Шумовые характеристики и оптимальная поглощенная мощность гетеродина NbN HEB смесителя терагерцового диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Третьяков Иван Васильевич

Шумовые характеристики и оптимальная поглощенная мощность гетеродина NbN НЕВ смесителя терагерцового диапазона

Специальность 01.04.03 - «Радиофизика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 МАЙ 2013

005059954

МОСКВА-2013

005059954

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский педагогический государственный университет», на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Гольцман Григорий Наумович

Официальные оппоненты

Ведущая организация:

Кошелец Валерий Павлович,

доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией Сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Смирнов Андрей Владимирович,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Отдела космических конструкций Учреждения Российской академии наук Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур РАН

Защита состоится « 14 » июня 2013 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д.002.231.02 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.

Автореферат разослан «/г »мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.002.231.02 при ИРЭ РАН доктор физико-математических наук

. Потапов Александр Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Сравнительно недавно, с развитием приборной базы, для радиоастрономических наблюдений оказались доступны субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны длин волн. Эти диапазоны интересны в первую очередь тем, что на них приходится большая часть энергии электромагнитного излучения космического пространства. В этих диапазонах находятся спектральные линии химических соединений, важных для космологии, планетарной астрономии, экологии и др. областей такие как: С+, СО, СН, СН+, CH3D, HCN, HNC, 02, НС1, HF, С1, ОН, ОН+, MgH, Н20, 03 (ТГц диапазон); NaH, LiH, СН, СН+, NH, NH3, С2Н2, С2Н6, OD, 03, HDO, HF, CFC, HCFC, HFC, D20 (ИК область до 30 ТГц). В случае, когда при наблюдении спектральной линии определяется её принадлежность к "спектральной подписи" какого - либо соединения, то, исходя из ее интенсивности, можно судить о распространенности этого соединения, а также о протекающих процессах в наблюдаемой области пространства. К примеру, линия С+ (158 мкм) является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что говорит о высокой распространенности этого элемента в Галактике. По интенсивности этой линии определяются области звездообразования, где окружающие их пылевые скопления сильно разогреваются ультрафиолетовым излучением [1].

Ведение наблюдения в субмиллиметровом и, если говорить в терминах частот -терагерцовом диапазоне, непосредственно с поверхности земли является малоэффективным в виду сильного поглощения полезного сигнала парами воды и другими газами атмосферы. По этой причине наземные обсерватории располагаются в высокогорных областях, где атмосфера достаточно суха, при этом наблюдения ведутся лишь в нескольких доступных окнах прозрачности, лежащих в диапазоне частот от 1 до 1,5 ТГц [2]. Наиболее эффективным решением является проведение астрономических наблюдений, начиная с верхних слоев атмосферы, к примеру, проект TELIS - воздушный шар [3] или со спутниковых обсерваторий - проект HERSCHEL [4].

Существенный прогресс спектроскопии субММ диапазона стал возможен после разработки малошумящих смесителей на туннельном переходе сверхпроводник -изолятор - сверхпроводник (СИС) [5, 6]. Шумовая температура СИС приемников всего в несколько раз превышает квантовый предел, однако резко увеличивается при частотах гетеродина выше частоты щели для используемого сверхпроводника (700 ГГц для Nb). На данный момент максимальная частота гетеродина, на которой продемонстрирована работа СИС смесители, составляет 1,4 ТГц [7].

В настоящий момент заметная часть значимых проектов терагерцовой астрономии (каналы наблюдения на частотах выше 1,25 ТГц) и исследования верхних слоев атмосферы базируется на использовании сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах - hot electron bolometers (НЕВ). При частотах выше 1,25 ТГц, НЕВ смеситель обладает самой высокой чувствительностью и требует низкого уровня мощности гетеродина. Так, шумовая температура, измеренная в двухполосном режиме, на момент начала данной работы, достигла для НЕВ смесителей 950 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц [8]. Высокая чувствительность НЕВ смесителей обеспечила их применение в астрономических проектах Европейского космического агентства. Проекты SOFIA [9] и TELIS предполагают воздушное базирование телескопов. В SOFIA носителем инструмента является самолет, в TELIS - аэростат. НЕВ смеситель, используемый в проекте TELIS, работает в диапазоне 1,76-1,86 ТГц, в этом диапазоне интенсивность спектральных линий таких соединений, как ОН, НОг, НОС1, N0 и NO2, особенно высока. Также, НЕВ смесители установлены в спектрометре GREAT, задействованном в проекте SOFIA, и позволяющем проводить исследования в трех частотных диапазонах: 1.4 - 1.9, 2.6 и 4.7 ТГц. В терагерцовом канале диапазона 1,4 - 1,9 ТГц телескопа космического базирования HERSCHEL также используется НЕВ смеситель [4]. Проект МИЛЛИМЕТРОН [10], разрабатываемый на базе Астрокосмического Центра ФИАН им. П. Н. Лебедева, будет использовать НЕВ смесители для проведения исследований на частотах выше 1 ТГц. СубММ спектроскопия находит также применение и в чисто лабораторных исследованиях, например для диагностики высокотемпературной плазмы.

Физические явления, определяющие работу смесителя на эффекте электронного разогрева в сверхпроводнике, позволяют реализовать смеситель с шумовой температурой, близкой к квантовому пределу, и с полосой промежуточных частот большей, чем разработанные к настоящему моменту. В тонкой разупорядоченной металлической плёнке, лежащей в основе смесителей на эффекте электронного разогрева, поглощение излучения не селективно в диапазоне от мм волн до видимого света. При этом высокая чувствительность к излучению реализуется за счет достаточно крутой температурной зависимости сопротивления при переходе в сверхпроводящее состояние. При температуре перехода в сверхпроводящее состояние время энергетической релаксации возбужденных электронов очень мало, это теоретически позволяет создать на основе ультратонкой пленки NbN смеситель с полосой преобразования более 10 ГГц [11].

К моменту начала диссертационного исследования шумовая температура квазиоптических NbN смесителей составляла 700 К (1.63 ТГц) [12], 845 К (1.9 ТГц) [13],

950 К (2.5 ТГц) [8] и 1372 К (4.3 ТГц) [14]. Оптимальная поглощенная мощность подобных смесителей составляет порядка нескольких сотен нВт. Уменьшение шумовой температуры и оптимальной поглощенной мощности гетеродина, а также увеличение шумовой полосы NbN HEB смесителя представляет значительный практический интерес.

Рекордные по чувствительности и полосе преобразования смесители на частотах выше 1,25 ТГц могут найти широкое применение в разрабатываемых в настоящее время амбициозных радиоастрономических проектах, таких как:

1. Проект МИЛЛИМЕТРОН. В рамках данного проекта планируется запуск космической обсерватории, оборудованной охлаждаемым зеркалом диаметром 12 м. Инструментальный комплекс обсерватории позволит вести наблюдения в диапазоне длин волн 20 мкм - 2 см.

2. Проект SOFIA. В SOFIA носителем инструмента является самолёт. HEB смесители установлены в спектрометре GREAT, задействованном в проекте, позволяют проводить исследования в трёх частотных диапазонах: 1.4 -1.9,2.6 и 4.7 ТГц.

