Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Ф1*

Фоминский Михаил Юрьевич

Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах

Специальность 01.04.01: «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

2 4 Ф^В 2011

МОСКВА-2011

4856108

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Защита состоится « 18» февраля 2011 г., в 12- , на заседании диссертационного совета Д.002.231.03 при ИРЭ им. В А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В А. Котельникова РАН.

Тарасов Михаил Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Куприянов Михаил Юрьевич

кандидат физико-математических наук, Финкель Матвей Ильич

Ведущая организация:

Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН

Автореферат разослан « » января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совет? ' кандидат физико-математических наук

/

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Изучение межзвездного пространства происходит на основании изучения электромагнитного излучения, и сверхпроводниковые детекторы играют ключевую роль в исследовании проблем астрономии и космологии, позволяя создавать приемные устройства с рекордными параметрами. Важнейшими свойствами сверхпроводниковых детекторов являются высокая нелинейность сверхпроводниковых элементов, возможность создания массива приемных элементов, возможность интеграции большого числа элементов в одну схему и предельно низкие собственные шумы. В настоящее время в миллиметровом (длины волн от 1 мм до 10 мм) и субмиллиметровом (длины воли от 0.1 мм до 1 мм) диапазоне длин волн сверхпроводниковые детекторы играют важнейшую роль. Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли ограничивается существенным поглощением терагерцового излучения в атмосфере, в основном парами воды. По этой причине радиотелескопы субмиллиметрового диапазона располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту высотных зондов, исследовательских самолетов и спутников. Актуальной задачей является создание компактных и высокочувствительных детекторов в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Целевыми параметрами при разработке детекторов является мощность эквивалентная шуму (МЭШ) на уровне Ю~20 Вт/Гц"2 в диапазоне 40-500 мкм для 100x100 элементов решетки болометров при температурах менее 100 мК [1], [2], [3]. Параметры существующих детекторов недостаточны для решения этой практической задачи. Таким образом, актуальность настоящей работы заключается в разработке чувствительного детектора субмиллиметрового диапазона длин волн. Анализ показывает, что предложенная нами концепция болометра на

холодных электронах с сильной электротермической обратной связью может стать лидирующей концепцией в этом развитии.

Интерес к криогенным болометрам в качестве систем некогерентного приема субмиллиметрового диапазона длин волн обусловлен высокой чувствительностью (МЭШ 10"18 Вт/Гц"1й), широким диапазоном рабочих частот и отсутствием принципиальных ограничений при использовании в терагерцовом диапазоне. Значительный прогресс достигнут в разработке болометра на основе перехода из сверхпроводящего в резистивное состояние (БКП), однако его чувствительность ограничена избыточными шумами и перегревом токами электротермической обратной связи, задающими рабочую точку устройства. Параметры болометра на горячих электронах с андреевским отражением (АБГЭ) ограничены величиной энергетической щели сверхпроводящего материала. Конструкция болометра на холодных электронах (БХЭ), разработанного в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН совместно с Чалмерским технологическим университетом, является развитием идеи АБГЭ с дополнительным прямым электронным охлаждением и заменой «андреевских контактов» (сверхпроводник - нормальный металл) туннельными СИН переходами (сверхпроводник - изолятор - нормальный металл) [4]. Концепция БХЭ обладает целым рядом преимуществ, наиболее важным из которых является возможность электронного охлаждения, приводящего к возрастанию отклика по сигналу и существенному снижению электронных шумов. БХЭ избегает дополнительного теплового перегрева (главной проблемы БКП) и заменяет его прямым электронным охлаждением абсорбера, что является поворотным пунктом в реализации современных сверхчувствительных детекторов. Такое охлаждение может оказаться особенно важным при реализации в присутствии реальной тепловой фоновой нагрузки.

Все вышесказанное позволяет сформулировать основные задачи данной работы.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является разработка сверхчувствительных криогенных болометров на холодных электронах (БХЭ), согласованных с антенным облучателем, обладающих высокой чувствительностью и низкой шумовой температурой для применения в радиоастрономии, и исследование физических принципов работы БХЭ с целью улучшения шумовых и сигнальных характеристик приемных структур на основе БХЭ.

Объект исследования

Объектом исследования являются болометры на холодных электронах (БХЭ) согласованные с квазиоптическими антенными системами, изготовленные на диэлектрических подложках кремния.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана методика изготовления чувствительного элемента болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску, позволившая добиться улучшения характеристик и повышения воспроизводимости электрофизических параметров приемных структур на основе БХЭ. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм.

2. Разработай, изготовлен и экспериментально исследован БХЭ. Отношение сопротивлений туннельного перехода Г^/Як при напряжениях ниже и выше сверхпроводящей щели при нулевом смещении достигало 1000 при рабочей температуре 0.26 К. Измерены

электрические характеристики БХЭ: чувствительность 4*108 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10"1' Вт/^Гц.

3. В системе с двумя переходами сверхпроводник - изолятор -нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИН переходами для измерения температуры достигнуто снижение электронной температуры от 250 мК до 90 мК, что соответствует лучшим опубликованным результатам.

