Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2D полупроводниковых гетероструктурах при поглощении излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ли'.иив^т'! «нституг им. П. Н. Лебедева РАН

005531295 На правах рукописи

СМИРНОВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2Б полупроводниковых гетероструктурах при поглощении излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2013

Москва, 2013 г.

(

005531295

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет»

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Кошелец Валерий Павлович

(Институт радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН)

доктор физико-математических наук, профессор Снигирев Олег Васильевич

(Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)

доктор физико-математических наук, профессор Рязанов Валерий Владимирович

(Институт физики твердого тела РАН)

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики РАН

Защита диссертации состоится " (2013 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 002.023.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию эффектов электронного разогрева излучением широкого частотного диапазона — от видимого до дальнего инфракрасного (ИК) и энергетической релаксации носителей тока в наноструктурах, созданных на основе тонких сверхпроводниковых пленок ЫЬИ и в полупроводниковых гетероструктурах АЮаАзЛЗаАз. Общность направлений исследований состоит в изучении особенностей неравновесных процессов в сверхпроводниковых и полупроводниковых структурах с использованием схожих методов и подходов, в выявлении и демонстрации влияния технологии создания структур на исследуемые процессы, а также направленностью исследований на создание практических устройств — рекордных по характеристикам детекторов видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного излучений.

Составной частью исследования является разработка планарной тонкопленочной технологии №>К структур нанометрового масштаба, включающая процессы осаждения и структурирования тонких пленок сверхпроводников, изучение структурных и сверхпроводящих свойств пленок, выявление влияния отдельных технологических операций на качество NbN пленок, характеристики структур и детекторов на их основе.

Актуальность исследования определяется получением принципиально новых знаний об особенностях взаимодействия излучения широкого частотного диапазона с полупроводниковыми и сверхпроводниковыми структурами нанометрового масштаба, последующем электронном разогреве и энергетической релаксации носителей тока, и использованием нового знания для создания высокочувствительных и быстродействующих детекторов.

Развитие практических применений сверхпроводников осуществляется в двух основных направлениях: сильноточные и слаботочные применения. Основными сильноточными применениями сверхпроводников являются разработки индуктивных и кинетических накопителей токов, токоограничителей, генераторов, электрических двигателей, трансформаторов, магнитных систем для магниторезонансных томографов. Среди слаботочных применений сверхпроводниковой электроники, прежде всего, необходимо выделить работы, связанные с развитием Джозефсоновских переходов и основанных на них СКВИД-технологий (СКВИД - сверхпроводниковый квантовый интерферометр), нашедших применение в измерениях предельно малых токов, напряжений и изменений магнитного потока, а также в СИС -

смесителях (переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) терагерцового диапазона частот. На основе сверхпроводников был создан квантовый эталон напряжения, а также множество пассивных элементов СВЧ электроники: линии задержек, полосовые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, переключатели, миниатюрные приемные и передающие антенны.

Практическая направленность исследования процессов разогрева и релаксации электронов в тонкопленочных NbN структурах излучением диапазона -100 ГГц - 30 ТГц, представленного в настоящей работе, также состоит в создании и оптимизации устройств сверхпроводниковой электроники -смесителей и болометров терагерцового диапазона, обладающих рекордными значениями шумовой температуры, полосы преобразования, быстродействия, оптимальной мощности гетеродинного источника. Развитие этого направления использования сверхпроводников связано с открытием эффекта электронного разогрева в сверхпроводниковых пленках [1], а также с созданием первых приемников излучения на основе сверхпроводниковых микроструктур [2]. В настоящее время сверхпроводниковые терагерцовые смесители успешно применяются во многих проектах радиоастрономии, т.к. терагерцовое излучение составляет около половины регистрируемой яркости галактик.

Другим перспективным направлением использования приемников терагерцового диапазона является разработка систем безопасности: обнаружение скрытых объектов в корреспонденции, багаже, а также на теле человека; разработка систем скрытой связи на расстояния в несколько единиц и десятков километров. Для реализации пассивного режима работы систем безопасности необходимы чувствительные и быстродействующие детекторы, например, такие, как сверхпроводниковые и АЮаАзЛЗаАз смесители и болометры, работающие на эффекте электронного разогрева.

Процессы энергетической релаксации электронного газа в полупроводниковых гетероструктурах также являются одним из ключевых знаний при создании большинства приборов полупроводниковой электроники — современных транзисторов, СВЧ элементов, лазеров, диодов, фотоэлементов и пр. Уже первые применения полупроводниковых гетеропереходов позволили значительно улучшить параметры устройств основанных на объемных полупроводниках. Вместе с тем, процессы энергетической релаксации в полупроводниках пониженной размерности, протекающие в условиях пространственного квантования энергии носителей заряда, существенно

отличаются от случая объемных полупроводников и нуждаются в дополнительном и детальном исследовании.

Не менее важным направлением использования сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктур, является создание на их основе однофотонных приемников ИК диапазона. Экспериментально открытый, с участием автора настоящего исследования, эффект детектирования одиночных фотонов узкими сверхпроводниковыми полосками позволил создать принципиально новый класс однофотонных детекторов по совокупности параметров на много порядков величины превосходящий существующие аналоги. Перспективность использования сверхпроводниковых однофотонных детекторов уже была подтверждена экспериментально в оптической томографии [3], в бесконтактном методе анализа микросхем [4], в квантово-оптической коммуникации и в квантовой криптографии [5,6], для корреляционного счета фотонов [7]. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы перспективны для использования и в других применениях - для исследования однофотонных излучателей, в спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона, для создания сетей с непрерывно распределенными датчиками в сейсмологии и системах безопасности, в LIDAR технологиях и пр.

Цель работы - исследование взаимодействия излучения видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазонов со сверхпроводниковыми и полупроводниковыми структурами пониженной размерности нанометрового масштаба; изучение неравновесных процессов электронного разогрева и энергетической релаксации в таких структурах; разработка методов регистрации и создание высокочувствительных и быстродействующих детекторов и приемников на их основе излучений видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазонов с использованием тонкопленочных сверхпроводниковых и полупроводниковых структур пониженной размерности.

Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать технологию осаждения ультратонких сверхпроводниковых NbN пленок, обладающих высокими значениями температуры сверхпроводящего перехода; разработать технологию структурирования тонких пленок NbN, с характерными планарными размерами в несколько десятков нанометров, а также с сохранением высоких значений температуры сверхпроводящего перехода, наличием высоких плотностей критического тока и эффективной контактной металлизации.

2. Провести экспериментальное исследование процесса взаимодействия одиночных фотонов видимого и ближнего инфракрасного диапазонов со

сверхпроводниковыми тонкими и узкими полосками, находящимися при температуре, ниже температуры сверхпроводящего перехода и в условиях, когда по сверхпроводниковой структуре протекает постоянный ток смещения, близкий к критическому току. Исследовать возможность обнаружения одиночных фотонов тонкопленочными структурами.

3. Экспериментально исследовать особенности взаимодействия одиночных фотонов видимого и ближнего инфракрасного излучений со сверхпроводниковыми тонкопленочными наноструктурами на основе NN4: вероятности поглощения и возникновения импульса напряжения на концах сверхпроводниковой полоски, вероятности темновых срабатываний сверхпроводниковой наноструктуры, временные параметры взаимодействия -динамику релаксации сверхпроводника после поглощения фотона к равновесному состоянию при заданной температуре, временную стабильность возникновения нарушения сверхпроводимости в ТЧЬИ полоске при поглощении фотона; реализовать эффективное согласование сверхпроводниковой наноструктуры с излучением ближнего инфракрасного диапазона.

4. Исследовать особенности поглощения терагерцового излучения полупроводниковыми структурами пониженной размерности на основе одиночных гетеропереходов АЮаАв/ОаАз и динамику процессов дальнейшей энергетической релаксации электронов, в том числе, при влиянии магнитного поля, перпендикулярного гетеропереходу, в широком диапазоне температур 4.277 К и при различных концентрациях двумерного электронного газа. Экспериментально исследовать возможность создания на основе гетеропереходов АЮаАвЛлаАв приемников терагерцового излучения.

5. Исследовать процессы энергетической релаксации электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных ЫЬЫ наноструктурах при их разогреве излучением терагерцового диапазона Изучить и экспериментально реализовать эффективное согласование сверхпроводниковых структур с терагерцовым излучением в диапазоне 0.3-30 ТГц; исследовать возможность создания быстродействующих и чувствительных сверхпроводниковых приемников терагерцового диапазона.

В работе использовались следующие методы исследования:

- осаждение, исследование тонких сверхпроводниковых пленок ЫЫЧ, создание сверхпроводниковых наноструктур: метод магнетронного осаждения металлических пленок, метод резистивного и электронно-лучевого испарения, фотолитография, электронная литография, метод плазмохимического,

химического и ионного травлений, электронная просвечивающая микроскопия, рентгенодифракционный анализ;

- экспериментальное изучение особенностей взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения со сверхпроводниковыми тонкопленочными NbN наноструктурами, смещенными током, близким к критическому току: исследование квантовой эффективности процесса взаимодействия одиночных фотонов со сверхпроводниковыми наноструктурами путем измерения падающей мощности и подсчета импульсов напряжения на NbN структуре, метод измерения шумовых характеристик NbN структур, метод определения временного разрешения в субнаносекундном диапазоне;

- исследование взаимодействия NbN структур с излучением терагерцового диапазона частот: метод измерения релаксации сигнала фотопроводимости в миллиметровом/субмиллиметровом диапазоне волн, методы измерения шумовых и спектральных характеристик, метод определения вклада изменения физической температуры структуры в возникновение сигнала фотопроводимости при смешении NbN структурой терагерцового излучения источников с близкими частотами;

изучение эффектов электронного разогрева в AlGaAs/GaAs гетероструктурах и исследование возможностей создания на их основе приемников терагерцового диапазона: метод определения концентрации двумерных носителей заряда по осцилляциям Шубникова-де Гааза, метод миллиметровой спектроскопии, методы определения собственных потерь преобразования AlGaAs/GaAs структуры.

Все исследования проводились при криогенных температурах в диапазоне 1.6-77 К с использованием жидких хладореагентов (азот и гелий), а также при использовании рефрижераторов замкнутого цикла.

В работе были получены новые научные результаты:

1. Экспериментально обнаружено новое физическое явление перехода в нормальное состояние NbN тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктур, находящихся при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенных транспортным током, близким к критическому току, при поглощении одиночных фотонов видимого и ИК излучения. Экспериментально исследованы особенности такого перехода и определены характерные времена динамики разогрева и дальнейшей релаксации электронов в NbN наноструктурах при поглощении одиночных фотонов. Обнаруженный эффект позволил создать базу для дальнейших исследований

взаимодействия одиночных фотонов средней и дальней РЖ области спектра со сверхпроводниковыми тонкопленочными наноструктурами, а также является основой при создании нового класса однофотонных детекторов ближнего ИК диапазона, значительно превосходящих существующие аналоги.

2. Исследованы особенности взаимодействия излучения терагерцового диапазона со сверхпроводниковыми ЫЬЫ наноструктурами. Определены времена энергетической релаксации электронов при их разогреве излучением дальней ИК области для структур различной толщины и созданных на различных диэлектрических подложках и с использованием дополнительных согласующих слоев. Созданы структуры, для которых время энергетической релаксации, осуществляемой за счет электрон-фононного взаимодействия, является рекордно малым.

3. Исследованы процессы роста на диэлектрических подложках ультратонких (до 2 нм) сверхпроводниковых пленок и формирования на их основе планарных структур нанометрового масштаба; разработана технология тонкопленочных №>К структур с характерными размерами в несколько десятков нанометров с основными сверхпроводящими характеристиками, близкими к их значениям в объемном материале. Разработанная технология включает создание к сверхпроводниковым наноструктурам контактной металлизации с предельно малым значением контактного сопротивления, а также разработку топологии основанных на КГЬК структурах приемников терагерцового и инфракрасного диапазонов, обладающих рекордными значениями чувствительности и быстродействия.

