Отклик тонких пленок NbN на электромагнитное излучение тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 о

? 8 М \Р1(1Я15(}ВСКПЙ ОРДЕНА ЛЕНШ1Л И ОРДЕНА ТРУДОВОГО и КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В. И. ЛЕНИНА

Специализированный совет К 053.01.03

На правах рукописи

ГУСЕВ Юрий Павлович

ОТКЛИК ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Специальность 01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете нмепн В. И. Ленина.

Научные руководители:

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

кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник СЕМЕНОВ А, Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических паук ГАСПАРОВ В. А., 'кандидат физико-математических наук МИЦЕН К. В.

Ведущая организация: Институт радиотехники н электроники РАН.

Защита состоится «.....»5.'..(...1994 г. в часов

на заседании Специализированного совета К 053.01.03 по присуждению ученой степени кандидата фпзико-математиче-скпх паук в Московском педагогическом государственном университете имени В. И. Ленина (119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (Мсюква, М. Пироговская, дом 1, МПГУ дм, В. И. Ленина) .

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь Специализированного совета

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Одним из перспективных направлений в фиоике низких температур является изучение воздействия электромагнитного излучения на тонкие пленки сверхпроводников. Эти исследования привели к фундаментальным открытиям в области физики сверхпроводящего состояния и позволили создать целый класс принципиально новых устройств криогенной микроэлектроники. t

В последние годы большое внимание привлекают возможности создания неравновесных распределений электронов и фононов в тонких металлических пленках. Эффект электронного разогрева, проявляющийся в резистивном состоянии сверхпроводника при воздействии на него электромагнитного излучения, позволяет исследовать процессы электрон-фононного взаимодействия при температурах менее 10 ,К в случае сильно разупорядоченного проводника qx\ <С 1 (дт — квТ/hû -волновой вектор теплового фонона, I - длина свободного пробега электронов, kg - постоянная Больцмана, и - скорость звука). Этот эффект первоначально был обнаружен и подробно изучен в пленках Al n"Nb [1]. Непосредственным приложением данных исследований стала разработка детекторов на основе разогрева электронов излучением, которые по совокупности чувствительности и быстродействия успешно конкурируют с детекторами других типов; однако ниобиевые и тем более алюминевые тонкопленочные устройства не могут использоваться для регистрации сигналов длительностью менее 0.5 не вследствие больших значений временя олектрон-фононного взаимодействия в этих материалах при температурах Т <ТС.

Существующие в настоящее время традиционные приемные устройства (структуры SIS, джозефсоповскпе контакты, диоды с барьером Шотткп и др.) также не могут пока удовлетворить потребности в быстродействующих детекторах субиллпметрового и ИК диапазонов-. В связи с этим актуальным является поиск новых сверхпроводниковых материалов, демонстрирующих неравновесный отклик с постоянной времени пихосекундного диапазона. Перспективными для исследования являются сверхпроводники с сильной связью, в которых электрон-фононное взаимодействие необходимо должно обладать значительной интенсивностью. Одним по таких материалов является нитрид ниобия. Оценки постоянной времени отклика на излучение пленок нитрида ниобия различными авторами давали велйчипу порядка Ю~10 с [2], однако

природа такого быстрого отклика не исследовалась. Сильная грану-лпрованность пленок нитрида ниобия делает возможным проявление в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах эффекта Джозефсона на межгранульных слабых связях, который также имеет пикосекунд-ные постоянные времени. При этом кинетические процессы в пленке могут быть полностью замаскированы эффектом Джозефсона, поэтому при изучении отклика пленок нитрида ниобия необходим тщательный анализ результатов эксперимента и использование излучения широкого спектрального интервала (вплоть до оптики).

Цель и основные задачи работы.

Целью настоящей работы является исследование механизмов отклика тонких пленок ИБИ на излучение миллиметрового и инфракрасного диапазонов спектра, изучение величины и температурной зависимости времени взаимодействия электронов с тепловыми фононами в данном материале при низких температурах," а также создание кон-курентноспособного чувствительного детектора субмиллпметрового и ИК диапазонов с постоянной времени ~ 10 пс.

Новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что при воздействии излучения миллиметрового и инфракрасного диапазонов на структурированные пленки нитрида ниобия толщиной 70— 900А с поверхностным сопротивлением 15-г 600 Ом в резистивном состоянии наблюдается неравновесный отклик н болометрический эффект; джозефсоновскпй и туннельный квазичастпчнып эффекты в исследуемых пленках не проявляются.

