Смесители на эффекте электронного разогрева для терагерцового и инфракрасного диапазонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Масленников, Сергей Николаевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2007
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Масленников Сергей Николаевич
Смесители на эффекте электронного разогрева для терагерцового и инфракрасного диапазонов
Специальность 01 04 03 — радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
иил)Б5703
Москва - 2007
003065703
Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре общей и экспериментальной физики физического факультета
Научный руководитель
доктор физико-математических наук, профессор,
Официальные оппоненты
Ведущая организация
Гольцман Григорий Наумович
Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Тарасов Михаил Александрович
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Розанов Сергей Борисович
Институт прикладной физики РАН, г Нижний Новгород
г в /4
Тх>
Защита состоится "15" октября 2007 г в часов на заседании Дис-
сертационного совета Д 212 154 22 при Московском педагогическом государственном университете по адресу 119435, г Москва, ул Малая Пироговская, д 29, ауд 30
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу 119992, Москва, Малая Пироговская ул , д 1
Автореферат разослан " ^ " е&е-^д] д 2007 года
Ученый секретарь диссертационного совета
/
^ ///
Ильин В А
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена исследованию характеристик смесителей на эффекте электронного разогрева в тонких пленках NbN как в терагерцовом, так и в инфракрасном диапазонах В терагерцовом диапазоне исследуются смесители, сопряженные с планарной антенной, в то время как в инфракрасном диапазоне исследуются смесители с прямым поглощением. Работа включат ет изучение и оптимизацию шумовой температуры исследуемых смесителей на частотах 2,5 и 28,4 ТГц, изучение оптимальной поглощенной смесителем мощности гетеродина и диаграммы направленности приёмника на основе исследуемого смесителя на частоте 28,4 ТГц, а также вольтваттной чувствительности приемного элемента смесителя в диапазоне от 25 до 67 ТГц
Актуальность исследований
В современной радиоастрономии, а также в науках о Земле существует ряд проблем, решение которых зависит от чувствительности и спектрального разрешения приёмников излучения терагерцового (ТГц) и инфракрасного (ИК) частотных диапазонов В этих диапазонах находятся яркие спектральные линии химических соединений, важных для космологии, планетарной астрономии, а также для отслеживания глобальных процессов в земной атмосфере. Если при наблюдении спектральной линии удается установить ее принадлежность к «спектральной подписи» того или иного химического соединения, то по интенсивности линии можно судить о распространенности данного соединения, а также о процессах, протекающих в наблюдаемой области пространства Например, линия С+ на 158 мкм является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что свидетельствует о высокой распространенности этого элемента в Галактике По яркости этой линии определяются области звездообразования, где окружающие пылевые скопления облучаются ультрафиолетовым излучением новых звезд Используя «спектральные подписи» таких соединений, как НгО, HD, HCN, CH3D, NH3, РН3, СО, С2Н2, СгНб, входящих в составы атмосфер планет Солнечной Системы [1], можно искать планетные системы, сходные с Солнечной В дальней ИК области (и ~ 15 ТГц) находится максимум спектральной плотности излучения астрономических объектов с температурами близкими к земным, что может быть использовано при поиске планет, на которых возможна жизнь
Соединения CFC, HCFC и HFC являются озоноразрушающими Кроме того, они, впрочем как СО, ОН и собственно Оз, могут влиять на процесс глобального потепления «Спектральные подписи» этих соединений могут быть использованы при мониторинге спектрометрами, выведенными в космос
В случаях, когда требуется высокое спектральное разрешение, например, когда необходимо различать близко расположенные спектральные линии или
учитывать форму линии, преимущество имеют гетеродинные приёмники В интервале от 1 до 30 ТГц, перекрывающем значительные части терагерцо-вого и ИК-диапазонов, наиболее распространены гетеродинные приемники со смесителями на основе структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), диодов Шоттки, полупроводниковых фотопроводящих материалов (например, HgCdTe), а также со смесителями на основе электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников (with hot-electron bolometer mixers — с НЕВ-смесителями)
На частотах ниже 1,25 ТГц используются СИС-смесители Двухполосная шумовая температура (ТщИС) системы на основе СИС-смесителя составляет 136 К на частоте гетеродина иг = 650 ГГц [2] Выше 1 ТГц Т®ис начинает быстро возрастать с частотой, достигая на иг = 1,25 ТГц значения 760 К [3] На более высоких частотах, существенно превосходящих частоту, соответствующую величине энергетической щели сверхпроводника, применение СИС-смесителей затруднено
Другим типом смесителей, используемых на терагерцовых частотах, являются смесители на основе диода Шоттки Даже при рабочей температуре 4 К они не показывают достаточно низкую шумовую температуру во всем терагерцовом диапазоне 880 К, 8500 К и 7 104 К на частотах 0,6 ТГц, 2,5 ТГц и 4,75 ТГц, соответственно [4, 5]
