Разработка и исследование сверхпроводниковых терагерцовых смесителей на электронном разогреве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

/м. о о - •// -/лл а ~ о

0 1* ^ ^ * / ( л и

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Чередиичеико Сергей Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРАГЕРЦОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОННОМ РАЗОГРЕВЕ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Гершензон Е.М., доктор физико-математических наук, профессор Гольцман Г.Н.

Москва-1999

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ......................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................7

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.............19

§1-1. Болометрические приемники прямого детектирования.............19

§1-2. Гетеродинные приемники на основе СИС и ДБШ смесителей. 22

§1-3. Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках................26

§1-4. Смеситель на горячих электронах с фононным каналом

охлаждения....................................................................................................34

§1-5. Смеситель на горячих электронах с диффузионным каналом

охлаждения........................................,...:.......................................................40

§1-6. ВТСП смесители на горячих электронах......................................42

§1-7.Обзор методов напыления тонких пленок Т^!^............................45

Выводы и постановка задачи....................................................................50

ГЛАВА2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТА............................................................................................. 52

§2-1. Установка для измерения полосы ПЧ NbN смесителей на

частоте 140 ГГц и методика эксперимента.............................................52

§2-2. Оптическая схема установки и методика измерения УВСО

болометра.......................................................................................................57

§2-3. Схема и методика измерения шумовой температуры ТЧЬЫ НЕВ

смесителей.....................................................................................................60

ГЛАВАЗ. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИВЫ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ЭЛЕКТРОННОМ РАЗОГРЕВЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИХ

ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ........................................................................66

§3-1. Напыление пленок №>М методом магнетронного распыления в

режиме стабилизации тока........................................................................66

§3-2 Морфология поверхности и кристаллическая структура пленок ИЬИ.................................................................................................................76

§3-3. Изготовление NbN смесителей методами фото- и электронной

литографий....................................................................................................81

§3-4. Результаты тестирования NbN HEB смесителей.........................90

§3-5. Выводы..................................................................................................95

ГЛАВА4. ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОСЫ ПЧ NBN СМЕСИТЕЛЯ НА

ЧАСТОТЕ 140 ГГЦ.............................................................................................97

§4-1. Полоса преобразования смесителя при температуре, близкой к

Тс и малой мощности гетеродина.............................................................97

§4-2. Полоса преобразования смесителя при температуре 4.2 К и

оптимальной мощности гетеродина......................................................101

§4-3. Перспективы расширения полосы ПЧ NbN смесителей..........114

§4-4. Выводы................................................................................................118

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ YBCO СМЕСИТЕЛЕЙ НА

ЭЛЕКТРОННОМ РАЗОГРЕВЕ.....................................................................120

§5-1. Изготовление YBCO смесителей на электронном разогреве... 120 §5-2. Зависимость'спектра ПЧ YBCO смесителей от их

геометрических размеров.........................................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................135

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА...........................................................138

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................138

Список основных сокращений и обозначений.

АЧХ -амплитудно-частотная характеристика.

ВАХ -вольт-амперная характеристика.

ВТСП высокотемпературный сверхпроводник.

ВЧ -высокая частота.

ДБШ -диод с барьером Шоттки.

ИК инфракрасный диапазон волн.

ММ -миллиметровый диапазон волн.

НЕВ -болометр на горячих электронах в сверхпроводниковых плёнках в рсзистивпом состоянии (англ. Hot Electron Bolometer).

ПЧ -промежуточная частота.

СИС -туннельный переход сверхпроводпик-изолятор-

сверхпроводник.

СубММ -субмиллимстровый диапазон волн

у -частота излучения.

0 -электронная температура,

р -удельное сопротивление.

соо -промежуточная часто та, частота модуляции излучения.

ДВ -полоса преобразования смесителя (полоса промежуточных частот).

т -постоянная времени болометра,

т© -время релаксации электронной температуры.

Теш -время диффузии электронов.

Тс-с -время электрон-электронного взаимодействия.

Tc-ph -время электрон-фонониого взаимодействия.

Tese -время выхода фононов в подложку.