2. Показано, что характерное время отклика структурированных пленок нптрнда ниобия толщиной (1 < 140Д в резнстивном состоянии на ампяптудно-модуяированное миллиметровое (А = 1.5 мм) излучение возрастает от сг 30 пс до ~ 200 пс при понижении темпераг туры от 5.5 К до 1.6 К.

3. Впервые исследован отклик пленок КЬИ толщиной сI < 120Д при . температурах Т ~ 0.9Тс на 20-ш:кос№ундпые лазерные импульсы (А = 1.06 /ш) с временным разрешением аппаратуры ~ 20 пс. При Г ~ 10 К получен импульсный отклик образцов с временем нарастания п спада сигнала « 50 пс, что свидетельствует о времени релаксации сопротивления пленок < 20 ас при данной темпера-

туре. Показано, что отклик исследуемых образцов имеет одну и ту же (неравновесную) природу п примерно одинаковую величину в миллиметровом и ИК диапазонах.

4. Впервые измерено время взаимодействия электронов с тепловыми фононами терд в пленках нитрида ниобия при гелиевых температурах, которое составляет ~ 50 пс при Т = 4.2 К, и получена температурная зависимость г„рд ~ Т~16 при температурах Т < 6 К. Обнаружено уменьшение времени электрон-фононного взаимодействия гер|, в пленках ¡ЧЬИ при возрастании длины свободного пробега электронов I.

5. Впервые получен и исследован двухкомпонентный отклик пленок нитрида ниобия на амплитудно-модулированное излучение миллиметрового диапазона II на лазерные импульсы ИК диапазона. Показано, что быстрый компонент связан с неравновесным распределением квазичастиц по энергии, а медленный компонент - с болометрическим эффектом; соотношение между амплитудами медленного и быстрого компонентов определяется отношением электронной п фононной теплоемкостей пленок. При увеличении толщины пленок более 250 А в отклике пленок на лазерные импульсы проявляются диффузионные процессы распространения оперши в образце.

6. Разработан и реализован быстродействующий детектор субмнлли-метрового и инфракрасного диапазонов па основе неравновесного отклика пленок нитрида ниобия с постоянной времени ~ 10 пс и предельно обпаружимой мощностью МЕР < 10~12 Вт-Гц-1/2.

Эти положеппя выносятся на защиту.

Практическая (значимость работы состоит а следующем!

, - реализовала автоматизированная измерительная установка на основе ламп обратной полны для измерения пременп релаксации сопротивления топких пленок проводников в коротковолновой части миллиметрового диапазона с времепным разрешением ~ 30 пс;

- создан чувствительный детектор субмиллггметрового и инфракрас-

ного диапазонов на основе тонких пленок нитрида ниобия с постоянной

времени ~ 10 пс для использования в быстрой спектроскопии, дпагпо-

стике плаомы, лазерных методах исследования вещества и других областях;

- оценены перспективы применения пленок NbN для создания смесителей субмиллиметрового и ИК диапазонов.

Апробация работы.

Основные результаты настоящего исследовайия докладывались на:

- XII Всесоюзной Научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ (Киев, 25-27 сентября 1990 г.);

- Международной Конференции по прикладной сверхпроводимости "1990 Applied Superconductivity Conference" (Snowmass, USA, September 24-28,1990);

- 3 Международной Конференции "Superconductive Electronics Conference" (Glasgow, Scotland, June 25-27,1991);

- 1-ом Украинской Симпозиуме "Физика и техника миллиметрового и субмпллиметрового диапазонов" (Харьков, 15-17 октября 1991 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано девять печатных работ (список приведен ниже).

Объем и структура работы.

Настоящая диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем работы составляет 143 страницы, включая 26 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 115 наимеповааий.

Основное содержание диссертации.

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, раскрывается новизна, научная и практическая ценность Полученных результатов, а также приводится краткое содержание и основные результаты диссертации.

В Diane 1 проводится обзор литературы по воздействию электромагнитного излучения на сверхпроводниковые пленки, а также по приемным устройствам субмпллиметрового и ИК диапазонов. В конце главы формулируется постановка задачи н обосновывается выбор объекта ■ исследования.

Кратко описаны болометрический и туннельные (квазичастичный и джозефсоновский) эффекты в сверхпроводниках. Показано, что чувствительность джозефсоновских и туннельных квазичастичных приемных устройств резко падает в коротковолновой части субмнлиметрово-го диапазона.