4. Измерен оптический отклик по напряжению БХЭ в гонкой пленке нормального металла структуры сверхпроводник - изолятор-нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС) на излучение высокотемпературного джозефсоновского перехода в терагерцовом диапазоне. Максимум отклика болометра с двойной днпольной антенной был зарегистрирован на частоте 300 ГГц, которая соответствует расчетной. БХЭ было зарегистрировано излучение джозефсоновского перехода на частотах до 1,7 ТГц.

Научная новизна

1. Впервые реализован БХЭ и исследованы особенности его работы.

2. Впервые измерены шумовые и оптические сигнальные характеристики БХЭ. Измеренная чувствительность 4*108 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10"" ВтЛ'Гц.

3. Впервые измерен оптический отклик БХЭ и показано, что возможно использование БХЭ на частотах как минимум до 1.7 ТГц.

4. Проведены измерения электронного охлаждения болометра от фононной температуры 250 мК до электронной температуры 90 мК, что позволило на порядок увеличить отклик по напряжению.

Практическая ценность работы

1. Разработана методика изготовления БХЭ с минимальным размером чувствительного элемента приемной структуры 0.1 мкм, высоким качеством туннельных переходов -1000).

2. Показано, что БХЭ обладает высокой чувствительностью (~4*108В/Вт) и низким уровнем шумовых характеристик (~10"17 ВтЛ'Гц), что позволит создавать детекторы субмиллиметровых длин волн с рекордными параметрами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная технология изготовления болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску позволяет получать образцы с отношением сопротивлений при нулевом смещении порядка 1000. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм. Сигнальные характеристики составляют 4*108 В/Вт; мощность эквивалентная шуму 10'17 ВтЛ'Гц.

2. Использование электронного охлаждения БХЭ в конфигурации из двух переходов сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двух СИН переходов для измерения температуры позволяет достичь снижения электронной температуры от 250 мК до 90 мК.

3. Использование БХЭ позволяет регистрировать излучение в терагерцовом диапазоне на частотах до 1.7 ТГц.

Апробация работы

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 15 работах, в том числе в 6 статьях, из них 6 - в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ,

в 9 докладах на международных и российских конференциях с публикацией расширенных тезисов.

Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 60 мп. страниц.

Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: «Радиотехника и Электроника», «Письма в ЖЭТФ». Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание; они хорошо известны специалистам, на них имеются ссылки в научной периодике.

Личный вклад автора

Работы были выполнены М.Ю. Фоминским в соавторстве с сотрудниками лаборатории сверхпроводниковой электроники ИРЭ им. В А.Котельникова РАН, и Чалмерского технологического института (г.Гётеборг, Швеция). Автором разработана топология ИС БХЭ в среде AutoCAD, разработана методика изготовления и изготовлены образцы БХЭ с использованием электронной литографии методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску, автор принимал участие в проведении измерений электрических характеристик и оптического отклика образцов БХЭ в криостате с откачкой паров Hei, в обработке результатов и подготовке публикаций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из в»едения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертац,и и списка цитированной литературы. Работа изложена на 115 страницах, содержит 45 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы corоит из 35 работ.

Основное содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий обзор существующих типов болометров субмиллиметрового диапазона. Описаны общие концепции, параметры и реализация следующих типов болометров:

• болометр на основе резистивного перехода (§1.1), Оценка МЭШ дает ~4*10"19 Вт/^Гц для нагрузки ЮфВт и сверхпроводника с критической температурой 500 мК [5],

• болометр на основе кинетической индуктивности сверхпроводящего конденсата (§1.2), оценка МЭШ дает ~7*10"19 Вт/УГц для нагрузки 10 фВт и сверхпроводника А1 с критической температурой 1.2 К [5],

• болометр на горячих электронах как прямой детектор фотонов

(§1.3),

• болометр на горячих электронах с андреевским отражением (§ 1.4),

• болометр на холодных электронах (§ 1.5), Оценка МЭШ дает —1 * 10" 19 Вт/л'Гц для нагрузки ЮфВт и электронной температуры 50мК

[5].

Приведены краткий обзор принципов работы данных типов

болометров и их основные характеристики, такие как мощность

эквивалентная шуму (МЭШ), чувствительность по принимаемому

сигналу. Предложен принцип построения БХЭ. В заключении сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава

Во второй главе проведено исследование и анализ характеристик БХЭ, а также выработаны требования к параметрам БХЭ.

В §2.1 анализируется работа БХЭ с использованием уравнения теплового баланса, приведены результаты численных расчетов.

В §2.2 рассматривается вопрос о предельных шумовых характеристиках БХЭ в связи с высокими требованиями к МЭШ для будущих радиоастрономических проектов.

В §2.3 приведены результаты численного анализа чувствительности и шумовых свойств БХЭ с учетом уровня фоновой нагрузки (0.01 пВт для 100 мК) и реалистичных параметров БХЭ.

Третья глава

Третья глава посвящена технологии изготовления БХЭ и описанию оборудования для экспериментального исследования БХЭ. Приведены технологические карты основных этапов изготовления БХЭ.