4. Впервые методом миллиметровой спектроскопии в квазиравновесных условиях измерено время энергетической релаксации те 2Б электронного газа гетероструктур АЮаАз/ваАз в широком интервале температур, а также при влиянии магнитного поля, перпендикулярного поверхности гетероперехода и в зависимости от концентрации двумерных электронов. Выделены температурные интервалы доминирования различных механизмов релаксации 2Т> электронов АЮаАэ/ОаАз гетероструктур с участием акустических и оптических фононов; определен вклад в темп энергетической релаксации 20 электронов в магнитном поле переходов носителей заряда внутри последнего занятого уровня Ландау и межуровневых переходов.

5. На основе изученных процессов разогрева и энергетической релаксации носителей заряда в сверхпроводниковых тонкопленочных ЫЬЫ наноструктурах и 2D гетеропереходах АЮаАз/СаАз разработаны, созданы и исследованы

высокочувствительные и быстродействующие приемники инфракрасного и терагерцового диапазонов:

- Впервые создан однофотонный детектор видимого, ближнего и среднего инфракрасного диапазонов на основе ультратонких сверхпроводниковых пленок NN4; экспериментально исследованы его основные характеристики: квантовая эффективность, временное разрешение, максимальная скорость счета, предельно достижимый уровень темновых срабатываний, влияние на вероятность темнового счета засветки фоновым излучением. Созданные однофотонные детекторы по совокупности параметров значительно превосходят ближайшие аналоги - полупроводниковые лавинные диоды и фотоэлектронные умножители;

Разработаны, созданы и экспериментально исследованы сверхпроводниковые ИЬЫ смесители терагерцового диапазона (0.7-30 ТГц) с фононным каналом охлаждения горячих электронов, обладающих рекордными значениями шумовой температуры, полосы преобразования, оптимальной мощности гетеродинного источника;

- На основе АЮаАБЛЗаАз гетероструктур созданы и исследованы смесители терагерцового диапазона волн с фононным каналом охлаждения горячих электронов. Определены основные характеристики смесителей — внутренние потери преобразования, шумовая температура, полоса преобразования, оптимальная мощность гетеродинного источника.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Нарушение сверхпроводимости по всему сечению сверхпроводника, охлажденного ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенного током, близким к критическому току 1С при заданной температуре, возможно при поглощении одиночного фотона излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. В случае использования сверхпроводниковой пленки NbN толщиной 4 нм и шириной -100 нм с критической температурой ~11К нарушение сверхпроводимости при поглощении одиночного фотона происходит при смещении сверхпроводниковой полоски током /~0.9-0.95 /с; при одновременном поглощением двух или трех фотонов нарушение сверхпроводимости происходит при /~0.81С и 0.6-0.651С соответственно.

2. Вероятность нарушения сверхпроводимости в сечении сверхпроводниковой полоски при поглощении одиночного фотона видимого и инфракрасного диапазонов определяется максимальным

отклонением ширины сверхпроводниковой полоски от его среднего значения, и для лучших структур составляет 95-100 %.

3. Время восстановления сверхпроводимости и временная нестабильность момента нарушения сверхпроводимости в полоске при поглощении одиночного фотона видимого и инфракрасного диапазона, зависят от геометрии

сверхпроводниковой полоски: время восстановления сверхпроводимости определяется кинетической индуктивностью сверхпроводниковой полоски, временная нестабильность момента нарушения сверхпроводимости зависит от тока, протекающего через сверхпроводник и длины сверхпроводниковой полоски; для сверхпроводниковой полоски длиной 250 мкм, изготовленной из NbN пленки толщиной 4 нм, шириной -100 нм и критическим током более 20 мкА время восстановления сверхпроводимости составляет 10 не, нестабильность момента нарушения сверхпроводимости - менее 50 пс.

4. Время энергетической релаксации горячих электронов с фононным каналом охлаждения в тонких сверхпроводниковых пленках определяется акустическим согласованием на границе пленка-подложка и для пленки МЬЫ толщиной 2 нм, осажденной на подложке с согласующим слоем толщиной 200 нм, составляет рекордное значение - 34 пс; время энергетической релаксации горячих электронов с фононным каналом охлаждения для пленок

на кварцевой подложке с буферным слоем толщиной 200 нм

составляет 43 пс.

5. В интервале температур 4.2 К.<Те<11 К в гетероструктурах АЮаАБ/ОаАв время энергетической релаксации двумерных носителей определяется электронной температурой и не зависит от температуры кристаллической решетки. В гетероструктурах АЮаАзЛЗаАз с концентрацией носителей «5—4.2-1011 см2 в области электронных температур 10 К<Г<21 К преобладает релаксация энергии электронов на деформационном потенциале с характерным временем те=0.6 не, не зависящем от электронной температуры; рассеяние на оптических фононах проявляется при электронных температурах 7>25 К.

6. Вследствие квантования энергии электронов в гетероструктурах АЮаАз/СаАэ с концентрацией электронов я,<,—5.2-1011 см2 при температуре Г=4.2 К и в магнитном поле Д~1 Тл, перпендикулярном 2П плоскости, скорость энергетической релаксации уменьшается на порядок по сравнению со случаем В= 0; в магнитных полях больших 1 Тл скорость энергетической релаксации осциллирует, подобно осцилляциям сопротивления Шубникова-де Гааза; в

области больших магнитных полей (фактор заполнения у<4) энергетическая релаксация осуществляется за счет электрон-фононных переходов внутри уровня Ландау; вклад электрон-фононных переходов между уровнями Ландау проявляется в области магнитных полей соответствующих у>4.

7. Зависимость времени энергетической релаксации двумерных электронов те гетероструктур АЮаАз/СаАБ с концентрациями электронов в диапазоне щ= 1.6-6.6 -10п см2 при температуре 4.2 К подчиняется соотношению вида те □ а, ■ , где а, «1.4-10"15 и не зависит от подвижности двумерных электронов.

8. Системная квантовая эффективность Ш однофотонных детекторов ограничена величиной оптического согласования детектора с излучением и поглощением излучения сверхпроводниковой наноструктурой; лучшие значения системной квантовой эффективности для детекторов, интегрированных со стандартным одномодовым волокном, составляют 45 % и 35 % на длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм соответственно.

9. Минимальный уровень темнового счета системы на основе ММ однофотонных детекторов диапазона 1.26-1.55 мкм, использующей стандартное кварцевое одномодовое волокно, определяется фоновой засветкой в среднем ИК диапазоне; фильтрация фонового излучения позволяет достичь уровня темнового счета системы, работающей при 2 К, до значений менее 1 отсчета в секунду. Уровень темновых отсчетов сверхпроводниковых однофотонных ]ч!ЬЫ детекторов в условиях полной экранировки детектора от внешнего излучения определяется температурными флуктуациями и при рабочей температуре 2 К не превышает 10'4 отсчетов в секунду.

10. Рекордные характеристики разработанных смесителей терагерцового диапазона на основе тонких пленок ММ составляют: шумовая полоса смесителей на основе пленки МЬЫ, осажденной на подложке 81 с согласующим слоем МйО - 5.2 ГГц; шумовая температура смесителя, интегрированного с планарной спиральной антенной - 370 К, 1300 К, 3100 К на частоте гетеродинного источника 0.7 ТГц, 2.5 ТГц, 3.8 ТГц соответственно; шумовая температура ММ смесителя с использованием прямого согласования излучения со смесителем - 3100 К на частоте гетеродинного источника 30 ТГц.

11. В терагерцовой области частот внутренние потери преобразования и оптимальная мощность гетеродинного источника смесителей на основе гетероструктур АЮаАБ/ОаАз уменьшаются при увеличении подвижности

двумерных носителей заряда. Для смесителя на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, работающего при температуре 77 К, с подвижностью электронов /^2.3-Ю5 см2/В-с и концентрацией «s=3.0-10n см'2 значение внутренних потерь преобразования составляет 13 дБ, значение оптимальной мощности гетеродинного источника приходящейся на 1 мкм2 чувствительной области составляет 200 нВт.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования и современного оборудования, согласием полученных данных с теоретическими и экспериментальными исследованиями других ведущих научных групп, согласованностью результатов, получаемых при проведении пошагового исследования на всех этапах работ, а также успешной работой и коммерциализацией практических устройств, созданных с использованием результатов проведенных исследований.

Практическая значимость работы

Большинство полученных результатов имеют ярко выраженную практическую направленность; часть полученных результатов уже были успешно применены на практике.

1. Разработка технологии ультратонких пленок NbN и смесителей терагерцового диапазона на их основе позволила создать приемники излучения, успешно работающие на нескольких современных радиотелескопах, например, в обсерватории космического базирования HERSHEL, выведенной на орбиту в 2009 году. Смесители терагерцового диапазона, как коммерческий продукт компании CKOHTEJI, созданной при непосредственном участии автора настоящей работы, были поставлены научной группе Чалмерского университета (Швеция), работающей над созданием приемника для телескопа наземного базирования APEX (the Atacama Pathfinder Experiment).

2. На основе полученных фундаментальных представлений о механизмах взаимодействия сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктур с излучением терагерцового диапазона, компанией CKOHTEJI были разработаны и в настоящее время успешно коммерциализуются терагерцовые болометры частотного диапазона 0.1-70 ТГц.

3. На основе открытого эффекта детектирования сверхпроводниковыми полосками одиночных ИК фотонов компанией CKOHTEJI созданы несколько типов приемников одиночных фотонов диапазона 0.8-2 мкм. Эти приемники нашли применение в более чем ста ведущих научно-исследовательских центрах,

институтах, университетах, крупных коммерческих компаниях во многих странах Европы, а также в США, Японии, Канаде, Израиле, Китае.

4. Изученные в работе особенности взаимодействия излучения терагерцового диапазона с полупроводниковыми двумерными структурами позволили создать на основе одиночных гетеропереходов AlGaAs/GaAs гетеродинные детекторы дальнего инфракрасного диапазона, работающие при азотной температуре и имеющие высокое быстродействие.

Апробация результатов

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях: III, V Всероссийской конференции по физике полупроводников "Полупроводники '97", Москва, Россия, (1997), Нижний Новгород, Россия, (2001); International semiconductor device research symposium, Charlottesville, USA, (1997); the 24th International Conference on the Physics of Semiconductors, Jerusalem, Israel, (1998); Applied Superconductivity Conference, Virginia Beach, USA, (2000); the 12th, 13th, 14th, 15th, 16th, 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, San Diego, USA, (2001), Cambridge, MA, USA, (2002), Arizona, USA, (2003), Northampton, Massachusetts, USA, (2004), Gothenburg, Sweden, (2005), Paris, France, (2006); Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar "Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology", St. Petersburg, Russia, (2002); the 26th International Conference on the Physics of Semiconductors, Edinburgh, Scotland, UK, (2002); International Quantum Electronic Conference, Moscow, Russia, (2002); VIII Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, Московская область, Россия, (2002); Applied Superconductivity Conference, Houston, Texas, USA, (2002), Jacksonville, USA, (2004); International Symposium Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow, Russia, (2002); International Workshop on Superconducting Nano-Electronic Devices, New York, USA, (2002); International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, Moscow, Russia, (2002), Espoo, Finland, (2003), St. Petersburg, Russia, (2005); 6th European conference on applied superconductivity, Sorrento Napoli, Italy, (2003); Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию», Москва, Россия, (2003); Шестой Российской конференции по физике полупроводников, Санкт-Петербург, Россия, (2003); the 10th International Workshop on Low Temperature Detectors, Genoa, Italy, (2003); Пятой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и

полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия, (2003); the 11th International Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, St. Petersburg, Russia, (2004); 3-ей Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, Россия, (2004); Десятой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10), Москва, Россия, (2004); the Fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves (MSMW'04), Kharkov, Ukraine, (2004); Международной научно-практической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения", Москва, Россия, (2004); the 29th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Karlsruhe, Germany, (2004); 1-ой международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Москва - Звенигород, Россия, (2004); Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры», Москва, Россия, (2004); SPIE Symposium of Optoelectronics, San Jose, California, USA, (2005); International Congress on Optics and Optoelectronics, Warsaw, Poland, (2005); the 9th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics, Orlando, Florida, USA, (2005); V Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика 2005», Москва, Россия, (2005); the MRS Conference, Nice, France, (2006); 16 Международной Крымской Конференции «Крымико 2006», Севастополь, Украина, (2006); XI, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI Международном Симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, (2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); 8-ом Украинско-Российском семинаре «Нанофизика и Наноэлектроника», Киев, Украина, (2007);

VIII Российской конференции по физике полупроводников, Екатеринбург, Россия, (2007); Advanced Research Workshop "Fundamentals of electronic nanosystems, St. Petersburg, Russia, (2008); 14й Всероссийской научной конференции студентов - физиков и молодых ученых, Уфа, Россия, (2008); the 12th International Workshop on Low Temperature Detectors, Paris, France, (2008);

IX Российской конференции по физике полупроводников, Новосибирск - Томск, Россия, (2009); 20ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Украина, (2010); Зей Международной научной конференции «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники», Харьков, Украина, (2010); XVI Международной научно-техническая конференция "Радиолокация. Навигация.