Рассмотрен отклик на излучение гранулированных пленок сверхпроводников > который имеет обычно значительную амплитуду в субмиллиметровом и ИК диапазонах; высокая чувствительность при этом дополняется малой постоянной времени. Для точного установления природы данного типа отклика необходимо не только подробное изучение электрофизических свойств пленок сверхпроводника, но п использование дополнительных критериев для идентификации механизмов отклика. В неоднородных пленках сверхпроводников (к которым относятся и гранулированные) могут проявляться как свойственные однородным разу-порядоченным системам эффекты слабой локализации [3], так и типичные для БК-структур эффекты джозефсоновского и кваоичастичного туннелирования. При этом изменение структуры материала и его электрофизических свойств, происходящее при усилении беспорядка, сопровождается ростом сопротивления пленки р или До. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что существует пороговое значение сопротивления Д. ~ ттК/2е2 и 6.45 кОм, выше которого фазовая когерентность не охватывает весь образец [4]; величина Не не зависит от толщины и, материала пленок. В случае небольших сопротивлений сверхпроводниковой пленки Ла < Л<. ее свойства соответствуют свойствам "грязного" проводника с малой длиной свободного пробега электронов I, Экспериментальное изучение отклика на излучение пленок гранулированных сверхпроводников, проведенное различными группами [2,5-7], показало, что в общем случае в отклике могут проявляться как болометрический и джозефсоновский эффекты, так и эффекты, связанные с неравновесными распределениями квазичастиц.

Йзучеппю неравновесных распределении квазичастиц и фононов в Сверхпроводниках в настоящее время уделяется большое внимапие. Такие распределения могут быть созданы воздействием электромагнитного излучения и транспортного тока, а также инжекцней через туннельный контакт. Один из перспективных нестационарных методов, справедливый для грязных пленок с малой длиной свободного пробега электронов, был предложен в работе [8]. Сущность метода состоит в исследовании изменения неравновесной части сопротивления пленки в

резистивном состоянии, обусловленном изменением функции распределения квазичастиц при воздействии излучения.

Для достаточно тонкой пленки сверхпроводника время ухода фононов из нее те, ~ 6. становится меньше времени фонон-электронного'рассе-яння ТрЬ,. Тогда излучаемые электронами неравновесные фононы покидают образец, не оказывая влияния на электронную подсистему, и, таким образом, фононы в пленке выполняют роль термостата. Неравновесная функция распределения электронов, вообще говоря, может существенно отличаться от фермиевской: ее вид зависит как от. частоты излучения, так и от механизма энергетической релаксации электронов. Если в релаксации доминирует электрон-электронный канал, т.е. тм(Т') <С тгр}\Т) (т„ - время неупругого электрон-электронного взаимодействий), то функция распределения, как и при болометрическом эффекте, является фермиевской, но температуры электронов и фононов различаются. Эффективная температура электронов © определяется уравнением энергетического баланса

с — = Р(в,л?2 - л(еп - г1) + д.,

где с, - удельная теплоемкость, j - плотность транспортного тока, Р_ - мощность излучения, поглощенного в единице объема пленки, А -параметр, характеризующий интенсивность электрон-фононного взап-модествия. Показатель степени л определяется температурной зависимостью времени релаксация электронной температуры.

В заключительной части обзорной главы рассмотрена сложившаяся ситуация в области создрляя быстродействующих детекторов- и широкополосных смесителей субмнллпметрового и инфракрасного диапазонов спектра. В длинноволновой части субмиллпметрового диапазона среди приемных устройств лидирующее положение занимают БК-кон-такты, а на более коротких волнах - дноды с-барьером Шотткн. В блпжнем ИК диапазоне наиболее продвинутыми являются полупроводниковые фотопрпемнпкп, чувствительность которых, однако, резко падает при малых значениях энергии кванта пзяученпя ки < 2?д -величина энергетической щелп полупроводника). Значительные успехи -были достигнуты в области создания болометров (в том числе сверхпроводниковых); однако эти устройства обладают обычно малым быстродействием. Одним из перспективных явлений для создания быстродействующих детекторов является эффект разогрева электронов излучением, рассмотренный выше. На основе данного эффекта в пленках

ниобия был создал широкополосный детектор, который по совокупности чувствительности и быстродействия в дальнем ИК диапазоне имеет преимущества перед известными.

Глава 2 посвящена методике и технике эксперимента. В ней дается описание обраодов, экспериментальной установки, методов измерений и обработки результатов.