В §3.1 дается описание топологии БХЭ. Рабочие структуры БХЭ изготавливали на кремниевых подложках размером 7.4x7.4 мм с 16 контактными площадками по периметру образца (Рисунок I). Каждый образец включал 6 БХЭ структур: одну интегрированную с логопериодической антенной (Рисунок 2), четыре с двойными дипольными антеннами для центральных частот 300 и 600 ГГц (Рисунок 3), одну тестовую структуру с двумя дополнительными туннельными переходами для измерения температуры вдоль полоски абсорбера. Характерный размер чувствительного элемента БХЭ составлял:

(З-Ю)мкм * (0,1~0,3)мкм * 0,06мкм.

Рисунок 1 Фотография чипа болометра с 16 контактными площадками и б БХЭ структурами. В центре расположена логопериодическая антенна, справа две двойных дипольных антенны для центральной частоты 300 ГГц, слева и внизу в центре для 600 ГГц.

Рисунок 2 Фотография центральной части логопериодической антенны с чувствительным элементом БХЭ (фотография сделана на электронном микроскопе Е1аШ1 в ИРЭ им.В.А.Котельникова РАН).

Рисунок 3 Фотография центральной масти двойной дипольной антенны с чувствительным элементом БХЭ и двумя дополнительными туннельными СИН переходами (фотография сделана на электронном микроскопе КакЪ в ИРЭ им.В.А.Котельникова РАН).

В §3.2 подробно описывается процесс изготовления БХЭ, который состоял из двух этапов: формирование контактных площадок и антенн на кремниевой пластине размером 51 мм посредством электронно-лучевой и фотолитографии, и разделение пластины со сформированными структурами на отдельные образцы размером 7.4x7.4 мм. Второй этап состоял в формировании на подготовленных образцах БХЭ посредством электронно-лучевой литографии и теневого напыления.

В §3.2.1 описывается процесс формирования контактных площадок и антенн на кремниевой пластине размером 51 мм.

В §3.2.2 приводится описание технологии теневого напыления с использованием двухслойного резиста с указанием параметров технологических процессов. Для изготовления субмикронных туннельных структур без разрыва вакуума нами применялась технология теневого напыления с использованием двухслойного резиста. Толщина нижнего слоя резиста при используемых параметрах нанесения

составляла 800 им, верхнего - 140 нм. Порядок толщин распыляемых материалов составлял: А1 =60 пт; Си=70 пт.

В §3.2.3 приводится описание процедуры формирования структур методом фотолитографии.

В §3.2.4 приводится описание процедуры формирования структур методом электронной литографии.

В §3.2.5 приводятся технологические карты резистов для электронно-лучевой литографии, использовавшихся в работе для формирования микроструктур.

В §3.2.6 приводится описание оборудования, вспомогательных материалов для напыления пленок.

В §3.2.7 приводится описание технологии создания туннельных переходов при помощи формирования трехслойных структур.

В §3.3 приводится описание и параметры оборудования, использованного для измерения электрического и оптического откликов БХЭ при милликельвиновых рабочих температурах, в частности описываются: электрическая измерительная система для криостата (§3.3.1), держатели для образцов БХЭ в криостате для проведения оптических измерений (§3.3.2), источник излучения черного тела с модулируемой температурой (§3.3.3), криостаты (§3.3.4).

Четвертая глава

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию параметров БХЭ, реализации электронного охлаждения и измерения оптического отклика БХЭ.

В §4.1 приведены результаты электрической и оптической квалификация БХЭ: температурный отклик болометра измерялся при охлаждении до 260 мК. Экспериментально наблюдался отклик в

диапазоне с1У/с1Т=(0.65-1.7) мВ/К, что соответствует чувствительности 8=(0.15-0.4)*109 В/Вт. Измеренные шумы на выходе усилителя составили Упа=4 нВ/Гц'й, что соответствует мощности эквивалентной шуму МЭШ=0.6.10"17 Вт/Гц"2. Для измерения чувствительности и шумов болометра по реальному микроволновому сигналу в качестве источника сигнала был использован источник излучения черного тела с модулируемой температурой. Измеренный оптический отклик по напряжению на излучение черного тела составил 20 мкВ, что находится в хорошем соответствии с электрической МЭШ измеренной при вариации температуры (Рисунок 4). Полученные результаты свидетельствуют об эффективности работы БХЭ.

Vc, mB

Рисунок 4 Отклик по напряжению БХЭ на изменение температуры (электрическая нагрузка, DVT) и на излучение черного тела (оптическая нагрузка, DV249mV).

В §4.2 приводятся результаты измерения электронного охлаждения БХЭ, позволяющие существенно снизить влияние этого паразитного перегрева токами утечки и улучшить характеристики БХЭ. Для изучения

электронного охлаждения в БХЭ были изготовлены и экспериментально исследованы БХЭ с двумя переходами сверхпроводник - изолятор -нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИН переходами для измерения температуры. Ток через СИК переход рассматривается как ток идеального СИН перехода и параллельный ток утечки. Эффективная электронная температура определяется из уравнения теплового баланса:

где ТрЬ - фононная температура, V - напряжение постоянного смещения, - шунтирующее сопротивление утечки, РЬ8П - мощность фонового излучения, Е - параметр материала абсорбера, Л - объем абсорбера. Численное решения уравнения дает значение установившейся электронной температуры Те в равновесии (Рисунок 5).