Тш -постоянная времени смесителя.

Xph.s -время рассеяния фононов в подложке.

Tph-c -время фонон-электронного взаимодействия.

tr -постоянная времени обратного потока фононов из подложки

Щ

в плёнку.

ocf-s -коэффициент прохождения фононов из плёнки в подложку.

(Xs-f -коэффициент прохождения фононов из подложки в плёнку.

2Л -энергетическая щель сверхпроводника.

Со -параметр саморазогрева.

сс -удельная теплоёмкость электронов.

сР1) -удельная теплоёмкость фононов.

d толщина пленки.

De коэффициент диффузии электронов.

Dpi, -коэффициент диффузии фононов.

с заряд электрона.

G -коэффициент преобразования смеси геля,

h ......постоянная Планка.

11( 2 в торое критическое иоле сверхпроводника,

lo, Uo -ток и напряжение смещения смесителя,

je -плотность критического тока.

К постоянная Больцмапа.

Кс -электронная теплопроводность.

KPh -фоногшая теплопроводность.

L -длина болометра.

Id -длина диффузии электронов.

Ipi.,s -средняя длина свободного пробега фононов в подложке.

Pif -мощность промежуточной частоты, выделяющаяся в нагрузке.

Plo -мощность излучения гетеродина.

R, Ro сопро тивление смеси теля по постоянному току.

Rl -сопротивление нагрузки смесителя.

6 I. -вольт-ваттная чувствительность.

Т -температура плёнки в равновесном состоянии.

Ть -температура подложки.

Тс -критическая температура сверхпроводника.

TN -шумовая температура приёмника.

Трь -фоионная температура.

и -скорость звука.

V -объём болометра.

УВСО -высокотемпературное сверхпроводниковое соединение

Yi3a2Cu3O7.fi.

ъ -импеданс смесителя.

Введение

За 70 лет существования радиоастрономии наука пополнилась важными сведениями о строении и развитии космических объектов и межзвездного пространства. Однако лишь сравнительно недавно оказались доступными для наблюдений миллиметровый (ММ) и субмиллиметровый (субММ) диапазоны волн (А = 1-^0.1 мм). Именно на эти диапазоны приходятся вращательные переходы молекул СО и НгО, несущих информацию о молекулярных и пылевых облаках галактики, являющихся ареной формирования звезд [1]. Помимо радиоастрономии, ММ и субММ наблюдения представляют интерес для дистанционного зондирования земной атмосферы, который все больше возрастает в связи с экологическими проблемами, загрязнением атмосферы промышленными выбросами, разрушением озонового слоя атмосферы Земли. СубММ спектроскопия находит также применение и в чисто лабораторных исследованиях, например для диагностики плазмы.

Состоявшийся прорыв в ММ и субММ диапазоны оказался возможным лишь с разработкой чувствительных приемников данных диапазонов.

Разнообразие как радиоастрономических, так и лабораторных задач обусловливает спектр используемых приемников.

Для широкополосных наблюдений излучения непрерывного спектра чувствительность приемника увеличивается с уменьшением его внутренних шумов и увеличением частотной полосы приема (входной полосы приемника) [3]. В этом случае используются болометрические приемники прямого детектирования, широкополосные по своей природе. Частотная полоса таких приемников определяется входными оптическими фильтрами и обычно составляет 50-100 ГГц [2]. Разрешающая способность болометрических приемников очень низкая.

Однако в комбинации с Фурье-спектрометром они находя т применение в спектроскопии низкого и среднего разрешения (Х,/ДЛ.<104) [3].

В спектроскопии высокого разрешения (АУДА,>106) применяются гетеродинные приемники, центральным элементом которых является малошумящий смеситель. Здесь значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей, использующих туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) [4,5]. Шумовая температура СИС приемников составляет несколько квантовых пределов, но резко увеличивается на частотах выше характеристической частоты щели используемого сверхпроводника (700 ГГц для N1)).