Таким образом, актуальность представляемого диссертационного исследования определяется необходимостью разработки в терагерцовом диапазоне частот чувствительных гетеродинных приемников с предельными характеристиками по шумовой температуре, шумовой полосе и необходимой мощности гетеродина.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является:

1. Исследование характеристик на постоянном токе квазиоптических NbN HEB смесителей терагерцового диапазона частот на эффекте электронного разогрева, изготовленных из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 3,5 нм по технологии in situ.

2. Проведение анализа зависимости сопротивления NbN HEB смесителя, изготовленного по технологии in situ, от температуры.

3. Исследование . зависимости шумовой температуры NbN HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, от площади сверхпроводящего мостика на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

4. Проведение измерений шумовой полосы NbN HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

5. Исследование зависимости оптимальной поглощённой мощности гетеродина для

NbN HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, от длины сверхпроводящего мостика на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

Объект исследования

В качестве объекта исследования выбраны квазиоптические НЕВ смесители, изготовленные на основе ультратонких пленок NbN толщиной 3.5 нм, осажденных на подложки из высокоомного кремния in situ со слоем золота Аи толщиной 20 нм. Сверхпроводниковые мостики смесителей с размерами в плане 0.1 -0.4 мкм в длину и 1-4 мкм в ширину, были интегрированы в пленарную спиральную антенну.

Методы исследования

В работе применялись методы исследования температурной зависимости электрического сопротивления тонкопленочных сверхпроводниковых образцов, метод изотерм при определении поглощенной мощности гетеродина, метод Y - фактора при измерениях шумовой температуры и шумовой полосы смесителя. Измерения проводились при криогенных температурах. Научная новизна

1. В результате оптимизации технологического процесса изготовления контакта между планарной антенной и сверхпроводниковым болометром НЕВ смесителя удалось существенно уменьшить его шумовую температуру до уровня 600 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Достигнутые значения шумовой температуры для НЕВ смесителей на частоте гетеродина 2.5 ТГц являются лучшими в мире.

2. Оптимизация технологического процесса изготовления контакта между планарной антенной и сверхпроводниковым болометром НЕВ смесителя позволила реализовать в нём, кроме основного - фононного механизма релаксации электронной подсистемы болометра, дополнительный диффузионный механизм. При этом измеряемое значение шумовой полосы такого смесителя увеличилось до 7 ГГц на частоте гетеродина 2.5 ТГц, и ограничивается лишь рабочей полосой используемого в измерениях охлаждаемого усилителя.

3. Показано, что оптимальная поглощенная мощность гетеродина на частоте 2.5 ТГц, при которой реализуется минимальная шумовая температура для NbN НЕВ смесителя, изготовленного по оптимизированной технологии, составляет 100 нВт.

4. Использование in situ технологии при изготовлении НЕВ смесителей позволяет

существенно улучшить их шумовые характеристики за счёт уменьшения потерь в местах контакта пленарной антенны и сверхпроводящего мостика, а также значительно стабилизировать процесс изготовления по выходу годных и однородности характеристик в партии.

Практическая ценность работы

1. Создан многофункциональный экспериментальный комплекс, обеспечивающий проведение научных исследований основных характеристик NbN НЕВ смесителей на частоте 2.5 ТГц.

2. Разработана и проверена экспериментально технология последовательного осаждения пленки сверхпроводника и слоя золота без развакуумирования установки магнетронного распыления (in situ технология).

3. Создан NbN НЕВ смеситель, обладающий рекордными значениями шумовой температуры и шумовой полосы на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Квазиоптический НЕВ смеситель на кремниевой подложке на основе ультратонкой пленки NbN толщиной 3,5 нм, изготовленный по технологии in situ, имеет двухполосную шумовую температуру 600 К на частоте излучения гетеродина 2.5 ТГц.

2. Квазиоптические НЕВ смесители на кремниевой подложке на основе пленки NbN толщиной 3,5 нм, изготовленные по технологии in situ, имеют шумовую полосу 7 ГГц на частоте излучения гетеродина 2.5 ТГц.

3. Квазиоптические НЕВ смесители на кремниевой подложке на основе пленки NbN толщиной 3,5 нм, изготовленные по технологии in situ, имеют оптимальную поглощенную мощность гетеродина в оптимальной по шумовой температуре точке 100 нВт на частоте излучения гетеродина 2.5 ТГц.

4. Использование in situ технологии при изготовлении НЕВ смесителей позволяет существенно улучшить их шумовые характеристики за счет уменьшения потерь в местах контакта планарной антенны и сверхпроводящего мостика, а также значительно стабилизировать процесс изготовления по выходу годных и однородности характеристик в партии.

Апробация работы

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10 работах, в

том числе в 4 статьях в журналах из рекомендованного списка ВАК, и в 6 расширенных

тезисах по докладам на международных конференциях, список публикаций приведён в конце автореферата

Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: "Радиофизика и электроника", «Письма в Журнал технической физики», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, "Applied Physics Letters". Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание; они хорошо известны специалистам, на них имеются ссылки в научной периодике. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на ведущих международных конференциях в области сверхпроводниковой электроники:

- International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT 2008, 2009, 2010, 2011,2012);

- International Conference "Fundamental Problems of High-Temperature Superconductivity" (2008);

Личный вклад автора

В процессе работы автором создан многофункциональный экспериментальный комплекс, обеспечивающий проведение научных исследований основных характеристик NbN НЕВ смесителей на частоте 2.5 ТГц, экспериментально показана эффективность применения технологии in situ изготовления NbN НЕВ смесителей, экспериментально получены рекордные значения шумовой температуры и шумовой полосы NbN НЕВ смесителей, изготовленных по технологии in situ. Исследована зависимость основных характеристик NbN НЕВ смесителей от объема его сверхпроводникового мостика.. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и списка используемой литературы. Объем работы составляет 114 страниц, включая 14 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 102 наименования.

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

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи Первая глава носит обзорный характер и посвящена обзору теоретических и экспериментальных работ по исследованию детекторов субмиллиметрового диапазона длин волн. Из обширного материала по данному вопросу более подробно

рассматриваются работы, связанные с изучением сверхпроводниковых НЕВ смесителей. В §1.1 рассматриваются приемники прямого детектирования. Параграф 1.2 посвящен супергетеродинным приемникам, используемым в субММ диапазоне длин волн для исследований атмосферы Земли, радиоастрономических исследований, и других применений. В §1.3. рассматриваются основные аспекты явления электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводника в рамках модели однородного разогрева и теории нормального домена. В §1.4. представлено теоретическое описание механизмов работы смесителя на электронном разогреве с точки зрения модели однородного разогрева. Параграф 1.5 посвящен способам квазиоптического согласования сверхпроводящего мостика смесителя с излучением. В §1.6 обосновывается выбор объекта исследования, и формулируются основные задачи диссертационного исследования.