Рисунок 5 Кривая Рер соответствует электрон-фононкой передаче мощности Pep=(Tpi,5-Te5)£A при фононной температуре 250 мК, а кривые Pcooi-V2/Rs-Pbg соответствуют балансу мощности охлаждения и перегрева в болометре при напряжениях смещения на охлаждающих переходах 392 мкВ - 340 мкВ.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Т. (К)

Экспериментальное отношение сопротивлений при смещении на термометре 300 мкВ дает изменение электронной температуры от равновесной фононной 250 мК до 88 мК или на 162 мК (Рисунок 6).

Смещение на охлажд. переходах (иВ)

Рисунок 6 Электронная температура, полученная из отношения сопротивлений при смещении 300 мкВ на термометре.

В §4.3 приводятся результаты измерения отклика по напряжению БХЭ на излучение высокотемпературного джозефсоновского перехода в терагерцовом диапазоне. При температуре 260 мК температура джозефсоновского осциллятора существенно превышала равновесную температуру рефрижератора, и в отклике БХЭ появлялась парабола, соответствующая джоулеву разогреву.

В квазиоптической конфигурации (Рисунок 7) джозефсоновский переход находился при температуре 1.8 К, БХЭ - при температуре 260 мК.

I

Рисунок 7 Болометр и джозефсоновский генератор в квазиоптической конфигурации.

Максимум отклика болометра с двойной дипольной антенной наблюдался на частоте 300 ГГц, которая соответствует расчетной. Джозефсоновское излучение наблюдалось на частотах до 1.7 ТГц (Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10). Отклик болометра по напряжению достигает 4.108 В/Вт, полная мощность, эквивалентная шуму составляет 1.5* 10"17 Вт/Гц1Л.

о

V ДЖОмф.ИАЛуЧ. цУ

Рисунок 8 Отклик, измеренный болометром с двойной дипольиой антенной (верхняя кривая) и с логопериодическон антенной (нижняя кривая).

-[?езр037

........ Яе5р^16

19.11.2003

*)о49 Л 200 (1А гоигсе А656 ае!ес1ог 1од83 ЛП йоиЫе-ШрЫв !од84 Ц6/16 1од-репоЛс

V лжотефлилуч. jxV

Рисунок 9 Отклик болометра с двойной дипольной антенной, измеренный при двух значениях магнитного поля когда критический ток составляет 400 мкА (верхняя кривая) и 150 мкА (нижняя кривая).

1.2

1.0

5>

¡L 0.8

£ с

5 о.б

1С £

I 0А

6

0.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 V джатф.и V4. JJV

Рисунок 10 Отклик, измеренный при больших значениях напряжения смешения без магнитного поля. Последний максимум соответствует частоте 1.7 ТГц.

Заключение

В заключении сформулированы результаты диссертационной работы.

1. Разработана методика изготовления чувствительного элемента болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску, позволившая добиться улучшения характеристик и повышения воспроизводимости электрофизических параметров приемных структур на основе БХЭ. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм.

2. Разработан, изготовлен и экспериментально исследован БХЭ. Отношение сопротивлений туннельного перехода Г^Дм при напряжениях ниже и выше сверхпроводящей щели при нулевом смещении достигало 1000 при рабочей температуре 0.26 К. Измерены электрические характеристики БХЭ: чувствительность 4* 108 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10'17 Вт/\Гц.

3. В системе с двумя переходами сверхпроводник - изолятор -нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИИ переходами для измерения температуры достигнуто снижение электронной температуры от 250 мК до 90 мК, что соответствует лучшим опубликованным результатам.

4. Измерен оптический отклик по напряжению БХЭ в тонкой пленке нормального металла структуры сверхпроводник - изолятор -нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС) на излучение высокотемпературного джозефсоновского перехода в терагерцовом диапазоне. Максимум отклика болометра с двойной дипольной антенной был зарегистрирован на частоте 300 ГГц, которая соответствует расчетной. БХЭ было зарегистрировано излучение джозефсоновского перехода на частотах до 1.7 ТГц.

17

Публикации по теме диссертации

[А1]. М. Fominsky. М. Tarasov, L. Kuzmin, "Suspended SiN masks for shadow evaporation of bolometer structure", Proc. 1 Swedish-Russian-Finnish school for young scientists, Bjorkiiden, Sweden, March 11-18,2000, pp. 319-330.

[А2]. Тарасов, M., M. Фоминский. А. Калабухов, and Л. Кузьмин. "Экспериментальное исследование болометра на горячих электронах в нормальном металле с емкостной связью." Письма в ЖЭТФ, Октябрь 25,2002: 588-591.