Связь", Воронеж, Россия, (2010); the 7th International Conference on Photonics, Devices and System, Prague, Czech Republic, (2011).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 135 работах, из которых: 43 статьи в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, 4 статьи в других журналах, 88 докладов на международных и российских конференциях с публикацией тезисов докладов.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертационная работа изложена на 340 страницах, включая 86 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 338 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обоснована ее актуальность, представлены защищаемые положения, научная новизна, выбор объектов, методов исследования, практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию процессов разогрева носителей заряда в сверхпроводниковых и полупроводниковых структурах пониженной размерности, а также исследованию детектирования излучения ближнего и дальнего ИК диапазонов полупроводниковыми и сверхпроводниковыми структурами, в том числе, в режиме счета одиночных фотонов. Приведен сравнительный анализ различных видов детекторов терагерцового диапазона и счетчиков фотонов ближнего ИК излучения.

В параграфе 1.1. рассмотрен эффект электронного разогрева в тонкопленочных сверхпроводниковых NbN наноструктурах излучением ближнего ИК диапазона и основные типы, принципы работы и наиболее перспективные области использования детекторов одиночных фотонов указанного диапазона. Особое внимание уделено сверхпроводниковым однофотонным детекторам (Superconducting Single Photon Detector - SSPD), являющимся предметом настоящего исследования. Представлено детальное сравнение характеристик различных типов детекторов и показано, что SSPD детекторы по многим отдельным характеристикам превосходят существующие аналоги, а по интегральному параметру качества Н превосходят ближайших конкурентов на несколько порядков величины.

В параграфе 1.2 рассмотрены работы по исследованию энергетической релаксации электронов в полупроводниковых AlGaAs/GaAs гетероструктурах;

представлены основные механизмы релаксации и положения теории электрон-фононного взаимодействия в АЮаАэ/ОаАз гетероструктурах; рассмотрены результаты по созданию АЮаАБ/ОаАв смесителя терагерцового диапазона.

Выделены работы [8,9] в которых приводится наиболее подробный теоретический анализ электрон-фононного взаимодействия в двумерных АЮаАз/СаАэ системах и показано, что мощность энергетических потерь

приходящихся на один электрон подчиняется зависимостям: <2РЛ ~ Г/ в области малоуглового рассеяния и преобладания пьезоакустического (РА) взаимодействия; 0~Те при повышении температуры и переходе к сосуществованию РА и деформационного (БА) рассеяния. Авторы [10] для области ОА рассеяния получают другую зависимость <2 ~ (Г/ -Ту), где у= 2. В [11] показано, что при температурах Т>50 К ЭА рассеяние заменяется рассеянием на полярных оптических фононах.

В магнитном поле, перпендикулярном поверхности гетероперехода, энергетическая релаксация электронов может осуществляться, как за счет переходов между уровнями Ландау, так и внутри уровней. Скорость энергетической релаксации при внутриуровневой релаксации возрастает при электрон-фононных переходах, происходящих в области энергий, соответствующих большой плотности состояний и минимальна, когда еР попадает в область локализованных состояний. В магнитном поле также изменяется спектр фононов, участвующих в электрон-фононном взаимодействии.

При измерении энергетических потерь как функции электронной температуры Те, в условиях сильного разогрева, для определения те приходится прибегать к численному дифференцированию, которое вносит погрешность (~20%) и из рассчитанных данных трудно получить температурную зависимость те. При температурах 1>40 К измерения те были осуществлены авторами [12]. Эти измерения показали, что при Т>40 К преобладает рассеяние на оптических фононах. Прямым методом, из измерений релаксации фотоотклика в миллиметровом диапазоне волн, были определены времена релаксации двумерных носителей в АЮаЛз/СаАз гетероструктурах авторами [13]. Показано, что при Т<3 К те обратно пропорционально электронной температуре, что указывает на преобладание РА механизма электрон-фононного взаимодействия; в области Т>4.2 К время энергетической релаксации слабо зависит от температуры (БА рассеяние). Область температур, с участием

оптических фононов, в данных работах не рассматривается. Также в литературе отсутствуют результаты прямых измерений времен энергетической релаксации электронов AlGaAs/GaAs гетероструктур в магнитном поле.

Одни из первых AlGaAs/GaAs смесители имели полосу преобразования в 1.7 ГГц на частоте гетеродинного источника 94 ГГц. Авторами [14] была измерена полоса преобразования AlGaAs/GaAs смесителя в 3.7 ГГц (Те=77 К). Позже авторами [15] при реализации диффузии горячих электронов в контакты была измерена полоса преобразования равная 20.8 ГГц (Т=77 К) на частотах 115140 ГГц. Измеренные внутренних потери преобразования L AlGaAs/GaAs смесителей составили: ¿=18 дБ, при рабочей температуре 20 К [16], L= 19±1дБ при Т=77 К [15].

В параграфе 1.3. рассмотрены результаты работ по исследованию взаимодействия терагерцового излучения с сверхпроводниковыми тонкопленочными структурами и опыт создания гетеродинных приемников терагерцового излучения на основе переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) и смесителей на основе эффекта электронного разогрева в тонких пленках NbN (HEB смесители). Показано, что в области частот 1001200 ГГц рекордными значениями чувствительности обладают СИС переходы; в области же частот >1200 ГГц лучшую чувствительность имеют HEB смесители. Значения шумовой температуры СИС приемников лишь в несколько раз превосходят значение квантового предела в частотном диапазоне 50-800 ГГц. СИС смесители имеют широкую полосу преобразования, составляющую несколько десятков ГГц и требуют малой мощности гетеродинного источника -порядка 1 мкВт и менее. Недостатком СИС смесителей является принципиальное ограничение верхней границы рабочего частотного диапазона величиной 2A/h, где А - величина энергетической щели используемого сверхпроводника. У Nb, на основе которого реализовано большинство СИС переходов, А/А «740 ГГц (при Тс~9.2 К).

В диапазоне частот >1200 ГГц лучшую чувствительность в настоящее время имеют HEB смесители, характеристики которых, достигнутые различными научными группами до начала настоящего диссертационного исследования, составляли: шумовая температура — 560 К на частоте 0.84 ТГц [17], 3000 К, 4000 К, 5800 К на частотах 2.5 ТГц, 3.1 ТГц, 4.2 ТГц соответственно [18]; полоса преобразования — 4.3-4.8 ГГц [19, 20]; оптимальная мощность гетеродинного источника -0.5-1 мкВт [21]. Как правило, рекордные характеристики HEB смесителей были достигнуты разными научно-

исследовательскими группами, а, следовательно, были реализованы на физически разных образцах.

В заключении Главы I произведен выбор объекта исследования и сформулированы основные задачи.

Во второй главе приведены результаты исследования и разработки метода магнетронного осаждения тонких сверхпроводниковых пленок на различных диэлектрических подложках и результаты изучения свойств пленок методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгенодифракционного анализа. Также представлены результаты разработки технологии создания на основе тонких пленок структур с характерными нанометровыми пленарными размерами.

В параграфе 2.1 представлены результаты по разработке и оптимизации метода магнетронного осаждения тонких ЫЬЫ пленок. Основными исследуемыми параметрами метода являлись: возможность прецизионного контроля парциального давления азота при реализации режима стабилизации напряжения разряда и температура подложки. Осаждение тонких пленок было осуществлено на различные типы подложек и согласующих слоев: Бр, 81, М§0, 0, Б^Юз, 81/М80, ОЛ^О, 8р/М80. Основной целью исследования являлось создание временно-устойчивых предельно тонких ГЧЬЫ пленок с высокими значениями критической температуры сверхпроводящего перехода и плотности критического тока. В результате разработки и оптимизации метода магнетронного осаждения были получены сверхпроводниковые пленки ММ минимальной толщины 2.5 нм, имеющие значение критической температуры сверхпроводящего перехода >8 К и плотности критического тока 5-6-106 А/см2.

В параграфе 2.2 представлены разработанные методы структурирования сверхпроводниковых Ш пленок на основе электронной и фотолитографий, химического, плазмохимического и реактивного травления. При разработке технологии структур субмикронного размера одним из основных требований являлось сохранение основных сверхпроводящих характеристик Ш пленок на субмикронном масштабе. Принцип работы ББРО предполагал создание сверхпроводниковых полосок шириной около 100 нм с отклонением не превышающем 5 нм по всей длине полоски (-0.5 мм). Создание же смесителей терагерцового диапазона требовало минимизировать контактное сопротивление между сверхпроводником и контактной металлизацией. Проведенное исследование готовых структур показало определяющее влияние технологии изготовления на целый ряд ключевых характеристик устройств.

В параграфах 2.3 и 2.4 представлены результаты исследования ультратонких сверхпроводниковых пленок ИЬЫ методами электронной просвечивающей микроскопии и рентгенодифракционного анализа. Показано, что созданные сверхпроводниковые пленки являются поликристаллическими с характерным размером кристаллита 2-10 нм. Пленки ЫЬИ являются однофазными (определена сверхпроводящая фаза б-ШЫ), однородными по толщине, которая соответствует расчетной, определенной по времени осаждения сверхпроводника. Исходя из основных микроструктурных и сверхпроводящих характеристик тонких пленок ШЫ, определены оптимальные параметры осаждения М§0 буферного слоя (в случае использования подложки) -толщина и температура осаждения. Показано, что использование подслоя на подложке позволяет минимизировать время релаксации горячих электронов и достичь максимального быстродействия сверхпроводниковых приемников.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных методик и оборудования для исследования полупроводниковых и сверхпроводниковых структур.

Метод миллиметровой/субмиллиметровой спектроскопии был использован для определения времен энергетической релаксации электронов в гетероструктурах АЮаАзЛЗаАз и сверхпроводниковых наноструктурах, а также для измерения полосы преобразования НЕВ Ш смесителей. Метод основан на смешении излучения двух источников с близкими частотами и возникновении сигнала фотопроводимости в структурах на разностной частоте. При перестройке частоты одного из источников меняется и разностная частота. По частотной зависимости сигнала фотопроводимости определялись времена релаксации в гетероструктурах АЮаАзЛЗаАз, сверхпроводниковых наноструктурах и МЬЫ НЕВ смесителях.