Глава 2. Технология изготовления и методика исследования НЕВ смесителя

Вторая глава диссертации посвящена описанию технологических аспектов изготовления NbN НЕВ смесителей, также в главе подробно рассмотрены основные методики и экспериментальные установки по исследованию шумовых характеристик и характеристик на постоянном токе NbN НЕВ смесителей. В §2.1 изложены технология in situ осаждения двухслойной структуры NbN - Au на высокоомную кремниевую подложку и технология изготовления квазиоптических NbN НЕВ смесителей на ее основе. В §2.2 описана конструкция терагерцового лазера на парах воды и технология изготовления выходного зеркала. В §2.3 излагается методика измерения зависимости сопротивления квазиоптического NbN НЕВ смесителя от температуры. Параграф 2.4 посвящен описанию экспериментальной установки и методике измерения шумовой температуры и шумовой полосы квазиоптического NbN НЕВ смесителя на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Методика измерения оптимальной поглощенной мощности квазиоптического НЕВ смесителя на частоте гетеродина 2.5 ТГц подробно изложена в §2.5. В §2.6 приведены краткие выводы главы.

Глава 3. Исследования шумовой температуры НЕВ смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц

В §3.1 этой главы приведены результаты измерений основных DC характеристик НЕВ смесителей, таких как плотность критического тока, критическая температура и ширина сверхпроводникового перехода, а также приведён анализ характерной зависимости сопротивления НЕВ смесителя от температуры.

Показано отличие нормального сопротивления NbN НЕВ смесителей R„ по сравнению с расчетным - 50 - 60 Ом из поверхностного сопротивления пленки NbN и

геометрических размеров болометра, более чем на 10 Ом. Причина этого связана с омическим сопротивлением планарной антенны. Это утверждение подтверждается сопоставлением результатов измерения зависимости сопротивления смесителя от температуры с закороченным сверхпроводящим мостиком и не закороченным. На Рис. 1 и Рис. 2. представлены характерные зависимости сопротивления от температуры для не закороченного смесителя, и смесителя с закороченным мостиком, соответственно. Из Рис. 1 видно, что смеситель имеет два сверхпроводниковых перехода Первый переход, в области 9,5 К, соответствует сверхпроводниковому переходу МЬЫ мостика, при этом сопротивление смесителя падает до уровня ~ 10 - 15 Ом. Плгнка ЫЬЫ лежащая под антенной, при этом, находится в нормальном состоянии. При дальнейшем понижении температуры, в области 7 К, наблюдается второй переход, он соответствует переходу пленки М>Ы под рукавами антенны в сверхпроводящее состояние. После второго перехода сопротивление смесителя падает до уровня ниже 1 Ом, то есть, при температуре ниже 7 К, пленка под рукавами антенны шунтирует еб сопротивление. Подавление Тс в пленке под антенной можно объяснить проявлением эффекта близости между слоем золота антенны и пленкой №Ы под ним, это возможно только в случае отсутствия энергетического барьера на границе №Ы-Аи, который препятствует диффузии куперовских пар из пленки ЫЬЫ [17]. Для проверки правильности предположений о принадлежности переходов тем или иным частям смесителя в эксперименте использовался смеситель с закороченным ЫЬЫ мостиком т Аи. Из Рис. 2 можно получить распределение сопротивления в антенне. На Рис. 2 при более подробном рассмотрении можно выделить два перехода, как и на Рис. 1. Антенна смесителя состоит из двух частей - внешней и внутренней, отличающихся толщиной образующего их слоя Аи. Учитывая этот факт можно говорить, что первый переход соответствует переходу 120 100 80

1

О 60 о!

40 20 0

б 8 10 12 14 16 18 20

т, К

Рис. 1. Зависимость сопротивления не закороченного смесителя от температуры.

Г -4г .. щ .

108

6 s: О

о£ 4

6 S 10 12 14 16 18 20

т,к

Рис. 2. Зависимость сопротивления закороченного смесителя от температуры.

сверхпроводниковой пленки NbN под in situ золотом толщиной 20 нм (внутренняя часть антенны), второй — переход пленки NbN под внешней частью планарной антенны с толщиной золота 220 нм. Разница сопротивлений над первым и над вторым переходами равна сопротивлению in situ слоя золота внутренней части антенны, по сути являющейся контактными площадками к сверхпроводящему мостику и составляет порядка 7,5 Ом, оставшиеся 2,5 Ом приходятся на внешнюю часть спирали планарной антенны. Наличие второго перехода для смесителя с закороченным мостиком говорит об отсутствии контактного сопротивления между in situ золотом внутренней части антенны и золотом внешней части, так как подавление Тс за счет эффекта близости зависит от толщины слоя металла над сверхпроводником.

Таким образом, в §3.1 показано, что использование in situ технологии при изготовлении смесителей позволяет исключить появление энергетического барьера на границе NbN-Au, то есть между портами планарной антенны и сверхпроводящим мостиком смесителя.

Параграф 3.2 посвящен результатам исследованиям шумовой температуры супергетеродинного приемника на частоте гетеродина 2,5 ТГц. Относительная погрешность измерения Т„ в эксперименте не превышала 5 %. Погрешность измерения Т„ в большей степени определялась нестабильностью гетеродинного источника и как следствие флуктуациями выходной мощности смесителя, а также точностью определения яркостной температуры нагрузок.

На Рис.3 представлены ВАХ исследуемого смесителя 1178/1 #21 при различных уровнях мощности гетеродина на частоте 2.5 ТГц, а также зависимость измеренной шумовой температуры смесителя от положения рабочей точки (поле шумовых температур). Минимальная шумовая температура Т„ = 600 К достигалась при значении напряжения смещения 0.5 - 0.7 мВ и токе смещения 30 - 35 мкА.

В данном параграфе также показано, что при учете вклада в шумовую температуру потерь оптического тракта, составляющих 3,17 дБ с эквивалентной шумовой температурой 96,6 К, шумовая температура самого смесителя равна 250 К, что составляет порядка 2 х Ьу/кв, где Ь - постоянная Планка, V — частота гетеродина, кв— постоянная Больцмана.

V, mV

Рис. 3. ВАХ NbN HEB смесителя 1178/1 #21 при различном уровне мощности гетеродина на частоте 2.5 ТГц и зависимость шумовой температуры NbN HEB смесителя от положения

рабочей точки.

При этом полные потери преобразования смесителя равнялись отношению рассчитанной через [/-фактор (отношение мощности шумов на выходе тракта ПЧ нагруженного на смеситель в рабочей точке к шумам тракта ПЧ когда смеситель находится в сверхпроводящем состоянии) шумовой температуре смесителя Т„ т„ к измеренной Tres шумовой температуре:

Ч ~ mix / TKS>

Т„ miX = (Т„а,,р + Тпч)U= 27.6, Т„агр = 4.2 К, Тцч = 5 К, значение Tns = 600 К и (/-фактор, равный 3, были получены экспериментально для смесителя 1178/1 #21. При этом, полные потери преобразования ij смесителя 1178/1 #21 составляют 13,4 дБ. Учтя потери в оптике 3,17 дБ, собственные потери преобразования составили 10,2 дБ.