[A3]. М. Tarasov, М. Fominsky. A. Kalabukhov, L. Kuzmin, Shot noise in mesoscopic SNS structures, Proc. 6th. Int. Workshop "From Andreev reflection to the International Space Station" (6WARISS), April 6-11, 2002, Bjorkiiden, Sweden.

[А4]. M. Fominsky. M. Tarasov, L. Kuzmin, Fabrication of capacitively coupled bolometers with SIN tunnel junctions, Proc. 6th. Int. Workshop "From Andreev reflection to the International Space Station" (6WARISS), April 6-11,2002, Bjorkiiden, Sweden

[А5]. M. Tarasov, M. Fominsky. A. Kalabukhov, L. Kuzmin, Hot electron nanobolometer with capacitive coupling, Proc. 6th. Int. Workshop "From Andreev reflection to the International Space Station" (6WAR1SS), April 611,2002, Bjorkiiden, Sweden

[А6]. Тарасов, M., JI. Кузьмин, M. Фоминский. И. Агуло, and A. Калабухов. "Электронное охлаждение в болометре на горячих электронах в нормальном металле" Письма в ЖЭТФ, 2003:1228-1231.

[А7]. М. Tarasov, М. Fominsky. I. Agulo, A. Kalabukhov, L. Kuzmin, Cold electron microbolometer with electron cooling, 6-th European Conference

on Applied Superconductivity EUCAS-2003, Sorrento-Napoli, Italy, 14-18 September (2003), p. 78.

[А8]. L. Kuzmin, I. Agulo, M. Fominskv. A, Savin, M. Tarasov. "Optimization of the electron cooling by SIN tunnel junctions", Proceedings of 6-th European Conference on Applied Superconductivity EUCAS-2003, Sorrento-Napoli, Italy, 14-18 September (2003).

[А9]. L. Kuzmin, M. Fominskv. A. Kalabukhov, D. Golubev, M. Tarasov '"Capacitively Coupled Hot-Electron Nanobolometer with SIN Tunnel Junctions", Proceedings of SPIE conference "Millimeter and Submillirneter Detectors", Waikoloa, USA, 4855,pp 217-22.7 (2003)

[А10]. Kuzmin, L.S., Fominskv. M., Kalabukhov, A., Goiubev, D. ,and Tarasov, M., "Capacitively coupled hot electron nanobolometer with SIN tuimel junctions." Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Conference Series, T. G. Phillips & J. Zmuidzinas, ed., 4855, pp. 217-226, Feb. 2003

[AllJ. Тарасов, M, JI. Кузьмин, M. Фоминский. А. Калабухов, and A. Выставкин. "Токовый шум в мезоскопических проводниках при низких температурах" Радиотехника и электроника, 2004:98-101.

[А12], М.Тарасов, Л.Кузьмин, Е.Степанцов, И.Агуло, А.Калабухов, М. Фоминский. З. Иванов, Т. Клаесон, Терагерцовая спектроскопия с джозефсоновским излучателем и СИНИС болометром, Письма в ЖЭТФ, Март 25,2004, т. 79, вып. 6, с. 356-361.

[А13]. Agulo, I., L. Kuzmin, М. Fominskv. and М. Tarasov. "Effective electron microrefrigeration by superconductor-insulator-normal metal tunnel junctions with advanced geometry of electrodes and normal metal traps." Nanotechnology, 2004: 224-228.

[A 14]. Kuzmin, L., I. Agulo, M. Fominskv, A. Savin, and M. Tarasov. "Optimization of electron cooling by SIN tunnel junctions." Supercond. Sci. Technol, 2004,17 ed.: 400-405.

[А 15]. Фоминский М.Ю.. Тарасов М.А., Кузьмин JI.C. Цепочки сверхчувствительных болометров на холодных электронах для космологических исследований, Всеросс. Конф. «Проведение научных исследований под руководством приглашенных исследователей в 2009 году», Москва, 30 ноября 2009 г.

Список литературы

1. European Space agency workshop. Cardiff: s.n., 2003. Technology requirements for future FIR Space astronomy.

2. European space agency workshop. Madrid: s.n., 2003. New Perspectives for Post-Herschel Far Infrared Astronomy from Space.

3. European programme. Paris: s.n., 2004. Cosmic Vision 2015-2025. Accepted at European science community meeting.

4. Kuzmin, L. On the concept of a hot-electron microbolometer with capacitive coupling to the antenna. Physica B: Condensed Matter. July 2000, Vols. 284-288,2, pp. 2129-2130.

5. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation Conf, "Mm and Submm Detectors for Astronomy". Kuzmin, L. 2004. Ultimate Cold-Electron Bolometer with Strong Electrothermal Feedback. Vol. 5498, pp. 349-361. http://dx.doi.org/10.1117/12.554317. ISBN: 0-8194-5430-3.

Подписано в печать:

14.01.2011

Заказ № 4830 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1 Криогенные болометры.

1.1. Болометры на основе резистивного перехода.

1.2. Болометры на основе кинетической индуктивности сверхпроводящего конденсата.

1.3. Болометр на горячих электронах как прямой детектор фотонов.