Осцилляции Шубникова-де Гааза были использованы для нахождения концентрации двумерных электронов гетероструктур АЮаАзЛлаАБ и для оценки степени разогрева двумерных носителей подводимой мощностью. Измерения те в гетероструктурах было выполнено при полной поглощенной мощности находящейся в диапазоне 5-10"17 Вт/эл<Ре<Ы0"15 Вт/эл. Проведенные измерения те показали, что время энергетической релаксации не зависит от поглощенной мощности в указанном диапазоне, т.е. реализованные условия возможно считать квазиравновесными.

Для измерения шумовой температуры сверхпроводниковых НЕВ смесителей использовалась стандартная методика, основанная на определении

У-фактора. В качестве гетеродинного источника использовались лампы обратной волны, газовый лазер и лазер с СОг накачкой. В случае определения влияния эффекта прямого детектирования при работе НЕВ смесителя также измерялось изменение тока смещения детектора при смене нагрузок с различной температурой.

При измерениях диаграммы направленности и спектральных характеристик планарных антенн, интегрированных с сверхпроводниковыми НЕВ смесителями, был использован болометрический режим работы смесителя, при котором оптимальная рабочая точка на вольт-амперной характеристике структуры, соответствующая максимальной крутизне сверхпроводящего перехода (на зависимости Я(Т)), задавалась изменением температуры НЕВ смесителя.

Измерения поглощенной мощности гетеродинного источника смесителем, были выполнены в соответствии с изотермической методикой, предполагающей эквивалентность разогрева структуры поглощенной мощностью высокочастотного излучения и мощностью, поглощаемой при смещении структуры постоянным током, а также предполагающей, что сопротивление сверхпроводника определяется только электронной температурой. Выбирая на линии постоянного сопротивления точку с нулевой поглощенной мощностью ВЧ излучения (Р1О1=0), значение поглощенной мощности в другой точке может быть найдено из соотношения: Р[х:, = Р!Х, 2 + Рьог, где поглощенные мощности по постоянному току РОС1 и Р[х, 2 находятся по соответствующим значениям токов и напряжений.

Исследование особенностей взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения со сверхпроводниковыми тонкопленочными NbN наноструктурами, смещенными током, близким к критическому току, а также основных характеристик ББРЭ детекторов производилось по стандартным методикам определения квантовой эффективности, уровня темнового счета, быстродействия, временной нестабильности сигнала. В качестве источников излучения использовались импульсные лазеры с максимальной частотой следования импульсов 2 ГГц или аттенюированные источники непрерывного излучения, мощность которых составляла —1.3-13 пВт. Также были использованы серийно выпускаемые измерители мощности, контроллеры поляризации, усилители, быстродействующие осциллографы, счетчики электрических импульсов.

Все криогенные измерения были выполнены с использованием гелиевых криостатов (Г,„¡„=4.2 К), криорефрижераторов замкнутого цикла {Тты—3 К) или специально разработанных откачных вставок в гелиевые транспортные сосуды Дьюара, обеспечивающие минимальную температуру эксперимента 1.6 К.

В четвертой главе представлены результаты исследования разогрева электронов гетероструктур АЮаАвЛЗаАв излучением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов и последующей релаксации носителей заряда.

Полученная в условиях Qe<lO~l5 Вт или Т-Те<0.1 К зависимость времени энергетической релаксации гетероструктур АЮаАк/СаАя от температуры т е(Т) представлена на рисунке 1а. Интервал температур 4.2-10 К находится в переходной области сосуществования РА и ОЛ процессов рассеяния [13]. Существование предсказанного в теоретических работах перехода к линейной зависимости Qe~{Te-T) при повышении Т, что должно было бы означать увеличение те с ростом температуры, не согласуется как с результатами, полученными в настоящей работе, так и со всеми известными экспериментальными данными по Qe(Te). Наблюдаемое постоянство времени энергетической релаксации в интервале температур 10 К<Г<21 К соответствует, согласно [10], доминированию БА-процессов рассеяния. Значение времени релаксации, полученное в этой области, тВА=0.6 не, очень близко к оценке т

Рис. 1. а) Температурная зависимость времени энергетической релаксации электронов те гетероструктур АЮаАзЛЗаАв, измеренная в квазиравновесных условиях, б) Рассчитанные из экспериментальной зависимости Те(Т) энергетические потери, приходящиеся на один электрон для гетероструктуры АЮаАз/ОаАв с концентрацией Л5=510и см"2 и данные по ()е(Т) из работ: □ - [10], о - [23], Д - [24].

Высокотемпературный (Т>2\ К) интервал на зависимости те(Т), был связан с влиянием оптических фононов. Если те определяется рассеянием на оптических фононах, то его температурная зависимость должна определяться выражением:

ЪеР haL0 квТ Полученные данные действительно близки к описываемым указанной формулой при общепринятом значении hcoLo =36,5 мэВ.

Из ге можно рассчитать температурную зависимость энергетических потерь от электронной температуры (рис. 16). Здесь же нанесены экспериментальные данные, взятые из работ [10,23,24]. Хорошее соответствие значений Qe, полученных в условиях сильного разогрева постоянным электрическим током, и из расчета по значениям те, полученным в квазиравновесных условиях, показывает, что те действительно является функцией только электронной температуры. Отметим, что в температурной зависимости времени энергетической релаксации вклад оптических фононов проявляется в резком уменьшении те при 7>25 К (рис. 1а). В случае измерения Qe, влияние оптических фононов практически незаметно даже при Г~40 К.

Измерения при Г=4.2 К в квазиравновесных условиях зависимости те от концентрации ns двумерных электронов гетеро структур AlGaAs/GaAs представлены на рис.2. Теоретические зависимости те от концентрации

носителей заряда в случае рассеяния на деформационном rfA и пьезоэлектрическом терл потенциалах в соответствие с [9] есть: r/V." □ ссх-фГ, (при квТ «sj&ms\sF , где m - эффективная масса электрона, sx - скорость звука). Теоретическая зависимость с от, »1.4-10"15 представлена на рис. 2 сплошной линией и хорошо согласуется с полученными экспериментальными значениями. Расхождение представленных результатов с результатами других групп авторов объясняются влиянием магнитного поля и сильным разогревом электронного газа в методиках этих авторов.

На рис. 3 представлены результаты измерения г/1 (В) в диапазоне магнитных полей 0-3.6 Тл. Значительное уменьшение г/1 в магнитном поле мы связываем с изменением спектра фононов, участвующих в электрон-фононном взаимодействии. При В=0 в электрон-фононном взаимодействии участвуют фононы, волновой вектор которых ограничен в направлении, перпендикулярном

20-слою поперечными размерами слоя а0: ц±<Ма0, а в плоскости слоя д//<2кР. В магнитном поле волновой вектор фононов, участвующих в взаимодействии с электронами, ограничивается магнитной длиной 1В = 4ЫеВ \ ци <\ИВ. При

В<4 Тл дл,в*о«дцв-о- Таким образом, если в отсутствие магнитного поля т/' определяется излучением фононов с энергией «кТ, то в магнитном поле такие фононы могут излучаться лишь под малыми углами к направлению магнитного поля.

Рис.2. Измеренная при Г=4.2К в квазиравновесных условиях зависимость те от концентрации п„ двумерных электронов гетероструктур АЮаАвЛЗаАз. Сплошная линия -зависимость те = , где а, »1.4-1(Г". Для сравнения на графике также представлены

данные работ: * - [25], ♦ - [26], • - [27], * . [28].

■ ....... . ■ ... ... Л ■ • ■ х ■ ■ ■ : ■ :

■ ■ ■ ■■ и 14 12 1 7 Г С)! .....■ . ■ еТ

0 12 3 4

В, Тл

Рис. 3. Зависимость скорости энергетической релаксации двумерных электронов (/35=5-10" см"2) гетероструктуры АЮаАз/ОаАв от магнитного поля В. Стрелками указаны целочисленные факторы заполнения.

В области 2 Тл<£><4 Тл реализуется релаксация, связанная с переходами лишь внутри последнего занятого уровня Ландау, так как в этой области И о)« Но) с, где На - энергия кванта излучения. Как Скорость энергетической релаксации при внутриуровневой релаксации возрастает при электрон-фононных переходах, происходящих в области энергий, соответствующих большой плотности состояний. В области магнитных 1.2 Тл<В<2 Тл, когда кТ становится сравнимой с энергией между уровнями Ландау {Ьсос) возможны и межуровневые переходы. В этом случае, разогретые носители могут излучать фононы как малых энергий еф « Ьсос, так и высокоэнергичные фононы с Еф ~Рм>с (межуровневые). Скорость энергетической релаксации, определяемая этими переходами, максимальна, когда уровень Ферми попадает в область локализованных состояний.

Найденная с использованием метода изотерм зависимость коэффициента потерь преобразования АЮаАй/'ОаАз смесителя при Т=П К для структур № 1 (/<=2.3-105 см2/В-с) и №760 (//=7.7-104 см2/В-с) от поглощенной смесителем мощности, приходящийся на 1 мкм2 активной области смесителя, представлена на рисунке 4. Минимальное значение потерь преобразования ¿=13 дБ соответствует смесителю с большей подвижностью двумерного электронного газа. Представленная зависимость также показывает, что для структуры №1 с меньшей концентрацией и большей подвижностью двумерного электронного газа, величина Ь выходит на постоянное значение при поглощенной мощности более 0.2 мкВт/мкм2.

Ро, мкВт/мкм2

Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования структур №1 (подвижность /¿=2.3-105 см2/В-с, кривая 1) и №760 (подвижность /^=7.7-104 см2/В-с, кривая 2) при Т=П К от полной поглощенной мощности Р0, приходящийся на 1 мкм2 активной области смесителя.

Пятая глава посвящена исследованию эффектов смешения излучения терагерцового диапазона сверхпроводниковыми тонкопленочными ИЬЫ структурами и исследованию характеристик сверхпроводниковых смесителей терагерцового диапазона.

Таблица 1. Характеристики смесителей, с лучшей измеренной полосой преобразования.

Номер Подложка с1 Ш, IV-Ь, (1 м§о, 7;, к АВ,

образца нм мкм2 нм ГГц

1Л41#2 ()+мёо 3.5 0.1 х 1.0 200 8.4 3.7

Ы54/1#4 81+МёО 3.5 0.13x1.5 200 9.4 4.7

Ь150#3 МяО 3.5 0.22x1.5 200 8.9 4.5

Ь207#18 81+МйО 2.0 0.15x2.4 200 8.2 5.2

Лучшие результаты измерения полосы преобразования (ДБ) сверхпроводниковых смесительных элементов представлены в таблице 1. Значительное расширение ЛВ обусловлено наличием согласующего слоя ГУ^О и оптимизацией процесса осаждения и структурирования пленок,

позволившей получить сверхпроводниковые пленки толщиной 2 нм и значительно уменьшить время выхода неравновесных фононов в подложку тех.

Исследование зависимости шумовой температуры сверхпроводниковых смесителей от ширины чувствительного элемента смесителя, показало, что контактная область обладает дополнительным сопротивлением, приводящим к увеличению потерь преобразования смесителя. Разработка и оптимизация технологии создания смесителей позволила значительно сократить указанное сопротивление и уменьшить значения шумовой температуры. В таблице 2 представлены лучшие измеренные в работе значения шумовой температуры квазиоптических смесителей, интегрированных с планарной спиральной антенной. Лучшее значение шумовой температуры квазиоптического смесителя с прямым согласованием с излучением частотой 30 ТГц составило 2300 К.

Таблица 2. Лучшие измеренные в работе значения шумовой температуры ЫЬЫ квазиоптических смесителей, интегрированных с планарной спиральной антенной.