Объектом исследования являлись структурированные пленки ИЬЬ' толщиной 70 -г 900Л и поверхностным сопротивлением 15 600 Ом, полученные реактивным магнетронным распылением ннобиевой мишени в смеси аргона и азота на полированные подложки из кварца или сапфира. Методом фотолитографии из пленок формировались полоски микронной ширины; длина полосок в зависимости от требований эксперимента варьировалась от 10 до 800 /ш. Сопротивление исследуемых пленок при изменении температуры от 300 до 20 К возрастало в 1.2 — 2.5 раза, однако зависимость И(Т) не носит активационно-го характера (она не может быть аппроксимирована экспоненциальной функцией) н тем самым не связана с наличием энергетической щели в плотности состояний электронов. Поверхностный нмпеданс пленок в диапазоне 1 4- 40 сш-1 не зависит от частоты, а действительная часть проводимости при Т > Тс примерно на 30 % больше, чем проводимость по постоянному току. Эти данные свидетельствуют о заметном вкладе диэлектрических прослоек в пленках в полную проводимость на постоянном токе. Тем не менее изучение пленок на сканирующем электронном микроскопе с разрешением ~ 0.01 мкм не выявило наличия гранул.

Коэффициент диффузип электронов И определялся по температурной зависпмостп второго критического поля IIС2 с помощью соотношения О = 1.086«104[(-с?Яеа/«гГ)г=т«]~1, в котором Я в Э, а В в см2-с-1. Оказалось, что в изучаемых нами пленках р ~ Г>-1 (рис. 1) и, следовательно, плотность состояний электронов на поверхности Ферми Ло — (е2рО)~1 эВ-1см-3 для всех пленок практически одинакова. Поэтому можно считать, что электронные параметры Щ и ур не зависят от /, а значение постоянной Зоммерфельда для данного материала составляет у = а 2.38 мДж-моль-1К~2, что примерно в 1.8

раза меньше величины 7 для объемного нитрпда ниобия (4.08 -5- 4.56 мДж-моль-1К~г).

Величина I исследуемых пленок, если принять разумное «значение «г ~ 10т см-с"1, попадает в интервал 3 -г- ЮЛ и близка к постоянной решетки нитрида ниобия. Поскольку размер гранул не может быть меньше постоянной решетки, то транспортные свойства пленок в области сверхпроводящего перехода определяются гранулами, а не межгранульными границами.

ОД

Рис. 1

3 (см'с1)

Сплошная линия соот-

ветствует зависимости. Р~ 2Г1.

Для достижения низких температур образцы помещались в оаливной гелиевый криостат либо в машину замкнутого цикла. Источниками излучения служили лампы обратной волны в миллиметровом диапазоне, ипульсный ваАв лазер (длина волны излучения 1.06 /хм, средняя мощность в импульсе ~ 1 Вт, полуширина импульса 20 пс) в ближнем ИК и непрерывный НеИе лазер в оптическом диапазоне спектра. Для полунения устойчивого резистивного состояния в пленках NbN при температурах ниже точки сверхпроводящего перехода применялось магнитное поле напряженностью 0 - 100 кЭ, создаваемое сверхпроводящим соленоидом.

Для измерения времен релаксации сопротивления исследуемых пленок в миллиметровом диапазоне применялась автоматизированная измерительная установка, использующая биения двух ламп обратной волны и имеющая временное' разрешение ~ 30 пс. Частота биений стабилизировалась с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. Времена определялись из зависимости величины отклика от частоты модуляции /. Для записи зависимостей амплитуды отклика от / использовались две различных схемы: с прямой регистрацией сигнала на частоте / для измерения величины отклика на частотах модуляции 0.01 -г 1 ГГц и с двойным преобразованием частоты при / = 1 4- 5.5 ГГц.

Отхлих образцов на пикосекундные лазерные импульсы исследовался стробоскопическим методом. Частота повторения импульсов ваАв лазера составляла 1-100 кГц; в качестве строб-интегратора использовался осциллограф С1-122 с входной полосой 18 ГГц (соответствующее время переходной характеристики ~ 20 пс). Предварительный усилитель фирмы МУТЕ<3 с полосой 20 ГГц и усилением 20 дБ обеспечивал

, • Т (К)

Ряс. 2. Рис. '3.

шумовую температуру га 400 К. Осциллограммы отклика фиксировались с помощью видеокамеры "Sony". - .

В Diane 3 приведены результаты стационарных и нестационарных измерении пленок NbN в резпстивном состоянии при воздействии амшштудно-модулированного излучения миллиметрового и оптическо-. го диапазонов. ' ,

Изучение токовых зависимостей вольт-ваттной чувствительности Sv и температурной крутизны напряжения Кц в пленках NbN толщиной 70-г200А при различных значениях температуры и напряженности магнитного поля проводилось модуляционным способом; диапазон частот модуляции излучения и теплового потока составлял 30 Гц - 5 кГц. Результаты исследования свидетельствуют, что отклик пленок нитрп-да ниобия на излучение миллиметрового и оптического диапазонов не связан с туннельными эффектами п может определяться только болометрическим аффектом либо неравновесными явлениями.