1.4. Болометры на горячих электронах с андреевским отражением.

1.5. Болометры на разогреве электронов в нормальном металле с туннельными СИН термометрами. Болометр на холодных электронах (БХЭ).

Глава 2 Предельные характеристики БХЭ.

2.1. Уравнения теплового баланса и токового отклика.

2.2. Предельные шумовые характеристики БХЭ.

2.3. Оптимизация работы БХЭ.

Глава 3 Конструкция болометра.

3.1. Топология образцов (антенны, абсорберы, СИН переходы).

3.2. Технология изготовления.

3.2.1. Процесс изготовления контактных площадок.

3.2.2. Технология теневого напыления с использованием двухслойного резиста.

3.2.3. Фотолитография.

3.2.4. Электронная литография.

3.2.5. Резисты для электронно-лучевой литографии.

3.2.6. Напыление пленок.

3.2.7. Технология изготовления переходов при помощи формирования трехслойных структур.

3.3. Измерительное оборудование.

3.3.1. Электрическая измерительная система для криостата.

3.3.2. Держатели для образцов в криостате.

3.3.3. Источник излучения черного тела с варьируемой температурой

3.3.4. Криостат.

Глава 4 Экспериментальные результаты.

4.1. Экспериментальное исследование болометра на холодных электронах в нормальном металле с емкостной теплоизоляцией.

4.2. Электронное охлаждение в БХЭ в нормальном металле.

4.3. Терагерцовая спектроскопия с джозефсоновским излучателем и БХЭ

Изучение межзвездного пространства происходит на основании изучения электромагнитного излучения, и сверхпроводниковые детекторы играют ключевую роль в исследовании проблем астрономии и космологии, позволяя создавать приемные устройства с рекордными параметрами. Важнейшими свойствами сверхпроводниковых детекторов являются высокая нелинейность сверхпроводниковых элементов, возможность создания массива приемных элементов, возможность интеграции большого числа элементов в одну схему и предельно низкие собственные шумы. В настоящее время в миллиметровом (длины волн от 1 мм до 10 мм) и субмиллиметровом (длины волн от 0.1 мм до 1 мм) диапазоне длин волн сверхпроводниковые детекторы играют важнейшую роль. Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли ограничивается существенным поглощением терагерцового излучения в атмосфере, в основном парами воды. По этой причине радиотелескопы субмиллиметрового диапазона располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту высотных зондов, исследовательских самолетов и спутников. Актуальной задачей является создание компактных и высокочувствительных детекторов в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Целевыми параметрами детекторов является мощность эквивалентной шуму (МЭШ) на уровне Ю"20 Вт/Гцш в диапазоне 40-500 мкм для 100x100 элементов решетки болометров при температурах менее 100 мК [1], [2], [3]. Параметры существующих детекторов недостаточны для решения этой практической задачи. Таким образом, актуальность настоящей работы заключается в разработке чувствительного детектора субмиллиметрового диапазона длин волн. Анализ показывает, что предложенная нами концепция болометра на холодных электронах (БХЭ) с сильной электротермической обратной связью может стать лидирующей концепцией в этом развитии.

Интерес к криогенным болометрам в качестве систем некогерентного приема субмиллиметрового диапазона длин волн обусловлен высокой

1Я 1/9 чувствительностью (МЭШ 10" Вт/Гц" ), широким диапазоном рабочих частот и отсутствием принципиальных ограничений при использовании в терагерцовом диапазоне. Значительный прогресс достигнут в разработке болометра на основе перехода из сверхпроводящего в резистивное состояние (БКП), однако его чувствительность ограничена избыточными шумами и перегревом токами электротермической обратной связи, задающими рабочую точку устройства. Параметры болометра на горячих электронах с андреевским отражением (АБГЭ) ограничены величиной энергетической щели сверхпроводящего материала. Конструкция болометра на холодных электронах (БХЭ), разработанного в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН совместно с Чалмерским технологическим университетом, является развитием идеи АБГЭ с дополнительным прямым электронным охлаждением и заменой «андреевских контактов» (сверхпроводник - нормальный металл) туннельными СИН переходами (сверхпроводник - изолятор - нормальный металл) [4]. Концепция БХЭ обладает целым рядом преимуществ, наиболее важным из которых является возможность электронного охлаждения, приводящего к возрастанию 4 отклика по сигналу и существенному снижению электронных шумов. Конструкция БХЭ позволяет избежать дополнительного теплового перегрева абсорбера (главной проблемы БКП) и заменяет его прямым электронным охлаждением, что является поворотным пунктом в реализации современных сверхчувствительных детекторов. Такое охлаждение может оказаться особенно важным при реализации в присутствии реальной тепловой фоновой нагрузки.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка сверхчувствительных криогенных болометров на холодных электронах (БХЭ), согласованных с антенным облучателем, обладающих высокой чувствительностью и низкой шумовой температурой для применения в радиоастрономии, и исследование физических принципов работы БХЭ с целью улучшения шумовых и сигнальных характеристик приемных структур на основе БХЭ.