Параграф 3.3 посвящен результатам исследования зависимости шумовой температуры квазиоптического NbN in situ смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц от размеров сверхпроводящего мостика Показано, что зависимость шумовой температуры

NbN HEB смесителя от ширины мостика имеет ярко выраженный минимум. На Рис. 4 представлена экспериментальная зависимость шумовой температуры in situ смесителя от ширины его NbN мостика. Довольно большой разброс по шумовой температуре, порядка 1000 К, для образцов из одной партии (с одинаковой шириной NbN мостика) можно объяснить неоднородностью толщины пленки NbN по подложке, а также влиянием технологических процессов на пленку NbN в процессе изготовления смесителя.

2300

2000

1300

*

fi t-

1000

500-1------

1.0 1.3 2,0 2.9 3,0 3,3

W, jim

Рис. 4. Зависимость шумовой температуры смесителя от ширины сверхпроводящего мостика

смесителя.

В отличие от ex situ смесителей при уменьшении ширины мостика NbN, и, как следствие, уменьшении площади контакта антенны и мостика, шумовая температура исследуемых смесителей не возрастала, а уменьшалась. Падение продолжается до ширины мостика 0,25 цм, при этой ширине минимальная шумовая температура смесителя составляла 600 К. Ход зависимости шумовой температуры в области ширин NbN мостика более 2 мкм, совпадает с расчётным, с точки зрения теории однородного разогрева в сверхпроводнике. Однако, при дальнейшем уменьшении ширины мостика NbN, и, как следствие его длины, шумовая температура смесителя начинает расти, расходясь с представлениями теории, Возможное объяснение заключается в том, что длина мостика при его ширине приближается к диффузионной длине в NbN. При этом электрон, поглотив высоко энергичный фотон, без взаимодействия с другими электронами, уходит в массивный металлический контакт без изменения электронной температуры в мостике. Возбужденный электрон не участвует в процессе отклика смесителя на излучение сигнала. Если это предположение верно, то кроме потерь в полезном сигнале, работа дополнительного диффузионного канала охлаждения электронной подсистемы должна оказать влияние и на оптимальную поглощенную мощность гетеродина. Данный вопрос

представляет научный интерес и требует дальнейшего целенаправленного и более подробного изучения.

В §3.4 кратко сформулированы основные результаты главы. Результаты, изложенные в данной главе, могут быть сформулированы следующем образом:

1. HEB смесители изготовленные по технологии in situ имеют два сверхпроводниковых перехода, появление второго перехода объясняется проявлением эффекта близости и говорит о хорошем электрическом контакте между портами антенны и сверхпроводниковым мостиком.

2. Лучшая не корректированная шумовая температура HEB смесителя изготовленного по технологии in situ составляет 600 К. Шумовая температура, корректированная на потери оптического тракта и шумы тракта промежуточных частот, составляет 250 К. Собственные потери преобразования смесителя составили 10,2 дБ.

3. Зависимость шумовой температуры смесителя от ширины сверхпроводящего мостика имеет ярко выраженный минимум на уровне 600 К при ширине мостика 2,5 мкм и длине 0,25 мкм. Явление увеличения шумовой температуры при ширинах менее 2,5 мкм не объясняется с точки зрения теории однородного разогрева в сверхпроводниках и требует дальнейшего изучения.

Глава 4. Исследование шумовой полосы и оптимальной поглощенной мощности HEB смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц

В §4.1 этой главы изложены экспериментальные результаты измерений шумовой полосы квазиоптического NbN HEB смесителя с оптимальными по шумовой температуре размерами сверхпроводящего мостика.

Приводимые в данном параграфе результаты были получены только для двух смесителей 1178/1 #21 и 1369/1 Мб. Следует, однако, заметить, что в процессе работы мы измерили большое количество смесителей, изготовленных из ультратонких пленок NbN. Результаты по шумовой температуре для них отличаются незначительно, 17 смесителей из партий 1178/1 и 1178/2 имеют не корректированную шумовую температуру менее 1000 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц при близких значениях выходного шума. Поэтому можно с уверенностью полагать, что результаты, полученные в этом параграфе, являются типичными для наших смесителей, и все они имеют также близкие значения шумовой полосы. На Рис. 5 изображена зависимость шумовой температуры смесителя 1178/1 #21 с длиной сверхпроводящего мостика 0,25 мкм от промежуточной частоты. В рабочей точке 0,6 mV, 35 рА на промежуточной частоте 2 GHz шумовая температура составила 600 К. Измеренная в той же точке зависимость шумовой температуры от промежуточной

14

частоты была ограничена сверху шумами холодного усилителя и составила 8 ГГц. На Рис. 6. представлена экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для смесителя 1369/1 #6 с длинной мостика 0,14 мкм. Минимальная шумовая температура составила 1200 К. В экспериментальных данных зависимости шумовой температуры от ПЧ, представленных на Рис. 5 и Рис. 6, существенное возрастание шумовой температуры при приближении по частоте к В ГГц связано с увеличением вклада шумов холодного усилителя. Достаточно большой разброс по шумовой температуре между соседними по частоте точками связан именно с наличием резонансов в тракте между входом холодного

IF, GHz

Рис. 5. Экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для образца 1178/1 #21 с длинной мостика 0,25 мкм аппроксимированная функцией вида TN(f)~[l+(f/Bn)2].

и

✓

• •

в

I 2 3 4 3 6 Т в 9 10 11 12 13

1Р. СН2

Рис. 6. Экспериментальная зависимость шумовой температуры от ПЧ для образца 1369/1 #6 с длинной мостика 0,14 мкм аппроксимированная функцией вида Тцф~[1+([/Вц)!]■

Основной вклад в шумовую температуру смесителя вносят два источника шума: шум Джонсона и шум термодинамических флуктуации. Так как шум Джонсона не зависит от частоты, то его вклад в шумовую температуру смесителя, при увеличении ПЧ,

возрастает по мере уменьшения коэффициента преобразования Г|{/). Шум термодинамических флуктуаций определяется флуктуациями электронной температуры болометра и имеет такую же частотную зависимость, что и коэффициент преобразования г)(/), поэтому экспериментальные результаты в рамках модели однородного разогрева можно аппроксимировать с помощью закона, описывающего поведение ц(/)\

TN(ß~[l+(f/BN?],

Аппроксимация результатов дала двукратный подъем шумовой температуры на частоте порядка 10 ГГц для смесителя 1178/1 #21 и 13 ГГц для смесителя 1369/1 #6. Исходя, из соотношения величины шумовой полосы и длины исследуемых сверхпроводящих мостиков смесителей и сравнивая ее с характерными величинами шумовой полосы для смесителей только с фононным каналом охлаждения можно утверждать, что в механизме релаксации температуры электронной подсистемы пленки сверхпроводящего мостика появился дополнительный диффузионный канал охлаждения электронной подсистемы.

В данном параграфе, на основе полученных значений шумовой полосы в рамках модели однородного разогрева, рассчитаны значения дня полосы преобразования смесителей 4,8 ГГц и 6,2 ГГц соответственно для смесителей 1178/1 #21 и 1369/1 #6.