Проведено подробное исследование зависимости времени релаксации сопротивления образцов от температуры; искомое характерное время определялась из амплитудно-частотных характеристик отклика ДU(f) (частота модуляции излучения / варьировалась в диапазоне 0.01 - 5.5 ГГц). Полученные зависимости Д(У(/) образца толщпной 140 Л при четырех различных температурах'предст'авлепы на рис. 2. Такие зависимости хорошо описываются выражением AU = Д£/0[1 + (///o)3J_1/,i в котором /о - зависящая от температуры частота, соответствующая постоянной времени релаксации сопротивления г = (2тг/о)-1 и указанная на рисунке стрелкой. Результаты измерений г при разных трм-.пературах для двух образцов с различными коэффициентами диффу-

они О представ лены, на рис. 3 (о - Б = 0.38. см2с"\ « - Б = 0.28 см2с-1). Сплошные линии соответствуют зависимости г ~ Г-1,6, обеспечивающей наилучшее соответствие с экспериментальными данными. Пунктирная .линия - аппроксимация оависпмости г (Г) для одного та образцов к температуре 10 К. С учетом погрешности эксперимента показатель степени составляет 1.6 ± 0.1. Из проведенных экспериментов следует, что прп увеличении длины свободного пробега электронов I время г в исследуемых пленках уменьшается.

Измеренные характерные времена отклика являются по крайней мере на порядок более короткими, чем наблюдаются обычно при болометрическом эффекте (измеренные различными авторами минимальные болометрические времена различных материалов лежат в наносекундном диапазоне при толщинах пленок более 100 л). Кроме того, болометрическое время определяется тепловым сопротивлением на границе плен-ка-подпожка, которое практически не зависит от теммпер&туры. Мож-Н£Г-также утверждать, что постоянная времени эффекта не связана с • толщиной пленки, но зато оавпсит от длины свободного пробега электронов I = ЗЮ/ур. Мы связываем полученный отклик с релаксацией . неравновесной функции распределения квазичастпц; время отклика в данном случае определяется временем электрон-фононного'взаимодействия герл прп данной температуре термостата.

Проверка выполнения условия гее < необходимого для фермн-зацни неравновесной функции распределения электронов, показывает, " электрон-электронное взаимодействие действительно оказывается эффективнее электрон-фононпого. Строго говоря, величины ге, и тер\ в пленках ИЬК при Т ~ 10 К одного порядка (при том, что электрон-электронное время нами лишь оценивалось). Однако в ряде работ было покаоаио, что даже при небольшом превышении терн над т„ формируется функция распределения квазичастпц, близкая к фермиевской; поэтому мы можем считать, что функция распределения в исследуемых пленках описывается температурой в. ■ - ..

В большинстве опубликованных работ для тонких пленок металлов в интервале температур 1 -г 20 К были получены температурные зависимости тер)1{Т) ~ Т~т, где т меняется от а 1.3 до 3. Экспериментальные зависимости во многих случаях сильно отличаются от теоретических, рассчитываемых для дебаевского фононного спектра. В то же время в тонких металлических пленках зависимость плотности фо-нонных состояний от энергии может существенно отличаться от деба-

евской. Например, для случая пленки на акустически мягкой подложке и q?d -С 1 двумерный фононный спектр имеет вид ~ q2, откуда следует Ttph ~ r-J/2r» при условии i < d. Полученная в настоящей работе для тонких пленок экспериментальная оависимость т ~ Т~1Л и увеличение г с уменьшением длины свободного пробега электронов соответствуют этой модели. .

Поучение отклика пленок NbN толщиной более 200 А на амплитудно-модулированное получение миллиметрового диапазона показало, что для таких пленок в отклнке явно проявляются и болометрический, и. неравновесный компоненты с характерными временами, на.два порядка отличающимися друг от друга. На основании экспериментально по- • лученных зависимостей ДU(f) сделан вывод о большой величине ф'о-' нонной теплоемкости срь > с, в пленках нитрида ниобия уже при температуре Т = 4.2 К. Анализ полученных результатов показывает, что. экспериментальные данные удовлетворительно описываются моделью . однородного электронного разогрева в случае малой толщины пленок d < 140л; в -случае большой толщины пленок d > 200Ä необходимо использование дополнительных уравнений энергетического баланса для фононов.