Объектом исследования является болометр на холодных электронах согласованный с антенным облучателем, концепция которого разрабатывается в ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН в сотрудничестве с Чалмерским технологическим университетом (Гетеборг, Швеция). БХЭ представляет собой микросхему, включающую в себя полоску нормального металла субмикронных размеров, температура электронного газа которой измеряется при помощи туннельного перехода сверхпроводник — изолятор — нормальный металл (СИН); широкополосную приемную антенну и контактные площадки для соединения с измерительной аппаратурой. Концепция БХЭ позволяет решить существенную проблему сверхчувствительных детекторов — перегрев приемника фоновым излучением из-за высокой чувствительности детектора. Вся приходящая мощность удаляется из абсорбера в считывающую систему. Электронное охлаждение позволяет увеличить динамическое сопротивление и отклик БХЭ по сигналу. Измеренный отклик по сигналу 4х108 В/Вт и МЭШ=1.5х10"17 Вт/Гц"172 делают БХЭ одним из перспективных детекторов для астрономических приложений.

В результате выполнения работы создана рабочая модель болометра на холодных электронах и изучены его электронные и физические свойства. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая чувствительность и низкая шумовая температура.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан методика изготовления чувствительного элемента болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через 7 подвешенную резистивную маску, позволивший добиться улучшения характеристик и повышения воспроизводимости электрофизических параметров приемных структур на основе БХЭ. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм.

2. Разработан, изготовлен и экспериментально исследован БХЭ. Отношение сопротивлений туннельного перехода Rj/RN при напряжениях ниже и выше сверхпроводящей щели при нулевом смещении достигало 1000 при рабочей температуре 0.26 К. Измерены электрические характеристики о

БХЭ: чувствительность 4*10 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10" 17 ВтЛ/Гц.

3. В системе с двумя переходами сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИН переходами для измерения температуры достигнуто снижение электронной температуры от 250 мК до 90 мК, что соответствует лучшим опубликованным результатам.

4. Измерен оптический отклик по напряжению БХЭ в тонкой пленке нормального металла структуры сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (СИНИС) на излучение высокотемпературного джозефсоновского перехода в терагерцовом диапазоне. Максимум отклика болометра с двойной дипольной антенной был зарегистрирован на частоте 300 ГГц, которая соответствует расчетной. БХЭ было зарегистрировано излучение джозефсоновского перехода на частотах до 1.7 ТГц.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Разработанная технология изготовления болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску позволяет получать образцы с отношением сопротивлений при нулевом смещении порядка 1000. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм. Сигнальные характеристики составляют 4*108 В/Вт; мощность эквивалентная шуму 10"17 ВтЛуГц.

2. Использование электронного охлаждения БХЭ в конфигурации из двух переходов сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двух СИН переходов для измерения температуры позволяет достичь снижения электронной температуры от 250 мК до 90 мК.

3. Использование БХЭ позволяет регистрировать излучение в терагерцовом диапазоне на частотах до 1.7 ТГц.

Научная новизна:

1. Впервые реализован БХЭ и исследованы особенности его работы.

2. Впервые измерены шумовые и оптические сигнальные характеристики БХЭ. о

Измеренная чувствительность 4*10° В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10"17 ВтЛДц.

3. Впервые измерен оптический отклик БХЭ и показано, что возможно использование БХЭ на частотах как минимум до 1.7 ТГц.

4. Проведены измерения электронного охлаждения болометра от фононной температуры 250 мК до электронной температуры 90 мК, что позволило на порядок увеличить отклик по напряжению.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика изготовления БХЭ с минимальным размером чувствительного элемента приемной структуры 0.1 мкм, высоким качеством туннельных переходов (Ь^/Яи -1000).

2. Показано, что БХЭ обладает высокой чувствительностью (-4*108 В/Вт) и низким уровнем шумовых характеристик (~10"17 Вт/^Гц), что позволит создавать детекторы субмиллиметровых длин волн с рекордными параметрами.

Работы по созданию приемников на основе БХЭ являются актуальными и ведутся в соответствии с высочайшим уровнем требований к детекторам для радиоастрономических наблюдений.

1.. European Space agency workshop. Cardiff: s.n., 2003. Technology requirements for future F1. Space astronomy.

2. European space agency workshop. Madrid : s.n., 2003. New Perspectives for Post-Herschel Far Infrared Astronomy from Space.

3. European programme. Paris : s.n., 2004. Cosmic Vision 2015-2025. Accepted at European science community meeting.

4. Kuzmin, L. On the concept of a hot-electron microbolometer with capacitive coupling to the antenna. Physica B: Condensed Matter. July 2000, Vols. 284-288, 2, pp. 2129-2130.

5. Nahum, M. and Martinis, J. M. Ultrasensitive-hot-electron microbolometer. Appl. Phys. Lett. Nov. 29, 1993, Vol. 63, 22, pp. 3075-3077.

6. Zmuidzinas, J. and Richards, P. L. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics. Proceedings of the IEEE. Oct 2004, Vol. 92, 10, pp. 1597-1616.