Параграф 4.2 посвяшен результатам исследования зависимости оптимальной поглощенной мощности гетеродина для квазиоптического NbN HEB смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц от длины сверхпроводящего мостика. Поглощенная мощность гетеродина в оптимальной рабочей точке определялась в приближении эквивалентности разогрева смесителя током смещения и излучением гетеродина (изотермический метод). Это приближение справедливо, когда разогрев током смещения преобладает над разогревом излучением, то есть при значительно больших напряжениях смещения, чем в оптимальной рабочей точке [18]. На Рис. 7 представлена зависимость поглощенной мощности от длины мостика смесителя. Оптимальная поглощенная мощность уменьшалась с уменьшением размеров смесителя, но затем в пределах экспериментальной погрешности практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм х 2 мкм до 0,1 мкм х 1 мкм в плане. Качественно это можно объяснить следующим образом. Поглощенная смесителем мощность пропорциональна его объему, то есть при постоянной толщине плёнки пропорциональна площади его поверхности, поэтому, уменьшая размеры в плане можно уменьшить и требуемую мощность. Это будет продолжаться до некоторой длины, при которой становится эффективным диффузионное охлаждение, скорость которого обратно пропорциональна квадрату длины.

350

300

250

| 200 CL

150 100

50 J—I—.—I—-——.——.——.——.——.—, 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

L, цП1

Рис. 7. Зависимость оптимальной поглощенной мощности гетеродина от длины мостика смесителя.

Учитывая, что при изготовлении соблюдается определенное отношение длины смесителя к его ширине, уменьшение длины в q раз приведет к уменьшению поглощенной мощности в q2 раз, но при этом и скорость оттока энергии возрастет в q1 раз. Исходя из этого, в первом приближении, уменьшение длины смесителя с целью уменьшить требуемую мощность эффективно лишь до определенного предела, то есть до длин, при которых еще не сказывается влияние диффузионного канала охлаждения.

Таким образом, минимальная поглощенная мощность гетеродина для НЕВ смесителей, изготовленных по технологии in situ, составила 100 нВт и практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм х 2 мкм до 0,1 мкм х 1 мкм в плане. Для НЕВ смесителей с размерами в плане 0.25 мкм><2,5 мкм, демонстрирующих рекордные значения шумовой температуры 600 К, оценочная величина поглощенной мощности гетеродина для оптимальной ВАХ составила порядка 120 нВт.

В §4.3 кратко сформулированы основные результаты главы. Результаты, изложенные в данной главе, могут быть сформулированы следующем образом:

1. Шумовая полоса NbN НЕВ смесителей изготовленных по технологии in situ растет с уменьшением длины сверхпроводящего мостика. Это объясняется появлением дополнительного диффузионного канала охлаждения электронной подсистемы сверхпроводящего мостика.

2. Измеренная шумовая полоса 8 ГГц была ограничена сверху полосой используемого в эксперименте охлаждаемого усилителя. Теоретически рассчитанная полоса преобразования в оптимальной по шумовой температуре точке на ВАХ равна 4,8 ГГц и 6,2 ГГц соответственно для смесителей с длиной 0,25 мкм и 0,14 мкм.

2. Минимальная поглощенная мощность гетеродина для NbN НЕВ смесителей изготовленных по технологии in situ составила 100 нВт и практически не менялась при уменьшении размеров от 0.2 мкм х 2 мкм до 0,1 мкм х 1 мкм в плане, что говорит о появлении дополнительного канала отвода энергии из сверхпроводящего мостика НЕВ смесителя.

3. Для NbN НЕВ смесителей с размерами в плане 0.25 мкм х 2,5 мкм, демонстрирующих рекордные значения шумовой температуры 600 К, величина поглощенной мощности гетеродина для оптимальной ВАХ составила порядка 120 нВт.

Заключение суммирует основные результаты диссертационного исследования.

1. В результате оптимизации технологического процесса изготовления контакта между пленарной антенной и сверхпроводниковым болометром НЕВ смесителя удалось существенно уменьшить его шумовую температуру до уровня 600 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Достигнутые значения шумовой температуры для НЕВ смесителей на частоте гетеродина 2.5 ТГц являются лучшими в мире.

2. Оптимизация технологического процесса изготовления контакта между планарной антенной и сверхпроводниковым болометром НЕВ смесителя позволила реализовать в нем, кроме основного - фононного механизма релаксации электронной подсистемы болометра, дополнительный диффузионный механизм. При этом измеряемое значение шумовой полосы такого смесителя увеличилось до 7 ГГц на частоте гетеродина 2.5 ТГц, и ограничивается лишь рабочей полосой используемого в измерениях охлаждаемого усилителя.

3. Показано, что оптимальная поглощенная мощность гетеродина на частоте 2.5 ТГц, при которой реализуется минимальная шумовая температура для NbN НЕВ смесителя, изготовленного по оптимизированной технологии, составляет 120 нВт.

4. Показано, что использование in situ технологии при изготовлении НЕВ смесителей позволяет существенно улучшить их шумовые характеристики за счбт уменьшения потерь в местах контакта планарной антенны и сверхпроводящего мостика, а также значительно стабилизировать процесс изготовления по выходу годных и однородности характеристик в партии.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Публикации в журналах га списка ВАК РФ

1. S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, I. V. Pentin, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, В. M. Voronov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov and G. N. Gol'tsman «Low-noise wide-band hot-electron bolometer mixer based on an NbN film» Journal Radiophysics and Quantum Electronics. - 2009 - vol. 52, number 8 - pp. 576-582.

2. Третьяков И.В., Рябчун C.A., Каурова Н.С., Ларионов П.А., Лобастова А.А., Воронов Б.М., Финкель М.И., Гольцман Г.Н. «Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для терагерцового сверхпроводникового NbN смесителя на электронном разогреве» ПЖТФ. - 2010 - том 36, выпуск 23 - стр. 78-84.

3. Ivan Tretyakov, Sergey Ryabchun, Matvey Finkel, Sergey Maslennikov, Anna Maslennikova, Natalia Kaurova, Anastasia Lobastova, Boris Voronov, Gregory Goltsman «Ultrawide noise bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers with in situ gold contacts» IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2011 - vol. 21, issue 3 - pp. 620-623.

4. Ivan Tretyakov, Sergey Ryabchun, Matvey Finkel, Anna Maslennikova, Natalia Kaurova, Anastasia Lobastova, Boris Voronov, and Gregory Gol'tsman «Low noise and wide bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers» Applied Physics Letters. - 2011 - 98 -p. 033507.

Другие публикации

1. S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev,В. M. Voronov and G. N. Goltsman. "Fabrication and characterisation of NbN

HEB mixers with in situ gold contacts," in the Proceedings of the 191'1 International Symposium on Space Terahertz Technology, Groningen, 2008, pp. 62-67.

2. I. V. Ttretyakov, S. A. Ryabchun, S. N. Maslennikov, M. I. Finkel, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, В. M. Voronov, G. N. Goltsman. "NbN HEB mixer: fabrication, noise temperature reduction and characterization", in the Proceedings of the 3rd International Conference "Fundamental Problems of High-Temperature Superconductivity," Zvenigorod, Russia: 2008, pp. 284-285.