Образец Тип антенны Размеры, УМ • мкм2 Частота гетеродина, ТГц Ты, К

Ь310(#5) спиральная 0.24-3 мкм2 0.7 370

1Л80#14 спиральная 0.2-3 мкм2 2.5 1300

Ь180#14 спиральная 0.2-3 мкм2 3.8 3100

Проведенное исследование влияния эффекта прямого детектирования при измерении шумовой температуры смесителей терагерцового диапазона частот показало, что величина искажений вносимых указанным эффектом может достигать значений в 30%. Использование дополнительного охлаждаемого сеточного фильтра, оптимизированного для требуемого частотного диапазона, позволяет устранить влияние эффекта прямого детектирования.

Измеренные частотные характеристики используемых планарных щелевых и спиральных антенн, показали их определяющее влияние на частотную зависимость шумовой температуры смесителей.

Измеренные значения оптимальной мощности гетеродинного источника для сверхпроводниковых смесителей различной площади и имеющих различную критическую температуру позволили установить, что в случае введения величины, равной произведению поверхностной площади чувствительного элемента смесителя на плотность критического тока образца, т.е. зависимость Рю от указанного коэффициента приобретает монотонный спадающий вид. Минимальная оптимальная поглощенная мощность, измеренная в эксперименте, составила _Р/о=15 нВт для смесителя с объемом 0.6-0.13 мкм2.

Шестая глава посвящена исследованию открытому явлению перехода в нормальное состояние Т^ЬЫ тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктур, находящихся при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенных транспортным током, близким к критическому току сверхпроводника, при поглощении одиночных фотонов видимого и ИК излучения, а также созданию нового класса сверхпроводниковых однофотонных детекторов.

Экспериментально обнаружено, что при поглощении излучения полоской сверхпроводника, находящейся при температуре меньшей критической и смещенной постоянным электрическим током, полоска переходит в нормальное состояние и на концах полоски возникает импульс напряжения. Зависимость вероятности возникновения импульса напряжения Р от числа квантов в импульсе излучения т, достигающих сверхпроводника, соответствует соотношениям Р~т, Р~т2, Р~т3 при токах смещения детектора /= 0.95/с, /=0.8 /с, /=0.65 /с соответственно, где /с - критический ток полоски. Режим, при котором Р~т, был отождествлен с процессом перехода сверхпроводника в нормальное состояние при поглощении одиночного фотона. Вывод об однофотонном процессе детектирования подтвержден прямым сравнением измеряемых значений квантовой эффективности сверхпроводникового

детектора с квантовой эффективностью однофотонных детекторов на основе полупроводниковых лавинных фотодиодов.

Рис. 5. Зависимость ()с приемной системы на основе 8БРО на длине волны -А.=1.3 мкм, ■ - >-=1.55 мкм и уровня темнового счета (•), от тока, смещающего детектор.

Измерения внутренней квантовой эффективности детектора 0в, определяемой как отношение количества импульсов напряжения на выходе детектора к количеству поглощенных детектором квантов излучения и выраженной в процентах, показали, что £>„ достигает значений близких к 100 % в диапазоне излучений 0.56-1.55 мкм. Системная квантовая эффективность -выраженное в процентах отношение количества импульсов напряжения на выходе детектора к количеству фотонов, поступающих на оптический вход приемной системы, ограничена предельным поглощением излучения в сверхпроводниковой полоске и оптическим согласованием детектора с излучением. При использовании сверхпроводниковой полоски в виде меандра, заполняющей область 1010 мкм2, с плотностью 1/2, осажденной на 81 подложку с дополнительным слоем 8Ю2 (толщиной ~Л/4, где 1=1.3-1.5 мкм длина волны детектируемого излучения), и вводом излучения на основе одномодового волокна диапазона 1.3-1.5 мкм, максимальное значение системной квантовой эффективности составило 45 % на длине волны 1.3 мкм и 35 % на А-1.55 мкм (рис.5).

Измерения максимальной частоты перехода сверхпроводника в нормальное состояние для одиночных мостиков длинной в несколько микрометров (~1-2 мкм) и структур в виде меандра малой площади (-2-2 мкм2) показали, что 8ЯРГ) могут быть зарегистрированы фотоны с частотой следования 2 ГГц (рис.6). Дальнейшее исследование показало, что максимальная

27

скорость счета БвРЭ ограничена его кинетической индуктивностью и составляет 100 МГц для структур в виде меандра и с чувствительной областью 10-10 мкм2.

Время, 1 нс/деление

Рис. 6. Зависимость сигнала с ЭБРИ при различной частоте следования фотонов: а) частота следования фотонов лазерного излучения составляет 1 ГГц, б) частота следования фотонов лазерного излучения составляет 2 ГГц.

Измерения зависимости темновых отсчетов 88РО от приведенного тока смещения сверхпроводниковой полоски при температуре 4.2 К и в условиях полной экранировки устройства экраном с температурой 4.2 К показали, что зависимость носит экспоненциальный характер (темновой счет ~ е'ь"с) во всем диапазоне исследованных токов полоски (0.89< /¡Д. <0.997) и при изменении уровня темнового счета на восемь порядков величины (от 104с"' до 10"4с4). Минимальное измеренное значение уровня темнового счета составило 2-10"4 с 1 при /;//с=0.89 и, фактически, было ограничено временем эксперимента, составляющим около 8 часов, за которые удавалось зарегистрировать лишь несколько темновых отсчетов. Для ББРЭ детектора, сопряженного с волокном, при уменьшении значения приведенного тока наблюдается переход от экспоненциальной к более пологой зависимости, обусловленной срабатыванием структуры под действием фонового излучения. Для достижения меньших значений темновых срабатываний в точке начала влияния фонового излучения необходимо увеличивать длину охлажденной части оптического волокна. Минимальное достигнутое нами значение темновых срабатываний детектора, сопряженного с одномодовым волокном 8МК 28, в точке смены зависимости составило Ям=0.1 с1. Системная квантовая эффективность в этой точке составила 10% (Х.= 1.55 мкм), что соответствует системной мощности эквивалентной шуму, равной МЕР=5.7-10"21 Вт-Гц"1/2.

Также в работе была измерена временная нестабильность нарушения сверхпроводимости при поглощении фотона или джиттер, характеризующий SSPD детектор. Показано, что джиттер определяется случайным отклонением ширины сверхпроводниковой полоски вдоль ее длины, а также размером активной области и плотности заполнения сверхпроводника. Джиттер был измерен по стандартной технологии с использованием импульсного лазера одиночных фотонов с частотой повторения 1 ГГц и А,=1.55 мкм и Х=778 нм. Запускающий импульс лазера являлся и синхронизирующим импульсом для осциллографа Tektronix, на который подавался и сигнал с сверхпроводниковой структуры. После многократных измерений времени между указанными двумя импульсами, строилась гистограмма, являющаяся одним из программных продуктов Tektronix, показывающая количество импульсов с сверхпроводниковой структуры, состоявшихся в узком временном окне после запускающего импульса (рисунок 7). Время на полувысоте построенной гистограммы принималось за джиттер системы. Лучшее измеренное значение джиттера для образца с активной областью 1010 мкм2, составило 18 пс.

Время, 20 пс/деление

Рис. 7. Нормированная гистограмма временной нестабильности переднего фронта импульса напряжения с сверхпроводниковой структуры с активной областью 10-10 мкм2. Временная нестабильность, измеренная на полувысоте гистограммы (full width at half maximum - FWHM), составляет 18 пс.

В заключении Главы 6 представлены характеристики приемников одиночных фотонов на основе БЭРБ детекторов, созданных и коммерчески реализуемые в настоящее время. Характеристики приемников содержит Таблица 3.

---_____Тип приемника Характеристика ---_____ 1* 2**

Qc 1.3 мкм >25 % >18%

1.55 мкм >20 % >15%

Уровень темнового счета <10 отсчетов за секунду

Амплитуда импульса напряжения > 150 мВ

Длительность импульса напряжения <10 не

Временное разрешение <50 пс

* - приемник на основе вставки в транспортный сосуд Дьюара.

** - приемник на основе рефрижератора (Sumitomo RDK-205 D).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе:

1. Обнаружено новое физическое явление перехода в нормальное состояние NbN тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктур, находящихся при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенных транспортным током, близким к критическому току сверхпроводника, при поглощении одиночных фотонов видимого и ИК излучения. Нарушение сверхпроводимости происходит при одновременном поглощении одного, двух или более фотонов.

Детальное исследование обнаруженного эффекта позволило создать принципиально новый класс однофотонных детекторов ближнего ИК диапазона, значительно превосходящих существующие аналоги - полупроводниковые лавинные диоды и фотоэлектронные умножители. Проведена успешная апробация разработанных детекторов при тестировании больших интегральных микросхем, в квантовой коммуникации и квантовой криптографии, при тестировании разрабатываемых однофотонных излучателей, в квантовой оптической томографии.

2. Впервые методом миллиметровой спектроскопии в квазиравновесных условиях измерено время энергетической релаксации те 2D электронного газа гетероструктур AlGaAs/GaAs в широком интервале температур, а также при влиянии магнитного поля, перпендикулярного поверхности гетероперехода и в зависимости от концентрации двумерных электронов. Выделены температурные интервалы доминирования различных механизмов релаксации 2D электронов AlGaAs/GaAs гетероструктур с участием акустических и оптических фононов; определен вклад в темп энергетической релаксации 2D электронов в магнитном

поле переходов носителей заряда внутри последнего занятого уровня Ландау и межуровневых переходов.

На основе изученных процессов разогрева и энергетической релаксации носителей заряда в 2D гетеропереходах AlGaAs/GaAs разработаны, созданы и исследованы высокочувствительные и быстродействующие приемники терагерцового диапазона с фононным каналом охлаждения горячих электронов.

3. Исследованы особенности электронного разогрева и дальнейшей энергетической релаксации электронов посредством электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводниковых NbN наноструктурах при поглощении излучения терагерцового диапазона (0.7-30 ТГц). Посредством акустического согласования на границе сверхпроводниковая пленка - подложка достигнуто рекордно малое время релаксации горячих электронов.

На основе сверхпроводниковых тонкопленочных NbN структур созданы гетеродинные приемники терагерцового диапазона, обладающие рекордными значениями шумовой температуры, полосы преобразования, оптимальной мощности гетеродинного источника.

4. Исследованы процессы роста на различных диэлектрических подложках ультратонких (до 2 нм) сверхпроводниковых пленок NbN. Разработана технология создания тонкопленочных NbN структур с характерными размерами в несколько десятков нанометров с основными сверхпроводящими характеристиками, близкими к их значениям в объемном материале. Разработанная технология включает создание к сверхпроводниковым наноструктурам контактной металлизации с предельно малым значением контактного сопротивления, а также разработку топологии основанных на NbN структурах приемников терагерцового и инфракрасного диапазонов, обладающих рекордными значениями чувствительности и быстродействия. Разработанная технология применима для создания тонкопленочных наноструктур и на основе других сверхпроводниковых и металлических материалов.

Основные результаты диссертации опубликованные, в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК:

1. G.Gol'tsman, O.Okunev, G.Chulkova, A.Lipatov, A.Semenov, K.Smimov, B.Voronov, A.Dzardanov, C.Williams, and R.Sobolewski Picosecond superconducting single-photon optical detector // Applied Physics Letters. - 2001. -V. 79.-N. 6.-P. 705-707.

2. G.Gol'tsman, O.Okunev, G.Chulkova, G.Lipatov, A.Dzardanov, K.Smirnov, A.Semenov, B.Voronov, C.Williams and R.Sobolewski - Fabrication and properties of an ultrafast NbN hot-electron single-photon detector // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2001. - V. 11. - P. 574-577.

3. A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A.Korneev, P.Kouminov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski Ultrafast NbN Hot-Electron Single-Photon Detector for Electronic Applications. // Superconductor Science and Technology. - 2002. - V. 15. - P. 1689-1692.

4. R.Sobolewski, Y Xu X Zhang, C.Williams, J.Zhang, A.Verevkin, G.Chulkova, A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Gol'tsman Spectral sensitivity of the NbN single-photon superconducting detector // IEICE Transactions on Electronics. - 2002. - V. E85-C. - N. 3. - P. 797-802.