Отметим также, что на частотах, близких к 30 ТГц, проводились исследования смесителей на основе HgCdTe-фотодиодов Минимальная шумовая температура гетеродинной системы на основе HgCdTe-смесителя, исходя из измеренной величины квантовой эффективности 0,2 [6], составляет 3400 К на частоте 28,4 ТГц, однако, применение таких смесителей на частотах ниже 28 ТГц затруднено, так как их шумовая температура резко возрастает с уменьшением частоты [7]
В 1990 году был разработан новый тип смесителей — на основе электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников (hot-electron bolometer mixer, НЕВ-смеситель) [8] На частотах до 30 ТГц НЕВ-смесители, в отличие от СИС и HgCdTe - смесителей, не имеют принципиальных ограничений по механизму смешения Подавленное состояние энергетической щели сверхпроводниковой пленки, находящейся в резистивном состоянии, обуславливает спектральную независимость эффекта электронного разогрева от ММ до ближнего ИК-диапазона волн [9] К началу диссертационного исследования полученная шумовая температура квазиоптических NbN-смесителей на частотах 0,62, 0,7, 1,4, 2,5, 4,3 и 5 2 ТГц составила 500, 370, 2200, 2900, 5600 и 8800 К [10, 11, 12], соответственно
Из приведенных данных видно, что шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ-смесителей на частотах выше 2 ТГц начинает быстро возрастать Такое поведение зависимости шумовой температуры от частоты ге-
теродина связано с применением антенн Верхняя частотная граница наиболее широкополосных спиральных антенн, интегрированных с чувствительным элементом в чипах ШЫ НЕВ-смесителей составляет ~ 3 ТГц [13] Изготовление антенн, рассчитанных на более высокую частоту, а следовательно - меньшего размера, является отдельной технологической проблемой, однако даже при ее решении увеличение эффективности преобразования на более высоких частотах будет недостаточным Основной трудностью является рост потерь в контактных структурах между берегами металлической пленарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком с увеличением чат стоты гетеродина. Из-за контактного сопротивления, которое, в отличие от сопротивления резистивной чувствительной сверхпроводниковой пленки, не изменяется на промежуточной частоте, значительная часть мощности рассеивается в контактах, не образуя ПЧ-отклика Кроме того, при увеличении частоты и соответствующем уменьшении характерного размера антенны контактные потери могут возрастать из-за сопутствующего уменьшения размеров самих контактов
В сложившейся ситуации актуальным является как исследование возможности улучшения шумовых параметров NbN НЕВ-смесителей те-рагерцового диапазона, так и исследования, направленные на создание НЕВ-смесителей, рассчитанных на более высокие частоты, где применение смесителей, сопряженных с планарными антеннами, затруднено.
Целью диссертационной работы является исследование ЫЬЫ НЕВ-сме-сителей в терагерцовом и инфракрасном диапазонах
1 Демонстрация возможности эффективного гетеродинного преобразоваг ния сигнала с помощью №эЫ НЕВ-смесителя на частоте, близкой к 30 ТГц
2 Оптимизация шумовой температуры НЕВ-смесителей терагерцо-вого и ИК - диапазонов
В качестве объекта исследования выбраны смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной от 3 5 до 5 нм ИЫ^-пленки, из которых изготавливаются смесители, осаждаются методом реактивного магнетронного распыления мишени в атмосфере Аг и N2 как на подложки из кремния, так и на подложки из арсенида галия в зависимости от частотного диапазона смесителя Между кремниевой подложкой и чувствительной пленкой может быть нанесен буферный слой М§0, улучшающий сверхпроводящие свойства чувствительного мостика и обеспечивающий акустическую прозрачность интерфейса с чувствительной пленкой ЫЬЫ за счет сходства текстур 1МЬИ и MgO [14]. Буферный слой наносится методом электронно-лучевого испарения перед нанесением пленки NbN Чувствительный элемент смесителя мо-
жет быть интегрирован с металлической спиральной антенной, формируемой методами электронной литографии и фотолитографии
Предмет работы включает в себя
1 Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения характеристик смесителей с прямым поглощением при рабочей температуре 4,2 К на частоте 28,4 ТГц
2 Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения шумовой температуры НЕВ-смесителей, сопряженных с пла-нарными антеннами, при рабочей температуре 4,2 К на частоте 2,5 ТГц
3 Разработку теоретических моделей, описывающих эффект прямого детектирования на частотах 2,5 и 28,4 ТГц
4 Измерение шумовой температуры исследуемых образцов в зависимости от напряжения смещения и транспортного тока Определение оптимальной рабочей точки
5. Измерение оптимальной поглощенной мощности гетеродина для смесителя с прямым поглощением, изучение диаграммы направленности приемника на основе такого смесителя на частоте 28,4 ТГц, а также получение частотной зависимости вольтваттной чувствительности приемного элемента смесителя с прямым поглощением в диапазоне 25 -т- 67 ТГц
б Сравнение полученных; экспериментальных результатов с модельными теоретическими расчетами
Особенностью методик исследования этой работы является учет вклада эффекта прямого детектирования в величину У-фактора при измерении шумовой температуры Исследуемые ЩИ НЕВ-смесители являются не только смесителями, но и прямыми детекторами, причем входная полоса детектирования—существенно больше полосы преобразования В схеме измерения шумовой температуры при смене в сигнальном тракте нагрузок-черных тел, если входная полоса приемника достаточно широка, может происходить смещение рабочей точки смесителя по току, что, в свою очередь, приводит к изменению зависящих от нее эффективности преобразования и выходного шума смесителя, не связанному с гетеродинным преобразованием Методы, применяемые в этой работе, позволяют учитывать или устранять эффект прямого детектирования