3. S. A. Ryabchun, I. V. Tretyakov, M. I. Finkel, S. N. Maslennikov, N. S. Kaurova, V. A. Seleznev, В. M. Voronov, G. N. Gol'tsman. "NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixer with Additional Diffusion Cooling", in the Proceedings of the 20th

International Symposium on Space Terahertz Technology, Charlottesville, Virginia, USA, 2009, pp. 151-154.

4. A. Maslennikova, I. Tretyakov, S. Ryabchun, M. Finkel, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol'tsman. "Gain Bandwidth and Noise Temperature of NbN HEB Mixers with Simultaneous Phonon and Diffusion Cooling", in the Proceedings of the 21^ International Symposium on Space Terahertz Technology, Oxford, United Kingdom, 2010, pp. 218-219.

5. S. Ryabchun, M. Finkel, I. Tretyakov, A. Maslennikova, N. Kaurova, B. Voronov, and G. Gol'tsman. "Next Generation of Hot-Electron Bolometer Mixers for Future Heterodyne

Missions", in the Proceedings of the 22^ International Symposium on Space Terahertz Technology, Tuscon, USA, 2011, p. 187.

6. I. Tretiakov, M. Finkel, P. Larionov, A. Maslennikova, S. Ryabchun, N. Kaurova, B. Voronov, Gregory Goltsman. "Study of the superconductor-normal metal interface in hot-electron bolometer mixers", in the Proceedings of the 23'h International Symposium on Space Terahertz Technology, Tokyo, Japan, 2012, p. 75.

Список используемой литературы

[1] Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog / H. M. Pickett, R. L. Poynter, E. A. Cohen, M. L. Delitsky, J. C. Pearson, and H.S.P. Muller // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. - 1998. - Vol. 60 - p. 883.

[2] SMA - Submillimeter Array. - Internet page. - 2008. http://sma-www.cfa.harvard.edu.

[3] 550-650 GHz spectrometer development for TELIS / P.A. Ygoubov, W-J Vreeling, H. van de Stadt, R.W.M. Hoogeveen, O.V. Koryukin, V.P. Koshelets, O.M. Pylypenko and A. Murk // Proc. of 16th int. symp. on space terahertz technology. - Chalmers, Sweden: 2005. - Pp. 438-443.

[4] Wyborn N. /The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance // Eur. Space Agency Symp. - Grenoble, France: 1997. - Pp. 19-24.

[5] P. L. Richards et al, "Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions", Appl.Phys.Lett, v.34, p.345,1979.

[6] G. J. Dolan et al, "Low-noise 115 GHz mixing in superconductring oxide-barrier tunnel junctions", Appl.Phys.Lett, v.34, p.347, 1979.

[7] Low noise 1.4GHz SIS mixer for SOFIA / A. Karpov, D. Miller, J. A. Stern, B. Bumbl, H. G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. of 19th int. symp. on space terahertz technology. -Groningen, The Netherlands: 2008. - P. 68.

[8] Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot bolometer mixers // J. J. A Baselmans, M. Hajenius, J. Gao, P. d. Korte, T. M. Klapwijk. Voronov. Gol'tsman / Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84 (11). - Pp. 1958-1960.

[9] SOFIA - Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. - Internet page. - 2008. http://www.sofia.usra.edu.

[10] Проект Миллиметрон. - Страница в Интернете. - 2008. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm.

[11] G. N. Goltsman et al /Sensitive picosecond NbN detector for radiation from millimeter wavelength to visible light //Supercond.: Sci. and Technol., vol. 4, pp. 453456, 1991.

[12] J. R. Gao, M. Hajenius, Z.Q. Yang, T.M. Klapwijk, W. Miao, S. C. Shi, B. Voronov, G. Gol'tsman // 17th International Symposium on Space Terahertz Technology / Direct comparison of the sensitivity of a spiral and a twin-slot antenna coupled HEB mixer at 1 6 THz; 2006. Pp. 59-62.

[13] W. Zhang, P. Khosropanah, J. R. Gao, E. L. Kollberg, K. S. Yngvesson, T. Bansal, S. N. Hovenier, T. M. Klapwijk // 20th International Symposium on Space Terahertz Technology/ - Quantum Noise Contribution to NbN Hot Electron Bolometer Receiver; 2009. P. 155.

[14] Pourya Khosropanah, Wouter M. Laauwen, Merlijn Hajenius, Jian-Rong Gao, Teun M. Klapwijk // 19th International Symposium on Space Terahertz Technology/ -Sensitivity of a hot electron bolometer heterodyne receiver at 4.3 THz; 2008. Pp. 48-52.

[15] Th. de Graauw et al Exploratory submm space radio-interferometric telescope (ESPRIT), in Optical, Infrared, and Millimeter Space Telescopes //Proceedings of the SPIE conference Astronomical Telescopes and Instrumentation 2004, Glasgow, UK, Vol. 5487, p. 1522-1525,2004.

[16] Benford, D. J. and Kooi, J. W. /Heterodyne receiver requirements for the single aperture far-infrared (SAFIR) observatory //Proceedings of 14th Int. Symp. on Space THz Techn., pp. 529-534,2003.

[17] M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, Dover Publications Inc., New York, 2004.

[18] А. И. Елантьев, В. С. Карасик, «Воздействие высокочастотного тока на резистивное состояние сверхпроводниковой пленки ЫЬ», Физика низких температур, Т. 15 № 7, с. 675 — 683, 1989.

Подписано в печать: 08.05.2013 Объем 1,0 п.л Тираж 100 экз. Заказ № 126 Отпечатано в типографии «Реглет» 119606, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

0420135Г366

На правах

ТРЕТЬЯКОВ Иван Васильевич

Шумовые характеристики и оптимальная поглощенная мощность гетеродина НЕВ смесителя терагерцового

диапазона.

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук Гольцман Г. Н.

Москва-2013

Оглавление

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи......................................20

§ 1.1 Приемники прямого детектирования................................................21

§1.2 Супергетеродинные приемники терагерцового диапазона на основе

СИСиДБШ..................................................................................................24

§ 1.3 Эффект электронного разогрева в сверхпроводниках....................28

§ 1.4 Смесители на электронном разогреве в сверхпроводниках...........35

§1.5 Квазиоптические схемы согласования сверхпроводящего мостика с

высокочастотным излучением....................................................................41

§1.6 Выбор объекта исследования и постановка задач............................45

Глава 2. Технология изготовления и методика исследования HEB

смесителя......................................................................................................45

§2.1 Технологические аспекты изготовления квазиоптического HEB

смесителя......................................................................................................47

§2.2 Терагерцовый лазер на парах воды....................................................51

§2.3 Методика измерения характеристик HEB смесителя на постоянном

токе................................................................................................................56

§2.4 Методика измерения оптимальной поглощенной мощности

гетеродина HEB смесителя на частоте гетеродина 2.5 ТГц....................58

§2.5 Методика измерения шумовых характеристик смесителя на частоте

гетеродина 2.5 ТГц.......................................................................................62

§2.6 Заключение...........................................................................................66

Глава 3. Исследования шумовой температуры HEB смесителя на

частоте гетеродина 2,5 ТГц.........................................................................68

§3.1 Анализ зависимости сопротивления HEB смесителя от

температуры.................................................................................................68

§3.2 Измерения шумовой температуры HEB смесителя на частоте

гетеродина 2,5 ТГц.......................................................................................76

§3.3 Измерение зависимости шумовой температуры от ширины сверхпроводящего мостика HEB смесителя на частоте гетеродина

2,5 ТГц...........................................................................................................82

§3.4 Заключение..........................................................................................86

Глава 4. Исследование шумовой полосы и оптимальной поглощенной

мощности НЕВ смесителя на частоте гетеродина 2,5 ТГц......................87

§4.1 Измерение шумовой полосы НЕВ смесителя...................................87

§4.2 Исследование зависимости оптимальной поглощенной мощности

гетеродина от длины сверхпроводящего мостика НЕВ смесителя........95

§4.3 Заключение.........................................................................................100

Заключение.................................................................................................101

Литература..................................................................................................105

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 резистивном состоянии (англ. -Hot Electron Bolometer).