5. A.Verevkin, J.Zhang, R.Sobolewski, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, A.Korneev, K.Smirnov, G.Gol'tsman Detection efficiency of large-active-area NbN single-photon superconducting detectors in ultraviolet to near-infrared range // Applied Physics Letters. - 2002. - V. 80. - N. 25. - P. 4687-4689.

6. A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, K.Smirnov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski GHz counting rate NbN single-photon detector for IR diagnostics // Microelectronic Engineering, Elsevier. - 2003. — V. 69. -P. 274-278.

7. A.Verevkin, A. Pearlman, W. Slysz , J. Zhang, M. Currie, A. Korneev, G. Chulkova, O. Okunev, P. Kouminov, K. Smirnov, B.Voronov, G.N.Gol'tsman and Roman Sobolewski Ultrafast Superconducting Single-Photon Detectors for Near-Inlrared-Wavelength Quantum Communications // Journal of Modern Optics. -2004. -V. 51. -N. 9-10. - P. 1447-1458.

8. A. Korneev, P. Kouminov, V. Matvienko, G. Chulkova, K. Smirnov, B. Voronov, G. N. Gol'tsman, M. Currie, W. Lo, K. Wilsher, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, Roman Sobolewski Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors // Applied Physics Letters. -2004,-V. 84. -N. 26. - P. 5338-5340.

9. A.A. Корнеев, O.B. Минаева, И.А. Рубцова, И.И. Милостная, Г.М. Чулкова, Б.М. Воронов, К.В. Смирнов, В.А. Селезнев, Г.Н. Гольцман, А. Перлман, В. Слиц, А. Кросс, П. Альварес, А. Веревкин, Р. Соболевский Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35 (8). - С. 698-700.

10. A. Korneev, V. Matvienko, O. Minaeva, I. Milostnaya, I. Rubtsova, G. Chulkova, K. Smirnov, V. Voronov, G. Gol'tsman, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured NbN single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -2005. -V. 15. -N. 2. - P. 571-574.

11. W. Slysz, M.Wegrzecki, J. Bar, P.Grabies, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, A. Pearlman, A. Cross, D. Pan, I. Komissarov, I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva, G. Chulkova, K Smirnov, B. Voronov, G. Goltsman, R. Sobolewski Fibre-coupled, single photon detector based on NbN superconducting nanostructures for quantum communications // Journal of Modern Optics. - 2007. - V. 54(2-3). -P. 315-326.

12. I. Milostnaya, A Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O Okunev, G Chulkova, K Smirnov and G. Goltsman Superconducting Single Photon Nanowire Detectors Development for IR and THz Applications // Journal of Low Temperature Physics. - 2008. - V. 151. - P. 591596.

13. G. Goltsman, A. Korneev, A. Divochiy, O. Minaeva, M. Tarkhov, N. Kaurova, V. Seleznev, B. Voronov, O. Okunev, A. Antipov, K. Smirnov, Yu. Vachtomin, I. Milostnaya, G. Chulkova Ultrafast superconducting single-photon detector // Journal of Modern Optics. - 2009. - V. 56. - Issue 15. - P. 1670-1680.

14. D. Elvira, A. Michon, B. Fain, G. Patriarche, G. Beaudoin, I. Robert-Philip, Y. Vachtomin, A. V. Divochiy, K. V. Smirnov, G. N. Goltsman, I. Sagnes, A. Beveratos Time-resolved spectroscopy of InAsP/InP(001) quantum dots emitting near 2 pm// Applied Physics Letters.-2010. - V. 97. -N. 13.-P. 131907-1 - 131907-3.

15. G. N. Gol'tsman, K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, V. Drakinsky J. Zhang, A. Verevkin, and R. Sobolewski Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. - 2003.-V. 13. -N. 2. - P. 192-195.

16. G.Goltsman, A.Korneev, V.Izbenko, K.Smirnov, P.Kouminov, B.Voronov, N.Kaurova, A.Verevkin, J.Zhang, A.Pearlman, W.Slysz, R.Sobolewski Nanostructured superconducting single-photon detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2004. - V. 520. - Issue 1-3. - P. 527-529.

17. J.Kitaygorsky, J.Zhang, A.Verevkin, A.Sergeev, A.Korneev, V.Matvienko, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski Origin of Dark Counts in Nanostructured NbN Single-Photon Detectors // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. - 2005. - V. 15(2). - P. 545-548.

18. A.Pearlman, A.Cross, W.Slysz, J.Zhang, A.Verevkin, M.Currie, A.Korneev, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski Gigahertz counting rates of NbN single-photon detectors for quantum communications // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. - 2005. - V. 15(2). - P. 579-582.

19. G.Gol'tsman, A.Korneev, I.Rubtsova, I.Milostnaya, G.Chulkova, O.Minaeva, K.Smirnov, B.Voronov, W.Slysz, A.Pearlman, A.Verevkin, R.Sobolewski Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications // Physica Status Solidi - 2005. - V. 2. - N. 5. - P. 14801488.

20. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, I. Milostnaya, O. Minaeva, A. Antipov, O. Okunev, A. Korneev, K. Smirnov, B. Voronov, N. Kaurova, G. Gol'tsman, A. Pearlman, A. Cross, I. Komissarov, A. Verevkin, R. Sobolewski Fiber-coupled single-photon detectors based on NbN superconducting nanostructures for practical quantum cryptography and photon-correlation studies // Applied Physics Letters. - 2006. - V. 88. - Issue. 26. - P. 261113-1 - 261113-3.

21. Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva, G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol'tsman, W. Slysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross and R. Sobolewski Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-pm telecommunication wavelength // Journal of Physics: Conference Series. — 2006. -V. 43. - P. 1334-1337.

22. Korneev, A.; Vachtomin, Y.; Minaeva, O.; Divochiy, A.; Smirnov, K.; Okunev, O.; Golapos;tsman, G.; Zinoni, C.; Chauvin, N.; Balet, L.; Marsiii, F.; Bitauld, D.; Alloing, B.; Lianhe Li; Fiore, A.; Lunghi, L.; Gerardino, A.; Halder, M.; Jorel, C.; Zbinden, H. Single-Photon Detection System for Quantum Optics Applications // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. — 2007. -V. 13,-Issue 4.-P. 944 - 951.

23. C. Zinoni, B. Alloing, L. H. Li, F. Marsili, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, Yu. B. Vakhtomin, K. V. Smirnov, and G. N. Gol'tsman Single-photon experiments at telecommunication wavelengths using nanowire superconducting detectors // Applied Physics Letters. - 2007. - V. 91. - Issue 3. - P. 031106-1 -031106-3.

24. K. Smirnov, A. Korneev, O. Minaeva, A. Divochiy, M. Tarkhov, S. Ryabchun, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol'tsman, S. Polonsky Ultrathin NbN film superconducting single-photon detector array // Journal of Physics: Conference Series. - 2007. - V. 61. - P. 1081-1085.

25. A Korneev, A Divochiy, М Tarkhov, О Minaeva, V Seleznev, N Kaurova, В Voronov, О Okunev, G Chulkova, I Milostnaya, К Smirnov and G Gol'tsman New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving // Journal of Physics: Conference Series. -2008. - V. 97. - P. 012307-1 - 012307-6.

26. К. В. Смирнов, Ю. Б. Вахтомин Приемники инфракрасного и терагерцового излучения на основе сверхпроводниковых наноструктур // Интеграл. - 2010. - № 2. - С. 17-19.

27. Jukna A., Kitaygorsky J., Pan D., Cross A., Perlman A., Komissarov I., Sobolewski R., Okunev O., Smirnov K., Korneev A., Chulkova G., Milostnaya I., Voronov В., Gol'tsman G.N. Dynamics of hotspot formation in nanostructured superconducting stripes excited with single photon // Acta Physica Polonica A. -2008.-V. 113.-N.3.-P. 955-958.

28. Шантана ЕЛ., Смирнов K.B., Морозов Д.В., Ковалюк В.В., Гольцман Г.Н., Веревкин А.А., Торопов А.И. Полоса и потери преобразования полупроводникового смесителя с фононным каналом охлаждения двумерных электронов // Физика и техника полупроводников. -2010. - Т. 44. - В. 11. - С. 1475-1477.

29. Е. L. Shangina, К. V. Smirnov, D. V. Morozov, V. V. Kovalyuk, G. N. Goltsman, A. A. Verevkin, A. I. Toropov and P. Mauskopf Concentration dependence of energy relaxation time in AlGaAs/GaAs heterojunctions: direct measurements // Semiconductors Science and Technology. - 2011. - V. 26. - P. 025013-1 - 0250135.

30. E. JI. Шангина, К. В. Смирнов, Д. В. Морозов, В. В. Ковалюк, Г. Н. Гольцман, А. А. Веревкин, А. И. Торопов Концентрационная зависимость полосы преобразования смесителей субмиллиметрового диапазона на основе наноструктур AlGaAs/GaAs // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. -Т. 74.-№1.-С. 110-112.

31. Веревкин А.А., Птицина Н.Г., Смирнов К.В., Гольцман Г.Н., Гершензон Е.М., Ингвессон К.С. Прямые измерения времен энергетической релаксации на гетерогранице AlGaAs/GaAs в диапазоне 4.2-50 К // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». - 1996. - Т. 64(5). - С. 371-375.

32. А.А.Веревкин, Н.Г.Птицина, К.В.Смирнов, Г.Н.Гольцман, Е.М.Гершензон, К.С.Ингвессон Множественное андреевское отражение в гибридных структурах на основе сверхпроводящего нитрида ниобия и гетероперехода AlGaAs/GaAs // Физика н техника полупроводников. - 1999. — Т. 33.-В. 5.-С. 590-593.

33. К.В.Смирнов, Н.Г.Птицина, Ю.Б.Вахтомин, А.А.Веревкин, Г.Н.Гольцман, Е.М.Гершензон Энергетическая релаксация двумерных электронов в области квантового эффекта Холла // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». —2000. — Т. 71 (1). — С. 47-52.

34. Г.Н.Гольцман, К.В.Смирнов Электрон-фононное взаимодействие в двумерном электронном газе полупроводниковых гетероструктур при низких температурах // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». - 2001. - Т. 74. - С. 532-538.

35. Д.В. Морозов, К.В. Смирнов, А.В. Смирнов, В.А. Ляхов, Г.Н. Гольцман Мшшшетровьш/субмишшметровьш смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников.—2005. — Т. 9 (10). - С. 1117-1121.

36. A.D. Semenov, H.-W. Hiibers, Н. Richter, М. Birk, M.Krocka, U. Mair, К. Smirnov, G.N. Gol'tsman, B.M. Voronov 2.5 THz hetrodyne receiver with NbN hot-electron-bolometer mixer // Physica C. - 2002. - V. 372-376. - P. 454-459.

37. S.V. Antipov, S.I. Svechnikov, K.V. Smimov, Yu.B. Vakhtomin, M.I. Finkel, G.N. Goltsman, and E.M. Gershenzon Noise Temperature of Quasioptical NbN Hot Electron Bolometer Mixers at 900 GHz // Phisics of vibrations. 2001. - V. 9. -N. 4. - P. 242-246.

38. Ю.Б.Вахтомин, М.И.Финкель, С.В.Антипов, К.В.Смирнов, Б.М.Воронов, В.Н.Дракинский, Н.С.Каурова, Г.Н.Гольцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в ультратонких пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO // Радиотехника и электроника. — 2003. - Т. 48. - № 6. - С. 1-5.

39. A.D. Semenov, H.-W. Hiibers, Н. Richter, М. Birk, М. Krocka, U. Mair, Y.V. Vachtomin, M.I. Finkel, S.V. Antipov, B.M. Voronov, K.V. Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol'tsman Superconducting hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.-2003.-V. 13.-N.2.-P. 168-171.