' В Diane 4 изложены результаты изучения отклика пкепож NbN на плхосекундные нпзкоэнергетичпые лазерные импульсы инфракрасного диапазона.

Измерения, проведенные на пяти образцах различной толщины, показали, что отклик проявляется только при температурах, близких к Те пленок, и пмеет абсолютный максимум по температуре и транспортному току; температура в точке максимума сигнала составляла а 0.9Тс. Из осциллограмм отклика образцов следует, что максимальное напряжение сигнала составляло значения ~ 150 мВ (коэффициент передачи широкополосного усилителя составляя" 20 дБ). С учетом отношения площади поверхпостл образцов (~ 5 • 10~в см2) к площади освещаемого лазеромлятна (~ 2 • 10~3. см2) вольт-ваттдая чувствительность образцов принимала значения ~ 100 В/Вт,- что прнмерпо соответствует значениям Sp в миллиметровом диапазоне.

Время нарастания сигнала для всех образцов составляло величину cü 50 пс, которая соответствует временному разрешению аппаратуры. .Время спада сигнала варьировалось от образца к образцу в зависимости от рабочей температуры а толипшь: образцов. Для образца

толщиной 120А при Т = 6.5 К время спада сигнала составляло около 60 пс; в нижней части отклика образца наблюдался выход на медленную релаксацию сопротивления с характерным временем спада сигнала с* 100 пс. Для более тонкого образца (й — 70 А) при температуре Т ^ 7.8 К ' время спада сигнала, так же как и время нарастания, составляет 50 пс; здесь также наблюдается выход на медленную релаксацию сопротивления в завершающей части импульса. Отношение амплитуд быстрого и медленного компонентов отклика для этих образцов составляло « 10 раз.

Образец толщиной с1 — ЮОА при температуре 10.5 К имеет только быструю составляющую со временем нарастанпя и спада сигнала ~ 50 пс (рис. 4). Форма импульса в данном случае в точности определяется шириной полосы схемы реги-. страции. Принимая во внимание 10 2 % точность измерении и аддитив-- ность величины квадрата времени импульсной реакции схемь1 по отно- рис. '4>

шенпю к характерным временам составляющих ее элементов т]игя = Г1 + г2 + можно заключить, что время релаксации сопротивления образца толщиной ЮОА при температуре 10.5 К составляет величину • г < 18 пс.

В отклике относительно толстого образца толщиной 3, = 250А при температуре ~ 10 К ясно наблюдались два компонента отклика - быстрый с характерным временем г/ а 50 пс п медленный с постоянной времени 200 пс. Отклик образца толщиной в, — 500А при температуре 11.2 К имел только медленную составляющую; форма кривой релаксации сопротивления не являлась экспоненциальной.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что увеличение отношения амплитуд быстрого п медленного компонентов с ростом температуры в случае тонких (с/ < 120л) пленок связано с ростом отношения фононноп и электронной тепяоемкостей пленки срь/с,, и что быстрей компонент отклика, как и в миллиметровом диапазоне, имеет неравновесную природу. Полученные результаты хорошо согласуются со оценками длительности и амплитуды неравновесного отклика пленок . нитрида ниобия в ИК диапазоне, сделанными на основе результатов,

полученных в Пи. 3. Более медленный компонент отклика в случае относительно толстых пленок > 200А) объясняется диффузионным распространением поглощенной энергии в пленке, связанной с малой величиной глубины проникновения ИК излучения в пленку 6 ~ 100л.

В целях более точного анализа экспериментальных данных было осуществлено моделирование на ЭВМ отлпка пленок нитрида ниобия на лазерные, импульсы в рамках расширенной феноменологической модели, основанной на уравнениях энергетического баланса для электронов и фононов. Расчет отклика производился методом интеграла Дюамеля. Показано, что в случае малой толщины пленок й < 120А экспериментально полученные осциллограммы соответствуют расчетным.

■ ь.

Глава 5 посвящена исследованию перспектив применения неравновесного отклика пленок NbN для создания приемников субмиллиметро-. вого и ИК диапазонов.

Дано описание детектора субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов на Основе перавповесного отклика тонких пленок ЫЬМ, по сочетанию чувствительности п быстродействия обладающего рекордными, характеристиками на данном участке спектра [9]. С помощью охлаждаемого малошумящего услптеля (центральная частота 1.5 ГГц, ширина Полосы 0.6 ГГц, шумовая температура ~ 10 К, рабочая температура 20 К) для данного детектора было получено напряжение шума < 1 • Ю~10 В-Гц"1/2 и соответствующее значение ИЕР < 10~п Вт-Гц-1/2. Исходя из измеренного значения напряжения шума, можно заключить, что • динамический диапазон описываемого детектора составляет а 100 дБ.