ПЧ -промежуточная частота.

СИС -туннельный переход сверхпроводник-изолятор-

сверхпроводник.

СубММ -субмиллиметровый диапазон волн

v -частота излучения.

0 -электронная температура,

р -удельное сопротивление.

©о -промежуточная частота, частота модуляции излучения.

АВ -полоса преобразования смесителя (полоса промежуточных частот).

т -постоянная времени болометра,

х© -время релаксации электронной температуры.

Tdifr -время диффузии электронов.

хе.е -время электрон-электронного взаимодействия.

Vph -время электрон-фононного взаимодействия.

xesc -время выхода фононов в подложку.

тт -постоянная времени смесителя.

-время рассеяния фононов в подложке.

^рЬ-е -время фонон-электронного взаимодействия.

% -постоянная времени обратного потока фононов из подложки

в плёнку.

-коэффициент прохождения фононов из плёнки в подложку.

а^ -коэффициент прохождения фононов из подложки в плёнку.

2А -энергетическая щель сверхпроводника.

Со -параметр саморазогрева.

Се -удельная теплоёмкость электронов.

сР ь -удельная теплоёмкость фононов.

а -толщина плёнки.

-коэффициент диффузии электронов.

ОрЬ -коэффициент диффузии фононов.

е -заряд электрона.

Л -коэффициент преобразования смесителя.

Ь -постоянная Планка.

Нс2 -второе критическое поле сверхпроводника.

1о,и0 -ток и напряжение смещения смесителя.

.Ь -плотность критического тока.

к -постоянная Больцмана.

Ке -электронная теплопроводность.

Крь -фононная теплопроводность.

ь -длина болометра.

1а -длина диффузии электронов.

-средняя длина свободного пробега фононов в подложке.

Р1Р -мощность промежуточной частоты, выделяющаяся в нагрузке

Рш -мощность излучения гетеродина.

Я, Ио -сопротивление смесителя по постоянному току.

Яь -сопротивление нагрузки смесителя.

Sv -вольт-ваттная чувствительность.

т -температура плёнки в равновесном состоянии

Ть -температура подложки.

Тс -критическая температура сверхпроводника.

Тк -шумовая температура приёмника.

Трь -фононная температура.

и -скорость звука.

V -объём болометра.

ъ -импеданс смесителя

Введение

Сравнительно недавно, с развитием приборной базы, для радиоастрономических наблюдений оказались доступны субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны длин волн. Эти диапазоны интересны в первую очередь тем, что на них приходится большая часть энергии электромагнитного излучения космического пространства. В этих диапазонах находятся спектральные линии химических соединений, важных для космологии, планетарной астрономии, экологии и др. областей такие как: С+, СО, СН, СН+, CH3D, HCN, HNC, 02, НС1, HF, Cl, ОН, ОН+, MgH, Н20, 03 (ТГц диапазон); NaH, LiH, СН, СН+, NH, NH3, С2Н2, С2Н6, OD, 03, HDO, HF, CFC, HCFC, HFC, D20 (ИК область до 30 ТГц) [1,2]. В случае, когда при наблюдении спектральной линии определяется её принадлежность к "спектральной подписи" какого - либо соединения, то, исходя из её интенсивности, можно судить о распространенности этого соединения, а также о протекающих процессах в наблюдаемой области пространства. К примеру, линия С+ (158 мкм) является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что говорит о высокой распространенности этого элемента в Галактике. По интенсивности этой линии определяются области звездообразования, где окружающие их пылевые скопления сильно разогреваются ультрафиолетовым излучением.

Ведение наблюдения в субмиллиметровом и, если говорить в терминах частот - терагерцовом диапазоне, непосредственно с поверхности земли является малоэффективным в виду сильного поглощения полезного сигнала парами воды и другими газами атмосферы. По этой причине наземные обсерватории располагаются в высокогорных областях, где атмосфера достаточно суха, при этом наблюдения ведутся лишь в нескольких доступных окнах прозрачности,

лежащих в диапазоне частот от 1 до 1,5 ТГц [3]. Наиболее эффективным решением является проведение астрономических наблюдений, начиная с верхних слоев атмосферы, к примеру, проект SOFIA [4] - наблюдения ведутся с борта самолёта, проект TELIS - поднимается в верхние слои атмосферы с помощью воздушного шара [5] или со спутниковых обсерваторий - проект HERSCHEL [6], МИЛЛИМЕТРОН [7].

Серьёзные успехи в ММ и субММ спектроскопии оказались возможными лишь с разработкой чувствительных приемников данных диапазонов. Специфика как радиоастрономических, так и лабораторных задач обусловливает вид используемого приемника. Для широкополосных наблюдений излучения непрерывного спектра чувствительность приемника увеличивается с уменьшением его внутренних шумов и увеличением частотной полосы приема (входной полосы приемника) [8]. В этом случае используются болометрические приемники прямого детектирования, широкополосные по своей природе. Полоса рабочих частот подобных приемников задаётся входными фильтрами и обычно составляет порядка 50 - 100 ГГц [9]. Спектральное разрешение болометрических приемников обычно низкое, но при комбинации с Фурье-спектрометром их применение возможно в спектроскопии среднего и низкого разрешения с X. / А X, < 104 [10]. В спектроскопии высокого разрешения с X /АХ> 10° обычно применяются супергетеродинные приемники, основным элементом которых является малошумящий смеситель, а разрешающая способность спектрометра задаётся шириной линии гетеродина.

Существенный прогресс в спектроскопии субММ диапазона стал возможен после разработки малошумящих смесителей на туннельном переходе сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) [11, 12]. Шумовая температура СИС приемников составляет всего несколько квантовых пределов, но резко увеличивается при частотах гетеродина

выше частоты щели для используемого сверхпроводника (700 ГГц для Nb). На данный момент максимальная частота гетеродина, на которой продемонстрирована работа СИС смесители, составляет 1,4 ТГц [13].