На терагерцовых частотах до недавнего времени использовались гетеродинные приёмники лишь со смесителями на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). ДБШ работают в широкой области температур, включая комнатную, чем снискали популярность в бортовых гетеродинных приемниках даже на частотах ниже 1 ТГц, где ДБШ смесители заметно уступают в чувствительности СИС смесителям. Все ■же, добиваясь нужного соотношения сигнал/шум, из-за больших шумов ДБШ приходится увеличивать постоянную времени наблюдения, что не всегда приемлемо. Кроме того, большая мощность гетеродина, требующаяся для накачки ДБШ смесителей (порядка нескольких милливатт), является труднодостижимой в коротковолновой части субММ диапазона из-за отсутствия мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

Таким образом, актуальность представляемого диссертационного исследования определяется необходимостью разработки в терагерцовом диапазоне частот новых чувствительных гетеродинных приёмников с малой оптимальной мощностью гетеродина.

Неселективность болометрических приемников в области от ММ воли до ИК диапазона пс осталась незамеченной и с точки зрения их использования в гетеродинных приёмниках. Преобразование частоты осуществляется за счёт инерционной нелинейности болометра. Однако использование классических болометров в качестве смесителей ограничивается их большой инерционностью, а значит - узкой полосой промежуточных частот (ПЧ), ЛВ=1/2л;х, где х- постоянная времени болометра. Исследование эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводниковых плёнках привело к созданию нового класса приборов - сверхпроводниковых болометров на горячих электронах, обозначаемых в международной научной литературе как ПЕВ (hot electron bolometers). Впервые использование сверхпроводящего НЕВ в качестве смесителя было предложено в работах [78]. Хорошая чувствительность НЕВ обусловлена высокой квантовой эффективностью образования квазичастиц (нормальных электронов) в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии, под воздействием электромагнитного излучения. Если время электрон-фонопного взаимодействия больше времени электрон-электронного взаимодействия, те-е, то энергетическое распределение квазичастиц (будем в дальнейшем говорить об электронах, в отличие от куперовских пар) соответствует распределению Ферми с эффективной электронной температурой ©, вообще говоря, о тличной от сё равновесного значения. Время релаксации электронной температуры, х©, определяет инерционность болометра на горячих электронах, а значит, и полосу ПЧ НЕВ смесителя, х© зависит как от материала сверхпроводника, так и от его геометрии.

В «грязных» неупорядоченных плёнках с малым временем электрон-фононного взаимодействия, хе-Рь, релаксация энергии «горячих» электронов происходит за счёт их неупругого рассеяния па

фопопах (фоиоппый механизм охлаждения). Фононы играют роль термостата и тем более эффективно, чем больше фононная удельная теплоёмкость по сравнению с электронной удельной теплоёмкостью, (ср/се), и чем быстрее «горячие» фононы уходят из плёнки в подложку (lese). При Cp/Ce^-сО ИЛИ Tesc^O (а фаКТИЧеСКИ достаточно, чтобы Tesc<<Te-ph хср/сс) ты—>ic-pii, что и определяет предельное быстродействие болометра на горячих электронах. Как показано в [84], полоса ПЧ Nb HEB смесителя составляет ДВ=150 МГц, что действительно соответствует времени Те-Рь(Тс)=0.8 не, характерному для ниобия. Данное значение AB явно недостаточно для практического применения HEB смесителей. Дальнейший прогресс был достигнут с применением нитрида ниобия материала с более коротким временем элсктроп-фоноппого взаимодействия те-Рь=12 пс при температуре 10 К, что соответствует полосе ПЧ 13 ГГц.

С использованием чистых сверхпроводников с большим

коэффициентом диффузии электронов, De, возможно изготовление смеси телей с длиной L<<U=n Jt^JT, , где ld- длина диффузии электронов

за время ie-Ph. «Горячие» электроны успевают в этом случае диффундировать в нормально-металлические контакты до рассеяния на фононах. Контакты служат тепловым резервуаром, а полоса ПЧ оказывается обратно пропорциональной L2. Для ниобия при L=(). 1 мкм полоса ПЧ составляет -10 ГГц [6]. Использование материалов с большим коэффициентом диффузии электронов (AI, NbC) может позволить увеличить полосу ПЧ. Однако малое удельное сопротивление, р, присущее чистым сверхпроводникам, приводит к рассогласованию смесителя с антенной. Дополнительные трудности возникают и в процессе изготовления диффузионных смесителей, поскольку механизм охлаждения предъявляет особые требования к контакту сверхпроводник-металл, а материалы типа Nb или AI склонны