Проведено численное моделирование смесителя на основе неравновесного отклика пленок 1ЧЬ и №>Г1. Расчет параметров смесителя показывает, что коэффициент преобразования 17 такого устройства может превышать 1, а Для шумовой температуры смесителя на основе пленок МЬИ возможно получение значений Тдг 40 К. Измерения-параметров смесителя па основе пленок ИЬ показали, что для данного устройства экспериментальные характеристики хорошо соответствуют рассчитанным по модели электронного разогрева. Для пленок питрп'дз ниобия можно ожидать удовлетворительное. согласие расчетов с эксперпмен-. том.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные •а настоящей работе.

В Приложении даны программы расчета на ЭВМ отклика пленок нитрида ниобия на лазерные импульсы методом интеграла Дюамеля.

Выводы.

1. Показано, что при воздействии получения миллиметрового п инфракрасного диапазонов на пленки нитрида ниобия толщиной 70-f 900л с поверхностным сопротивлением 15 -f 600 Ом в резистивном состоянии наблюдается неравновесный отклик и болометрический эффект; джозефсоновский и туннельный аффекты в исследуемых пленках не проявляются, несмотря На заметный вклад межгранульных барьеров в сопротивление по постоянному току.

2. .Реализована автоматизированная измерительная установка на основе ламп обратной волны для измерения времени релаксации сопротивления тонких пленок проводников в миллиметровом диапазоне (А = 1,4 -г 2.5 мм) с временным разрешением ~ 30 пс. .

3. Показано, что характерное время отклика структурированных пленок нитрида ниобия толщиной d < 140л в резистивном состоянии па амплнтудно-модулнрованное миллиметровое (А = 1.5 мм) излучение возрастает от ~ 30 пс до 200 пс при понижении температуры от 5.5 К до 1.6 К. •

. 4. Впервые исследован отклик пленок NbN толщиной d < 1.20Л при температурах Т а 0.97]. на 20-пикосекундные лазерные пмпульсы (А = 1-06 рш) с временным разрешением аппаратуры ~ 20 пс. При Т о; 10 К получен импульсный отклик образцов с временем нарастания и спада сигнала ~ 50 пс, что свидетельствует о времени релаксации сопротивления пленок < 20 не при данной температуре. Показано, что отклик исследуемых образцов имеет одну и ту же (неравновесную) природу и примерно одинаковую величину в миллиметровом и ПК диапазонах.

5. Впервые измерено время взаимодействия электронов с тепловыми фононамц терк в пленках нитрида ниобия при гелиевых температурах, которое составляет ~ 50 пс при Т = 4.2 К, п получена температурная зависимость тер/, ~ Г~1,6 при температурах Т < 6 К. Отличие эксперц-< ментально измеренной зависимости терд(Г) от теоретически предсказываемой объясняется модификацией фононного спектра в тонких ра-зупорядоченных пленках. Обнаружено уменьшение времени элгктрон-фопошюго взаимодействия при увеличении длпны свободного пробе-га^эпектронов I, что связало со значительной ролыо интерференции

электрон-фононного п электрон-примесного взаимодействуя в пленках NbN при низких температурах.

6. Впервые получен и исследован двухкомпонентный отклик пленок нитрида ниобия на амплитудно-модулнрованное излучение миллиметрового диапазона и на лазерные импульсы ИК диапазона. Показано, что быстрый компонент связан с неравновесным распределением квазичастиц по энергии, а медленней компонент - с болометрическим эффектом; соотношение между амплитудами медленного и-.быстрого компонентов определяется отношением электронной и фононяой тепло-емкостей пленок. При увеличении толщины пленок более 250 А в откли-' ке пленок на лазерные импульсы проявляются диффузионные процессы ' распространения энергии в образце. Показано, что полученные резуль- . таты хорошо описываются феноменологической моделью, основанной на уравнениях энергетического баланса для фононов п электронов., ' ■

7. Разработан п реализован быстродействующий детектор субмпл-" лиметрового и инфракрасного диапазонов на основе неравновесного отклика пленок нитрида ниобия с постоянной времени ~ 10 пс и предельно обнаружимой мощностью NEP < 10~13 Вт-Гц""1^.

8. Оценены перспективы применения пленок NbN для создания сме- • сптелей субмпллпметрового п ИК диапазонов. - ' ,

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: •

1. Ю.П.ГУсез. Смеситель миллиметрового диапазона волн на основе разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводника. Материалы ХХП Всесоюзной студенческой конференции "Студент и научно-техннческпй прогресс", Новосибирск, 1988, с. 9-12.