Ранее, в субММ диапазоне, обычно использовались приёмники со смесителями на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). ДБШ работают в широкой области температур, включая комнатную, этим они снискали популярность в бортовых гетеродинных приемниках даже на частотах ниже 1 ТГц, где ДБШ смесители существенно уступают по чувствительности СИС смесителям. Однако, большая мощность гетеродина, порядка нескольких мВт, необходимая для накачки ДБШ смесителей, является трудно достижимой в терагерцовом диапазоне частот при использовании твёрдотельных перестраиваемых источников гетеродина.

В настоящий момент большая часть значимых проектов терагерцовой астрономии и исследования верхних слоёв атмосферы базируется на использовании сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах - hot electron bolometers (НЕВ). НЕВ смесители обладают лучшими характеристиками и не имеют аналогов в терагерцовом диапазоне на частотах выше 1,25 ТГц. НЕВ смеситель обладает высокой чувствительностью и требует низкого уровня мощности гетеродина. Шумовая температура, измеренная в двухполосном режиме, на момент начала данной работы достигла для НЕВ - смесителей 950 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц [14].

Высокая чувствительность НЕВ смесителей на частотах выше 1 ТГц обеспечила их применение в астрономических проектах Европейского космического агентства. НЕВ смеситель, используемый в проекте TELIS, работает в диапазоне 1,76-1,86 ТГц, в этом диапазоне интенсивность спектральных линий таких соединений, как ОН, Н02, НОС1, NO и NO2, особенно высока. Так же, НЕВ смесители установлены в спектрометре

GREAT, задействованном в проекте SOFIA, и позволяющем проводить исследования в трёх частотных диапазонах: 1.4 - 1.9, 2.6 и 4.7 ТГц. В терагерцовом канале диапазона 1,5 - 1,9 ТГц телескопа космического базирования HERSCHEL [15] также используется HEB смеситель [8]. Проект МИЛЛИМЕТРОН [7], разрабатываемый на базе Астрокосмического Центра ФИАН им. П. Н. Лебедева, возможно использование HEB смесителей для проведения исследований на частотах выше 1 ТГц. СубММ спектроскопия находит также применение и в чисто лабораторных исследованиях, например для диагностики высокотемпературной плазмы. Перспективным является применение HEB смесителя в медицинских диагностических установках.

Физические явления, определяющие работу смесителя на эффекте электронного разогрева в сверхпроводнике, теоретически позволяют реализовать смеситель с шумовой температурой, близкой к квантовому пределу, и с полосой промежуточных частот большей, чем разработанные к настоящему моменту. В тонкой разупорядоченной металлической плёнке, лежащей в основе смесителей на эффекте электронного разогрева, поглощение излучения не селективно от частоты излучения от мм до видимого диапазона. При этом высокая чувствительность к излучению реализуется за счёт достаточно крутой температурной зависимости сопротивления при переходе в сверхпроводящее состояние. При температуре перехода в сверхпроводящее состояние, время энергетической релаксации возбуждённых электронов очень мало, это теоритически позволяет создать на основе ультратонкой пленки NbN смеситель с полосой преобразования более 10 ГГц [16].

Шумовая температура и полоса преобразования являются важными характеристиками смесителя при его использовании в гетеродинных радиоастрономических наблюдениях. В случае малых сигналов на фоне больших шумов важное значение имеет радиометрический выигрыш или флуктуационная чувствительность, связанная с накоплением сигнала. При

10

радиометрических измерениях флуктуационная чувствительность может быть представлена в виде:

где AT - минимальная разница температур, измеряемая при времени накопления сигнала т при шумовой температуре приёмника Тп в полосе ПЧ равной В. Таким образом, из данного выражения видно, что с уменьшение шумовой температуры и увеличением полосы преобразования, при том же времени наблюдения, можно получать лучшую флуктуационную чувствительность радиометра или же существенно сократить время наблюдения.

К моменту начала диссертационного исследования шумовая температура квазиоптических NbN смесителей составляла 700 К (1.63 ТГц) [17], 845 К (1.9 ТГц) [18], 950 К (2.5 ТГц) [14] и 1372 К (4.3 ТГц) [19]. Оптимальная поглощенная мощность подобных смесителей составляет порядка нескольких сотен нВт. Уменьшение шумовой температуры и оптимальной поглощенной мощности гетеродина представляет значительный практический интерес.

Рекордные по чувствительности и полосе преобразования смесители на частотах выше 1,25 ТГц могут найти широкое применение в разрабатываемых в настоящее время амбициозных радиоастрономических проектах, таких как:

• Проект МИЛЛИМЕТРОН. В рамках данного проекта планируется запуск космической обсерватории, оборудованной охлаждаемым зеркалом диаметром 10 м. Инструментальный комплекс обсерватории позволит вести наблюдения в диапазоне длин волн 20 мкм - 2 см.

• Проект космического гетеродинного интерферометра субММ диапазона ESPRIT (Exploratory Submm Space Radio-Interferometric

Telescope) [20]. Основной задачей этого проекта является исследование областей формирования планет и звёзд. Диапазон наблюдения ESPRIT выбран таким образом, что включает часть, которая закрыта для наблюдений с поверхности Земли и не повторяет рабочий диапазон частот космической обсерватории James Webb (JWST). На частотах выше 1,5 ТГц планируется использоваться HEB - смесители.

• Проект космического телескопа SAFIR[21] предлагается к разработке в Jet Propulsion Laboratory (JPL) совместно с Goddard Space Flight Center (GSFC). SAFIR представляет собой криогенный телескоп космического базирования с одним основным зеркалом, диаметром 8 - 10 м. Планируется, что этот проект будет следующим шагом в астрофизических исследованиях после Spitzer Space Telescope (Spitzer) и Herschel Space Observatory. Телескоп SAFIR будет работать в диапазоне между ИК- диапазоном, в котором проводятся наблюдения на James Webb, и СВЧ-диапазоне, доступном для наблюдения с поверхности Земли.

Из представленного обзора можно сделать вывод о том, что характеристики существующих смесителей, такие как шумовая температура, требуемая мощность гетеродина и шумовая полоса* связанная с полосой промежуточных частот, в терагерцовом диапазоне не удовлетворяют современным запросам радиоастрономии. Для успешного применения в передовых радиоастрономических проектах требуется значительная оптимизация этих характеристик. Таким образом, актуальность представляемого диссертационного исследования определяется необходимостью разработки в терагерцовом диапазоне частот чувствительных гетеродинных приёмников с малыми потерями между сверхпроводящим мостиком и планарной антенной смесителя для достижения предельных характеристик по шумовой температуре,

шумовой полосе и необходимой мощности гетеродина.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является:

1. Исследование характеристик на постоянном токе квазиоптических NbN HEB смесителей терагерцового диапазона частот на эффекте электронного разогрева, изготовленных из сверхпроводящих пленок NbN толщиной 3,5 нм по технологии in situ.

2. Проведение анализа зависимости сопротивления NbN HEB смесителя, изготовленного по технологии in situ, от температуры.

3. Исследование зависимости шумовой температуры NbN HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, от площади сверхпроводящего мостика на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

4. Проведение измерений шумовой полосы NbN HEB смесителей, изготовленных по технологии in situ, на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

5. Исследование зависимости оптимальной поглощённой мощности гетеродина для NbN HEB смесителей, изготовленных по тех