40. D.V. Meledin, C.E. Tong, R. Blundell, N.S. Kaurova, K.V.Smirnov, B.M. Voronov, G.N. Goltsman Study of the IF Bandwidth of NbN Phonon-Cooled HEB Mixers Based on Crystalline Quartz Substrate with an MgO Buffer Layer // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -2003. -V. 13. -N. 2. - P. 164-167.

41. A. Semenov, H. Richter, K. Smimov, B. Voronov, G. Gol'tsman, and H.-W. Hiibers The development of terahertz superconducting hot-electron bolometric mixers // Superconductor Science and Technology. - 2004. - V. 17. - P. S436-S439.

42. И.В. Пентин, К.В.Смирнов, Ю.Б.Вахтомин, А.В.Смирнов, Р.В.Ожегов, А.В.Дивочий, Г.Н.Гольцман Быстродействующий терагерцовый приемник и

инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах // Труды МФТИ. Труды Московского физико-технического института (государственного университета). -2011. - Т. 3. - № 2. - С. 38-42.

43. Смирнов К.В., Вахтомин Ю.Б., Смирнов А.В., Ожегов Р.В., Пентин И.В., Дивочий А.В., Сливинская Е.В., Гольцман Г.Н. Приемники терагерцового и инфракрасного диапазонов, основанные на тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. -2010. -Т. 5. -В. 4. -С. 63-67.

Цитируемая литература

1. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман и др. Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ. - 1981. -Т. 34.-Вып. 5.-С. 281-285.

2. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман и др. Быстродействующий сверхпроводящий электронный болометр // Письма в ЖЭТФ. - 1989. - Т. 15. - Вып. 3. - С. 88-92.

3. Nishant Mohan, Olga Minaeva, Gregory N. Gol'tsman et al. Photon-Counting Optical Coherence-Domain Reflectometry Using Superconducting Single-Photon Detectors // Optics Express. -2008.-V. 16.-P. 18118-18130.

4. F. Stellari and P. Song Testing of ultra low voltage VLSI Chips using the Superconducting Single-Photon Detector (SSPD) // Proceedings of the 15 th European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis (ESREF). - Zurich, Switzerland, 2004. - P. 1663-1668.

5. M. G. Tanner, С. M. Natarajan, V. K. Pottapenjara et al. Enhanced telecom wavelength single-photon detection with NbTiN superconducting nanowires on oxidized silicon // Applied Physics Letters. - 2010. - V. 96. - N. 22. - P. 221109-1 - 221109-3.

6. D. Stucki, N. Walenta, F. Vannel et al. High rate, long-distance quantum key distribution over 250 km of ultra low loss fibres // New J. Phys. - 2009. - V. 11. - P. 075003-1 - 075003-9.

7. J. A. O'Connor, M. G. Tanner, С. M. Natarajan et al. Spatial dependence of output pulse delay in a niobium nitride nanowire superconducting single-photon detector // Applied Physics Letters. - 2011. - V. 98. - N. 20. - P. 201116-1 - 201116-3.

8. В.Карпус Энергетическая релаксация двумерных электронов при пьезоакустическом рассеянии // ФТП. - 1988. - Т. 22. - С. 439-449.

9. В.Карпус Энергетическая и импульсная релаксация двумерных носителей заряда при взаимодействии с деформациот гыми акустическими (}юно1 ими // ФТП. -1986. -1'. 20. - В. 1.-С. 12-19.

10. K.Hirakawa, H.Sakaki Energy relaxation of two-dimensional electrons and the deformation potential constant in selectively doped AlGaAs/GaAs heterojunctions // Applied Physics Letters. - 1986. - V. 49(4). - P. 889-891.

11. N.G.Asmar, A.G.Markelz, E.G.Gwinn et al. Resonant-energy relaxation of terahertz-driven two-dimensional electron gases // Phys. Rev. B. - 1995. - V. 51. - P. 18041-18044.

12. Hopfel R.A., Weimann G. Electron heating and free-carrier abcorption in AlGaAs/GaAs single heterostructures // Applied Physics Letters. - 1985. - V. 46. - N 3. - P. 291-293.

37

13. Веревкин A.A., Птицина Н.Г., Чулкова Г.М. и др. Энергетическая релаксация электронов в 20-канале AlGaAs/GaAs-гетероструктур в квазиравновесных условиях при низких температурах // Письма в ЖЭТФ. - 1995. - Т. 61. - С. 579-582.

14. J. X. Yang, J. Li, С. F. Musante et al. Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at low temperatures // Applied Physics Letters. - 1995. - Vol. 66. - P. 1983-1985.

15. M. Lee, L. N. Pfeiffer, К. W.West et al. Wide bandwidth millimeter wave mixer using a diffusion cooled two dimensional electron gas //Applied Physics Letters. - 2001. - V. 78. N. 19. - P. 2888-2890.

16. J. X Yang, P. Agahi, D. Dai et al. Wide-bandwidth electron bolometric mixers: a 2DEG prototype and potential for low-noise THz receivers /ЛЕЕЕ Trans, on Micr. Theo, and Technol. -1993.-V. 41.-P. 581-589.

17. C.-Y.Edward Tong, Jonathan Kawamura, Todd R.Hunter et al. Successful Operation of a 1 THz NbN Not-Electron Bolometer Receiver // Proceedings of the Eleventh International Symposium on Space Terahertz Technology. - Ann Arbor, Michigan, USA, 2000. - P. 49-59.

18. A.D.Semenov, H.-W.Hubers, J.Schubert et al. Frequency Dependent Noise Temperature of the Lattice Cooled Hot-Electron Terahertz Mixer // Proceedings of the Eleventh International Symposium on Space Terahertz Technology. - Ann Arbor, Michigan, USA, 2000. - P. 39-48.

19. S.Cherednichenko, M.Kroug, P.Yagoubov et al. IF Bandwidth of Phonon Cooled HEB Mixers Made from NbN Films on MgO Substrates // Proceedings of the Eleventh International Symposium on Space Terahertz Technology. - Ann Arbor, Michigan, USA, 2000. - P. 219-227.

20. M.Frommberger, F.Maltiocco, P.Sabon et al. Properties of Nb Thin Films and Their Application for Diffusion-Cooled Hot-Electron Bolometer // Proceedings of the Eleventh International Symposium on Space Terahertz Technology. - Ann Arbor, Michigan, USA, 2000. - P. 489-500.

21. P.Yagoubov, M.Kroug, H.Merkel et al. NbN Hot Electron Bolometric Mixers at Frequencies between 0.7 and 3/1 THz // Proceedings of the Tenth International Symposium on Space Terahertz Technology. - Charlottesville, Virginia, USA, 1999. - P. 238-246.

22. J. Lutz, F. Kuchar, К. Ismail et al. Time resolved measurements of the energy relaxation in the 2DEG of AlGaAs/GaAs // Semicond.Sci.Technol. - 1993. - V. 8. -P. 399-402.

23. М.1\Блюмина, AT Денисов, Т-АПолянская и др. Энергетическая релаксация двумерных элеюронов на гетерогранице AlGaAs/GaAs // Письма в ЖЭТФ. -1986. -Т. 44. -В. 5. - С. 257-260.

24. Hopfel R.A., Weimann G. Electron heating and free-carrier abcorption in AlGaAs/GaAs single heterostructures //Applied Physics Letters. - 1985. - V. 46. - N. 3. - P. 291-293.

25. Blumina M. G., Denissov A. G., Polyanskaya T. A. et al. Energy relaxation of 2D electrons at an AlGaAs/GaAs heterojunction // JETP Letters. -1986. - V. 44. - P. 257-260.

26. Zhang J., Vitkalov S. and Bykov A. A. Nonlinear resistance of 2D electrons in crossed electric and magnetic fields // Physical Review B. - 2009. - V. 80. - P. 045310-1 - 045310-5.

27. K. Hirakawa, H. Sakaki Energy relaxation of two - dimensional electrons and the deformation potential constant in selectively doped AlGaAs/GaAs heterojunctions // Applied Physics Letters. - 1986. - V. 49. - P. 889-891.

28. Kreschuk A M, Maitisov M Y, Polyanskaya T. A et al. Eneigy relaxation of 2D electrons at an AlGaAs/GaAs heterojunction at helium temperatures // Solid State Communications. -1988. -V. 65. -P. 1189-1192.

Подписано в печать 17.06.2013 г. Формат 60x84/16. Заказ №38. Тираж 150 экз. П.л 2.5. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

0520135^600

На правах рукописи

СМИРНОВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ РАЗОГРЕВА И РЕЛАКСАЦИИ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ И 20 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНОВ

Специальность 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, 2013

Содержание

Список сокращений и условных обозначений............................... 7

Введение................................................................................. 11

Глава 1. Эффект электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников и полупроводниковых гетероструктурах и его использование при создании сверхпроводниковых и

полупроводниковых приемников излучения. Обзор...................... 33

1.1. Разогрев электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых ММ наноструктурах излучением ближнего инфракрасного диапазона и механизм детектирования сверхпроводниковыми полосками

одиночных ИК фотонов. Основные типы и направления использования

детекторов одиночных фотонов ИК излучения................................. 34

1.1.1. Основные типы однофотонных детекторов ближнего инфракрасного диапазона волн................................................ 34

1.1.2. Области использования однофотонных детекторов ИК диапазона........................................................................... 41

1.1.3. Механизм детектирования одиночных фотонов сверхпроводниковыми полосками, по которым протекает транспортный ток................................................................ 58

1.2. Эффект электронного разогрева и энергетическая релаксация 2Б электронов в одиночных гетеропереходах АЮаАБ/СаАз..................... 63

1.2.1. Основные механизмы энергетической релаксации электронов и основные положения теории электрон-фононного взаимодействия в гетероструктурах АЮаАз/СаАБ........................ 66

1.2.2. Гетеродинное преобразование частоты излучения терагерцового диапазона полупроводниковыми гетеропереходами АЮаАБ/ОаАз...................................................................... 83

1.2.3. Обзор экспериментальных исследований электрон-фононного взаимодействия в гетероструктурах АЮаАзАлаАз......... 89

1.3. Гетеродинное преобразование частоты терагерцового излучения тонкими пленками низкотемпературных сверхпроводников................ 93

1.3.1. Гетеродинное преобразование частоты терагерцового излучения переходами сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник......... 95

1.3.2. Гетеродинные преобразователи частоты терагерцового излучения на основе эффекта электронного разогрева в тонких NbN пленках.................................................................................. 100

1.4. Выбор объекта исследования и постановка задачи........................ 109

Глава 2. Планарная тонкопленочная технология сверхпроводниковых NbN наноструктур.................................... 113

2.1. Разработка метода осаждения тонких NbN пленок...................... 114

2.2. Методы структурирования сверхпроводниковых NbN пленок на основе электронной и фото литографий, химического, плазмохимического и реактивного 124 травления....................................