2. Е.М. Герщепзон, Г.Н. Гольцман, И.Г. Гогпдзе, Ю.П. Гусев, А.И. Елантьев, B.C. Караспк, А.Д. Семенов. Смеситель миллиметрового п субмпллпметрового диапазонов волн на основе разогрева электронов в резпстпвном состоянии сверхпроводнвковых пленок. СФХТ, 1990, т'.

3. N 10 (часть 1), с. 2143-2100.

3. Е.М.Гершензон, Г.Н.Гольцман, Ю.П.ГУсев, А.Д.Семенов. Детекторы и смесители миллиметровых и субмшлиметровых волн на основе разогрева электронов в резпстпвном состоянии сверхпроводника. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "ТЬердотельная электроника СВХГ, Киев, КПП, 1990, стр. 100-101.

4. Е.М. Gershenzon, G.N. Gol'tsman, Y.P. Gousev, A.I. Elant'ev, and A.D. Semenov. Electromagnetic radiation mixer based on electron heating in resistive state of superconductive Nb and YBaCuO films. IEEE Trans.

on Mag., 1991, Vol. 27, No 2, Part 2, pp. 1317-1320. 6. E.M. Gershenzon, G.N.Gol'tsman, Y.P.Gusev, I.G.Goghidze, A.I. Elan-t'ev, A.D. Semenov, A.V. Setgeev. Ultrafast mechanism of radiation detec-.' tion in Nb, NbN and YBaCuO thin films. Ill International Superconductive • Electronics Conference, Glasgow, 1991, pp. 208-211.

6. G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov, Y.P. Gousev, M.A. Zorin, I.G. Gog-hidze, E.M. Gershenzon, P.T. Lang, W.J. Knott and K.F. Renk. Sensitive Picosecond NbN Detector for Radiation from Millimeter Wavelengths to Visible Light. Ill International Superconductive Electronics Conference, Glasgow, 1991, pp. 524-527.

6*. G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov, Y.P. Gousev, M.A. Zorin, I.G.Goghidze, E.M. Gershenzon, P.T. Lang, W.J. Knott and K.F. Renk. Sensitive Picosecond NbN Detector for Radiation from Millimeter Wavelengths to Visible Light. Supercond.: Sei. and Technol., Vol. 4, 1991, pp. 453-456.

7. E.M. Гершензон, Г.Н. Гольцман, Ю.П. Гусев, А.Д. Семенов. ВТ-СП смесителй на основе разогрева электронов. Тезисы докладов 1-го Украинского симпозиума "Физика и техника ММ и СММ радиоволн", Харьков, 15-17 октября 1991 г., Часть 1, с. 109-110.

8. Б.М. Воронов, Е.М. Гершензон, Г.Н. Гольцман, И.Г. Гогидзе, Ю.П. Гусев, М.А. Зорин, JI.A, Сейдман, А.Д. Семенов. Детектор

' пикосекундного диапазона на основе сверхпроводящей пленки нитрида ниобия, чувствительный к излучению в спектральной области от миллиметровых волн до видимого света. СФХТ, 1992, т.5, N 5, с.955 - 960.

9. Е.М. Гершензон, Г.Н. Гольцман, Ю.П. Гусев, А.Д. Семенов. Неравновесный отклик тонких пленок нитрида ниобия на излучение миллиметрового и оптического диапазонов. СФХТ, 1993, т. 6, N 6, с. 11981210.

*

Литература

1. Е. М. Гершензон н др. ЖЭТФ, 1990, т. 97, с. 901.

2. K.Weiser et al. J.Appl.Phys., 1981* Vol. 52, No. 7, pp.4888-4889.

3. Б.И.Шкловский, А.Л.Эфрос. Электронные свойства легированных

полупроводников, М., Наука, 1979.

4. Б.И. Белевцев. УФН, 1990, т. 160, вып.1, с. 65 - 98.

5. D.U. Gubser et al. Sol. St. Com., 1979, Vol. 32, pp. 449-453.

6. inStrom et al. Phys. Rev. B, 1990, Vol.42, No 7, pp. 4059 - 4063.

1. Y.Enomoto et al. J. Appl. Phys., 1986, Vol. 59, No 11, pp.3807 - 3814.

8. E.M: Гершензон и др. Письмал ЖЭТФ, 1981, т. 34, с. 281:285.

9. Yu.P. Gousev et al. Accepted foi publication in J. Appl. Phys., 1994.