the 7th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, VA, 1996.

3. E.Gerecht, C.F.Musante, Z.Wang, K.S.Yngvesson, E.R.Mueller, J.Waldman, G.N.Gol'tsman, B.M.Voronov, S.I.Svechnikov, S.I.Cherednichenko, P.A.Yagoubov, E.M.Gershenzon: "Optimization of Hot Electron Bolometer Mixing Efficiency ill NbN at 119 Micrometer Wavelength," Proceedings of the 7th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, VA, 1996.

4. P.Yagoubov, G.Gol'tsman, B.Voronov, L.Seidman, V.Siomash, S.Chercdnichenko, and E.Gershenzon. "The Bandwidth of HEB Mixers Employing Ultrathin NbN Films on Sapphire Substrate," Proceedings of the 7th International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, VA, 1996.

5. A.D.Semenor, Yu.P.Gousev, R.S.Nebosis, K.F.Renk, P.Yagoubov, B.M.Voronov, G.N.Gol'tsman, V.D.Syomash, and E.M.Gershenzon, "Heterodyne detection of THz radiation with a superconducting hot-electron bolometer mixer," Applied Physics Letters, 69(2), 8 July 1996.

6. S.Svechnikov, G.Gol'tsman, B.Voronov, P.Yagoubov, S.Cherednichenko, E.Gershenzon, V.Belitsky, H.Ekstrom, E.Kollberg, A.Semenov, Yu.Gousev, and K.Renk, "Spiral Antenna NbN Hot-Electron Bolometer Mixer at Submm Frequencies," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, v. 7, No. 2, June 1997.

7. E.Gerecht. C.F.Musante, Z.Wang, S.Yngvesson, E.R.Mueller, J.Waldman, G.N.Gol'tsman, P.A.Yagoubov, S.I.Svechnikov, O.V.Okunev, B.M.Voronov, S.I.Chcrednichenko, and E.M.Gershenzon, "Log-periodic Antenna/Lens Coupled NbN Hot Electron Bolometric Mixer For 2.5 THz," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, v. 7, No. 2, June 1997.

8. S.I.Svechnikov, O.V.Okunev, P.A.Yagoubov, G.N.Gol'tsman, B.M.Voronov, S.I.Cherednichenko, E.M.Gershenzon, E.Gerecht, C.F.Musante, Z.Wang, and S.Yngvesson, "'2.5 THz NbN Hot Electron Mixer With Integrated Tapered Slot Antenna," IEEE Transactions on Applied Superconductivity, v. 7, No. 2, June 1997.

9. H.Ekstrom, E.Kollberg, P.Yagoubov, G.Gol'tsman, E.Gershenzon, and S.Yngvesson, "Phonon- cooled Ultrathin NbN Hot Electron Bolometer Mixers at 660 GHz," Proceedings of the 8th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, 1997.

10. S.Cherednichenko, P.Yagoubov, K.Il'in, G.Gol'tsman, and E.Gershenzon, "Large Bandwidth of NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixers on Sapphire Substrates," Proceedings of the 8th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, 1997.

11. E.Gerecht, C.F.Musante, Z.Wang, K.S.Yngvesson, J.Waldman, G.N.Gol'tsman, P.A.Yagoubov, S.Svechnikov, O.V.Okunev, B.M.Voronov, S.I.Cherednichenko, and

E.M.Gershenzon, "NbN Hot-Electron Bolometric Mixer for 2.5 THz : the Phonon-Cooled Version," Proceedings of the 8th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, 1997.

12. H.Ekstrom, E.Kollberg, P.Yagoubov, G.Gol'tsman, E.Gershenzon, and S.Yngvesson, "Gain and Noise Bandwidth of NbN Hot Electron Bolometric Mixers," Applied Physics Letters, 70(24), 16 June 1997.

13. M.Kroug, P.Yagoubov, G.Gol'tsman and E.Kollberg, "NbN Quasioptical Phonon Cooled Hot Electron Bolometric Mixers at THz Frequencies," Presented at the 3rd. European Conference on Applied Superconductivity, Veldhoven, Netherlands, 1997.

1. B.L.Altshuler, A.G.Aronov, "Electron-electron interaction in disordered conductors," Modern problems in condensed matter science, Ed. A.LJEfros, M.Pollas, North-Holland Co., Amsterdam, pp.1-153,1985.

2. Ю.М.Рейзер, А.В.Сергеев, "Электрон-фононное взаимодействие в примесных металлах и сверхпроводниках," ЖЭТФ, т.90, №3, стр. 1056-1090, 1986.

3. D.E.Prober, "Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer," Appl.Phys.Lett, vol.62, pp.2119-2121,1993.

4. Yu.Gousev, G.N.Gol'tsman, A.D.Semenov, E.M.Gershenzon, R.S.Nebosis, MA.Heusinger, and K.F.Renk, "Broadband Ultrafast Superconducting NbN Detector for Electromagnetic Radiation," J.AppLPhys. 75(7), pp.3695-3697,1994.

5. G.N.Gol'tsman, A.D.Semenov, Yu.P.Gousev, M.A.Zorin, I.G.Goridze, E.M.Gershenzon, P.T.Lang, W.J.Rnot, and K.F.Renk, "Sensitive Picosecond NbN Detector for Radiation from Millimeter Wave Lenght to Visible Light," Superconductors: Science and Technology, vol.4, pp.453-456, 1991.

6. E.M.Gershenzon, G.N.Gol'tsman, I.G.Goridze, Y.P.Gousev, A.I.Elant'tev, B.S.Karasik, and A.D.Semenov, "Millimeter and sub millimeter range mixer based on electronic heating of superconducting films in the resistive state, " Sov. Phys. Superconductivity, vol.3, pp. 15821597,1990.

7. B.S.Karasik and A.I.Elant'tev, "Noise Temperature limit of a Superconducting Hot Electron Bolometer Mixer," App.Phys.Lett, vol.68, pp.853-855,1996.

8. H.Ekstrom, B.Karasik, E.Kollberg, and S.K,Yngvesson, "Conversion Gain and Noise of Nb Superconducting Hot Electron Mixers," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.43, pp.938-947,1995. •

9. G.N.Gol'tsman, B.S.Karasik, O.V.Okunev, A.L.Dzardanov, EJM.Gershenzon, H.Ekstrom, SJacobsson, and E.Kollberg, "NbN Hot Electron Superconducting Mixer for 100 GHz Operation," IEEE Trans. Appl. Supercond, 5 March 1995.

10. H.Ekstrom, B.Karasik, E.KoUberg, G.Gol'tsman, and E.Gershenzon, "350 GHz NbN hot electron bolometer mixer," presented at 6th Int. Symp. on Space. Terahertz Technology, Pasadena, 1995.

11. N.Perrin and C.Vanneste, "Response of superconducting films to a periodic optical irradiation," Phys. Rev. B, vol.28, pp.5150-5159,1983.

Литература