2.2.1 Методы создания однородных NbN сверхпроводниковых полосок для эффективного согласования с излучением ближнего инфракрасного диапазона...................................................... 128

2.2.2 Методы создания сверхпроводниковых NbN наноструктур для гетеродинных преобразователей частоты терагерцового диапазона.. 137

2.3 Исследование ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN методами электронной просвечивающей микроскопии..................... 145

2.4 Исследование ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN методом рентгенодифракционного анализа..................................... 152

2.5 Выводы............................................................................ 159

Глава 3. Методики, схемы, оборудование экспериментальных исследований полупроводниковых и сверхпроводниковых структур...................................................................................... 161

3.1 Исследование AlGaAs/GaAs гетероструктур................................. 161

3.1.1 Метод миллиметровой релаксометрии для исследований времен энергетической релаксации в гетероструктурах AlGaAs/GaAs...................................................................... 162

3.1.2 Осцилляции Шубникова-де Гааза в двумерном электронном газе AlGaAs/GaAs гетероструктур............................................ 167

3.2 Взаимодействие излучения терагерцового диапазона с NbN сверхпроводниковыми наноструктурами........................................ 170

3.2.1 Исследование эффективности преобразования частоты терагерцового излучения NbN наноструктурами............................. 170

3.2.2 Измерение времени энергетической релаксации неравновесных электронов в NbN наноструктурах при разогреве носителей заряда излучением терагерцового диапазона............... 172

3.2.3 Согласование терагерцового излучения с NbN сверхпроводниковыми наноструктурами........................................... 173

3.2.4 Измерение мощности терагерцового излучения, поглощенного NbN наноструктурами при гетеродинном преобразовании частоты........................................................ 175

3.3 Взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения с узкими полосками из сверхпроводниковых пленок NbN.............................. 175

3.3.1 Исследование квантовой эффективности и шумовых характеристик взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения

с узкими полосками из сверхпроводниковых пленок NbN............ 176

3.3.2 Исследование временной нестабильности (джиттера) импульса напряжения на сверхпроводниковой полоске при поглощении одиночных ИК фотонов....................................... 179

Глава 4. Энергетическая релаксация 2D электронов в полупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs при их

разогреве излучением терагерцового диапазона частот...................... 181

4.1 Исследуемые структуры на основе одиночных AlGaAs/GaAs

гетеропереходов........................................................................ 181

4.2 Время энергетической релаксации электронов гетероструктур AlGaAs/GaAs в квазиравновесных условиях...................................... 186

4.3 Время энергетической релаксации электронов в гетероструктурах AlGaAs/GaAs в магнитном поле, перпендикулярном 2D слою............. 197

4.4 Эффективность гетеродинного преобразования частоты одиночным гетеропереходом AlGaAs/GaAs.................................................... 203

4.5 Оптимальная мощность гетеродинного источника для преобразования частоты с использованием гетероструктур AlGaAs/GaAs............................................................................. 208

4.6 Выводы.............................................................................. 210

Глава 5. Взаимодействие излучения терагерцового диапазона с NbN сверхпроводниковыми наноструктурами..................................... 212

5.1 Время энергетической релаксации электронов в NbN наноструктурах при разогреве носителей заряда излучением терагерцового диапазона частот.............................................................. 212

5.2 Эффективность преобразования частоты терагерцового излучения NbN наноструктурами 221

5.3 Согласование терагерцового излучения с NbN сверхпроводниковыми наноструктурами..................................................... 229

5.4 Мощность, поглощенная NbN наноструктурами при гетеродинном преобразовании частоты терагерцового излучения............................ 235

5.5 Болометрический эффект при преобразовании частоты терагерцового излучения наноструктурами............................... 242

5.6 Выводы............................................................................ 24949

Глава 6. Взаимодействие одиночных фотонов ИК излучения со сверхпроводниковыми тонкопленочными полосками............. 251

6.1 Эффект детектирования одиночных фотонов сверхпроводниковыми тонкопленочными ИЬИ 251 полосками..........................................................

6.2 Квантовая эффективность взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения со сверхпроводниковыми тонкопленочными №>К полосками 256

6.3 Время релаксации в сверхпроводящее состояние тонкопленочных

ММ полосок при нарушении сверхпроводимости ИК фотонами......................265

6.4 Предельно достижимый уровень шумов сверхпроводниковой тонкопленочной полоски, как счетчика ИК фотонов..................................269

6.5 Временная нестабильность нарушения сверхпроводимости в тонкопленочной МЬИ полоске при поглощении ИК фотонов..............................276

6.6 Практическая реализация приемников одиночных фотонов инфракрасного диапазона на основе сверхпроводниковых тонкопленочных полосок............................................................................................................280

6.7 Выводы............................................................................................................................................................285

Заключение..........................................................................................................................................................288

Публикации....................................................................................................................................................291

Литература......................................................................................................................................................299

Список сокращений и условных обозначений

2DEG - Двумерный Электронный Газ (2-Dimensions Electron Gas)

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВТСП - высокотемпературная сверхпроводимость

ДБШ - диод на барьере Шоттки

ИК - инфракрасный

ЛОВ - лампа обратной волны

СИС - структура «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник»

СКВИД (SQUID) - сверхпроводниковый квантовый интерферометр

(Superconducting QUantum Interference Device)

APD (ЛФД) - лавинный фотодиод (Avalanche PhotoDiode)

FFO - генератор, основанный на вязком течении джозефсоновских вихрей

(Flux Flow Oscillator)

НЕВ - болометр на горячих электронах (Hot Electron Bolometer) Jitter (Timing Jitter) - временная нестабильность импульса напряжения LIDAR-технологии - технологии лазерной дальнометрии (Light Detection And Ranging)

NEP - эквивалентная мощность шума (Noise Equivalent Power)

PICA - бесконтактный метод оптического анализа микросхем с

пикосекундным разрешением (Picosecond Imaging Circuit Analysis)

PMT (ФЭУ) - фотоэлектронный умножитель (Photo Multiplier Tube)

QKD - передача (распределение) квантового ключа в криптографии (Quantum

Key Distribution)

SMF - одномодовое оптическое волокно (Single-Mode Fiber)

SSPD - сверхпроводниковый однофотонный детектор (Superconducting Single

Photon Detector)

TAC - время - амплитудный преобразователь (Time to Amplitude Converter) TCSPC - корреляционный счет фотонов (Time-Correlated Single Photon Counting)

TES - детектор на сверхпроводящем переходе (Transition Edge Sensor) В - индукция магнитного поля

се - теплоемкость электронного газа в расчете на один электрон

се - электронная удельная теплоемкость

ср - фононная удельная теплоемкость

Ddif- коэффициент диффузии

Df- спектральная плотность излучения

D - темп темновых отсчетов однофотонного детектора (Dark Counts) е - заряд электрона /- частота

G - коэффициент преобразования h, h - постоянная Планка

Н - показатель качества однофотонных детекторов hv - энергия фотона I - ток

/с - критический ток

j - плотность тока

jc - плотность критического тока

К - теплопроводность

к - волновой вектор

кв - постоянная Больцмана

L - потери преобразования

/е/ - длина свободного пробега электронов

Lg - глубина проникновения электрического поля

Lth - длина термализации электронов

т * - эффективная масса электрона

п - концентрация электронов

ns - концентрация двумерных электронов

N(0) - плотность состояний на поверхности Ферми

NH - плотность состояний

Р - мощность

Рю - мощность гетеродинного источника Рос - мощность постоянного тока

д - волновой вектор фонона Qв - внутренняя квантовая эффективность Qд - квантовая эффективность детектора - системная квантовая эффективность Qe - мощность энергетических потерь в расчете на один электрон QE - квантовая эффективность 7? - сопротивление Я5д - поверхностное сопротиавление 5д - скорость звука Г - температура

Тс - температура сверхпроводящего перехода Те - электронная температура Тм - шумовая температура

Трн - решеточная температура (температура фононной подсистемы) Л - энергетическая щель сверхпроводника АВ - полоса преобразования

At - временное разрешение однофотонного детектора

АТН - флуктуационная чувствительность

Пюш - энергия оптического фонона

а - коэффициент акустического согласования

Бр - энергия Ферми

у - постоянная Зоммерфельда

Я - длина волны излучения

/л - подвижность электронов

V - фактор заполнения

0 - эффективная температура

р - удельное сопротивление vF - скорость Ферми г- время интегрирования

те - время энергетической релаксации электронов

tes - время ухода неравновесных фононов в подложку

rth - время термализации электронов

tl0 - время жизни оптического фонона

tq - время релаксации зарядового разбаланса

те_е - время электрон-электронного взаимодействия

re.ph - время электрон-фононного взаимодействия

rph.e - время фонон-электронного взаимодействия

сос - циклотронная частота

£ - длина когерентности

Введение

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию эффектов электронного разогрева излучением широкого диапазона - от видимого до дальнего инфракрасного (ИК) и энергетической релаксации носителей тока в наноструктурах, созданных на основе тонких сверхпроводниковых пленок и в полупроводниковых гетероструктурах АЮаАэ/ОаАз. Общность различных направлений исследований состоит в изучении особенностей неравновесных процессов в сверхпроводниковых и полупроводниковых структурах с использованием схожих методов и подходов, в выявлении и демонстрации влияния технологии создания структур на исследуемые процессы, а также направленностью исследований на создание практических устройств - рекордных по характеристикам детекторов видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного излучений.

Составной частью исследования неравновесных процессов в сверхпроводниковых устройствах является разработка планарной тонкопленочной технологии №>М структур нанометрового масштаба, включающей процессы осаждения и структурирования тонких пленок сверхпроводников, изучение структурных и сверхпроводящих свойств пленок, выявление влияния отдельных технологических операций на качество №№ пленок, характеристики структур и детекторов на их основе.

Экспериментально полученные в рамках проведенного исследования новые знания о разогреве электронов излучением видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазонов в сверхпроводниковых тонкопленочных структурах и полупроводниковых гетероструктурах АЮаАзЛлаАз, а также знания о механизмах и динамике энергетической релаксации неравновесных носителей заряда, были использованы для создания чувствительных и быстродействующих смесителей терагерцового диапазона, а также детекторов одиночных фотонов видимого и инфракрасного излучений.

В диссертации отражены результаты исследований автора, проведенных в 1995 - 2012 годах, в рамках руководимых им проектов Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№ 02-02- 16774-а, 07-02-13626-офи_ц, 09-02-12364-офи_м, 12-02-01291-а), Министерства образования и науки Российской Федерации (государственные контракты №№ 16.513.11.3017, П905, 14.740.11.0269), Министерства образования Российской Федерации и Германской службы академических обменов (DEUTSCHER AKADEMISCHER AUSTAUSCHDIENST (DAAD, грант № 04/38430), Американского фонда гражданских исследований (U.S. Civilian Research and Development Foundation, грант № RE2-2531-M0-03), Международной ассоциации INTAS (International Association, грант № YSF 2002-408), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (государственные контракты №№ 2979р/5388, 4698р/5388, 6191р/5388, 9888р/16984 ), а также в рамках других, более, чем 50 научных проектов, в которых автор являлся одним из основных исполнителей.

Актуальность представленного исследования определяется получением принципиально новых знаний об особенностях взаимодействия излучения широкого частотного диапазона с полупроводниковыми и сверхпроводниковыми структурами нанометрового масштаба, последующем электронном разогреве и дальнейшей энергетической релаксации носителей тока, и их использованием для создания высокочувствительных и быстродействующих приемников видимого, инфракрасного и дальнего инфракрасного диапазонов.

В настоящее время развитие практических применений сверхпроводников осуществляется в двух основных направлениях: сильноточные и слаботочные применения. Одними из основных сильноточных применений сверхпроводников являются разработки индуктивных и кинетических накопителей токов, токоограничителей, генераторов, электрических двигателей, синхронных компенсаторов,

трансформаторов, магнитных систем для магниторезонансных томографов, используемых в медицинских целях и для научных исследований [1-3]. Несмотря на необходимость глубокого охлаждения таких устройств, эти технологии уже нашли широкое применение. Например, соленоиды Большого Адронного Коллайдера ЦЕРН были изготовлены из сверхпроводящих NbTi проводов.

Среди слаботочных применений сверхпроводников или сверхпроводниковой электроники, к которой относится и практическая часть настоящей работы, прежде всего, необходимо выделить работы связанные с развитием Джозефсоновских переходов и основанных на них СКВИД-технологий (СКВИД - сверхпроводниковый квантовый интерферометр от английского SQUID - Superconducting QUantum Interference Device) [4-10], ^ нашедших применение в прецизионных измерениях предельно малых токов,

напряжений и изменений магнитного потока, а также в СИС - смесителях (переход сверхпроводни