7. Transition-edge microbolometer. Wentworth, S. M. and Neikirk, D. P. ed.] Kul B. Bhasin and Vernon O. Heinen. Orlando, FL, USA : s.n., 1990. Proc. SPIE: Superconductivity Applications for Infrared and Microwave Devices. Vol. 1292, pp. 148-154.

8. Wentworth, S. M. and Neikirk, D. P. Composite microbolometers with tellurium detector elements. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. Feb 1992, Vol. 40, pp. 196-201.

9. Еру, И. И. Высокочувствительные системы некогерентного приема инфракрасного диапазона. Радиофизика и радиоастрономия. 2006, Vol. 11,2, pp. 198-210.

10. Clarke, J., et al. Superconductive bolometers for submillimeter wavelengths. Journal of Applied Physics. Dec 1977, Vol. 48, 12, pp. 48654879.

11. Cabrera, B. Introduction to TES Physics. Journal of Low Temperature Physics. Apr 2008, Vol. 151, 1-2, pp. 82-93.

12. Гудкайнд, Дж. Применения сверхпроводимости, ed.] Н. И. Гинзбург. Успехи физических наук. Март 1972, Vol. 106, 3, pp. 505-525.

13. Меныциков, Е. М., et al. Сверхпроводниковый быстродействующий детектор на основе индуктивного неравновесного отклика пленки нитрида ниобия. Письма в ЖТФ. 1997, Vol. 23, 12, pp. 74-80.

14. Multiplexable kinetic inductance detectors. Mazin, B. A., et al. ed.] F. S. Porter, et al. 2002. Proc. 9th Int. Workshop Low temperature detectors. Vol. 605, pp. 309-312.

15. Simons, R. N. Coplanar waveguide circuits, components, and systems. New York : Wiley-IEEE Press, 2001.

16. Gol'tsman, G. N., et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Applied Physics Letters. August 6, 2001, Vol. 79, 6, pp. 705707.

17. Sergeev, A. V. and Reizer, M. Yu. Photoresponse mechanisms of thin superconducting films and superconducting detectors. International Journal of Modern Physics B. 1996, Vol. 10, 6, pp. 635-667.

18. Корнеев, A., et al. Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN. Квантовая электроника. 2005, Vol. 35, 8, pp. 698-700.

19. Santavicca, D. F., et al. Energy resolution of terahertz single-photonsensitive bolometric detectors. Applied Physics Letters. Feb 2010, Vol. 96, 8, pp. 083505 083505-3 .

20. Андреев, А. Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников. ЖЭТФ. 1966, Vol. 46, 5, pp. 1823-1828.

21. Выставкин, A., et al. Болометр на горячих электронах в нормальном металле с андреевским отражением в сверхпроводящих берегах. ЖЭТФ. Март 1999, Vol. 115, 3, pp. 1085-1092.

22. Nahum, М., Richards, P. L. and Mears, C.A. Design analysis of a novel hot-electron bolometer. Applied superconductivity, IEEE transactions on. Mar1993, Vol. 3, 1, pp. 2124-2127.

23. Kuzmin, L., Devyatov, I. and Golubev, D. "Cold-electron" bolometer with electronic microrefrigeration and the general noise analysis. Proceeding of SPIE: The 4th International conference on mm and submm waves. July 1998, Vol. 3465, pp. 193-199.

24. Nahum, M, Eiles, T M and Martinis, J M. Electronic microrefrigerator based on a normal-insulator-superconductor tunnel junction. Appl. Phys. Lett.1994, Vol. 65, 24, pp. 3123-3125.

25. Leivo, M, Pecola, J and Averin, D. Efficient Peltier refrigeration by a pair of normal metal/insulator/superconductor junctions. Appl. Phys. Lett. 1996, Vol. 68, 14, pp. 1996-1998.

26. Wellstood, F. C., Urbina, C. and Clarke, J. Hot-electron effect in Metals. Phys.Rev.B. 1994, Vol. 49, p. 5942.

27. Tsud, N. Pd/A1203 interaction: the influence of ionicity character of different alumina surfaces. Surface Science. 2002, Vols. 507-510, 1-3, pp. 808812.

28. Dolan, G J. Offset masks for lift-off photoprocessing. Appl. Phys. Lett. 1977, Vol. 31, 5, pp. 337-339.

29. Duband, L. and Collaudin, B. Sorption cooler development at CEA-SBT. Cryogenics. 1999, Vol. 39, 8, pp. 659-663.

30. Grossman, E. N. Lithographic antennas for submillimeter and infrared frequencies. IEEE. 1995, pp. 102-107.

31. Bardas, A. and Averin, D. Phys.Rev.B. 1995, Vol. 52, p. 12873.

32. Jochum, J., Mears, C. and Golwala, S. J.Appl.Phys. 1998, Vol. 83, p. 3217.

33. Quirion, D., Lefloch, F. and Sanquer, M. Physica E. 2002, Vol. 12, p. 934.

34. Golubev, D. and Kuzmin, L. J.Appl.Phys. 2001, Vol. 89, p. 6464.