к быстрому окислению. Определённые сложности возникают и с оптимальной мощностью гетеродина, Рьо, которая обратно пропорциональна импедансу, Ъ, НЕВ смесителя диффузионного тина. Увеличение Рьо снова приводит к рассогласованию смесителя с антенной. В этом плане больше свободы у НЕВ смесителей фонтанного типа, поскольку полоса ПЧ зависит лишь от толщины плёнки и сё температуры, а размеры смесителя в плане можно изменять в зависимости от требуемого значения импеданса, мощности гетеродина, динамического диапазона.

Теоретически, шумовая температура НЕВ смесителя в тсратерцовом диапазоне большей частью определяется квантовыми шумами, 50 К/ТГц, что остаётся справедливым вплоть до оптического диапазона частот. Однако па момент начала данного диссертационного исследования технология 1ЧЬЫ НЕВ смесителей позволяла достичь лишь 3000 К на частоте 360 ГГц, а полоса ПЧ не превышала 1 ГГц. Оптимальная мощность гетеродина составляла порядка 1 мкВт. Для этого использовались плёнки ]МЪМ толщиной порядка 10-20 им. Не был выяснен вопрос о сохранении качеств NbN НЕВ смесителя при уменьшении его размеров до субмикронных, что напрямую связано с морфологией и текстурой плёнки ГМЬМ.

Существенное расширение полосы ПЧ НЕВ смесителей с фононным механизмом охлаждения достигается с использованием плёнок высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) УВагСизОт-б (УВСО). В отличие от низкотемпературных плёнок, в плёнке УВСО, благодаря большому значению ср/се, скорость охлаждения фононов не влияет на ширину полосы ПЧ, но нагрев фононов существенно увеличивает потери преобразования смесителя. Теоретический предел Ти для УВСО НЕВ смесителя составляет -2000 К, что выше аналогичного значения для смесителя, но ниже, чем для ДБШ

смесителей. Полоса ПЧ может достигать значения 140 ГГц, что особенно важно в терагерцовой области, где линии излучения лазеров, использующихся в качестве гетеродинов, находятся на большом частотном расстоянии друг от друга. Ряд работ, выполненных по исследованию YBCO HEB смесителей [68,69], уже продемонстрировали значение AB, равное 18 ГГц, ограниченное лишь полосой усилителей и регистрирующей аппаратуры. Геометрические размеры смесителя составляли 10x10 мкм, в результате чего оптимальная мощность гетеродина превышала 50 мВт, а потери преобразования составляли более 50 дБ.

Целью данной диссертационной работы является разработка технологии изго товления квазиоптических и волноводных NbN и YBCO HEB смесителей с использованием средств фото- и электронной литографии, экспериментальное исследование их характеристик, сравнение полученных результатов с выводами теории.

Предметом работы является:

-разработка технологии напыления ультратонких пленок NbN с высокой критической температурой и плотностью критического тока; исследование структуры плёнок;

-разработка технологии изготовления HEB смесителей с использованием средств фото- и элек тронной ли тографии;

-экспериментальное исследование спектра промежуточных частот NbN HEB смесителя в зависимости от параметров пленки, в квазиравновесном состоянии и при больших мощностях падающего излучения и тока смещения; исследование шумовой температуры, оптимальной мощности гетеродина и динамического диапазона смесителя;

-выяснение условий достижения широкой полосы ПЧ NbN НЕВ смесителя, а также определение дополнительных факторов, влияющих на полосу преобразования;

-разработка технологии изготовления УВСО наноболометра на горячих электронах и исследование его частотных характеристик при уменьшении его размеров до субмикронпых.

Для напыления плёнок ЬТБИ в работе использовался метод реактивного магнетропного распыления па постоянном токе. Толщина плёнок со