В процессе работы были получены следующие новые научные результаты
1 Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц МЬИ НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения В отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжен с планарной антенной Излучение поглощается непосредственно в тонокй пленке ЫЬИ Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты ГЛЫ НЕВ-смесителей
2 Измерена шумовая температура Каллена-Велтона Г^ЬИ НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К
3 Измерена оптимальная поглощенная мощность гетеродина для
НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт
4 Получена зависимость вольтваттной чувствительности Т^ЬИ НЕВ, устаг новленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц
5 Исследована диаграмма направленности НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7°
6 Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения У-фактора в ИК-диапазоне
7 Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из пленок ]ЧЬМ толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц
Практическая значимость работы определяется острой необходим,рстью малошумящих широкополосных смесителей для практических приборов высокого спектрального разрешения, работающих в диапазоне частот от 1 до 30 ТГц, а также возможностью применения НЕВ-смесителя, являющегося объектом исследования, для решения практических задач радиоастрономии и исследования земной атмосферы Практическая значимость подтверждается выбором разрабатываемых НЕВ-смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюде-
ния (APEX1 [15], HERSCHEL2 [16, 17], МИЛЛИМЕТРОН3 [18]), так и на исследование атмосферы Земли (SOFIA4 [19], TELIS5 [20])
Были поставлены следующие задачи
1 Разработать NbN-смесители с прямым поглощением для инфракрасного диапазона
2 Разработать теоретическую модель, позволяющую учитывать вклад эффекта прямого детектирования в погрешность измерения Y-фактора
3 Исследовать шумовую температуру NbN-смесителя с прямым поглощением в зависимости от напряжения смещения и транспортного тока на частоте 28,4 ТГц
4 Исследовать вольтваттную чувствительность приемного элемента NbN-смесителя с прямым поглощением в диапазоне 25 -5- 67 ТГц
5 Исследовать на частоте 28,4 ТГц диаграмму направленности NbN-смесителя с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм
6 Исследовать вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне
7 Оптимизировать шумовую температуру смесителя на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из пленки NbN на частоте гетеродина 2,5 ТГц
На защиту выносятся следующие положения
1 Гетеродинное преобразование синала на частоте 28,4 ТГц может быть осуществлено смесителем на эффекте электронного разогрева, изготовленным из тонкой пленки NbN, с прямым поглощением, те без интегрированной в чип смесителя планарной антенны, сопряженной с чувствительным мостиком
2 Двухполосная шумовая температура Каллена-Велтона смесителя с прямым поглощением на эффекте электронного разогрева, изготовленного из пленки NbN толщиной 5 нм, с размерами чувствительного элемента
1Atacama Pathfinder Experiment
2Космическая обсерватория диапазона длин волн от 57 мкм до 670 мкм
3Космическая обсерватория MM, CMM и ИК диапазонов
■•Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy
5 Terahertz and Submillrmeter Limb Sounder
в плане 20 х 30 мкм2, установленного на германиевой вытянутой полусферической линзе диаметром 12 мм, составляет 2300 К на частоте гетеродина 28,4 ТГц
3 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителя на эффекте электронного разогрева, изготовленного из пленки NbN толщиной 5 нм с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, составляет 16 мкВт на частоте гетеродина 28,4 ТГц
4. Вольтваттная чувствительность приемного элемента смесителя на основе пленки МЬИ толщиной 5 нм с размерами в плане 20 х 30 мкм2, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, в диапазоне от 25 до 67 ТГц близка к 70 ^ Слабая зависимость вольтваттной чувствительности от частоты связана с тем, что в приведенном диапазоне энергия кванта существенно превышает удвоенную ширину энергетической щели
5 Влияние эффекта прямого детектирования и связанное с ним искажение У-фактора при измерении шумовой температуры в ИК-диапазоне, как и в терагерцовом, могут быть значительно уменьшены путем установки на входе приемника полосопропускающего фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродина, уменьшающего входную полосу прямого детектирования
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10 печатных работах и представлены в 8 докладах на российских и международных конференциях В журналах из списка ВАК опубликовано 2 работы Список публикаций приведен в конце автореферата
Объём и структура диссертации. Общее количество страниц в диссертаг ции составляет 144 Диссертация включает 4 главы, 35 рисунков, 3 таблицы В библиографию включено 95 наименований
Основное содержание работы
Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводится краткое содержание диссертации
Глава 1. Обзор литературы. Гетеродинные приёмники диапазона 0,3-30 ТГц
В главе 1 дается обзор литературы по смесителям, работающим в диапазоне от нескольких сотен ГГц до 30 ТГц В параграфе 11 (стр 21) обсуждаются
характеристики гетеродинных приемников ТГц и ИК-диапазонов на основе диодов с барьером Шоттки, структур СИС и Н^Сс1Те-фотодиодов Параграф 1 2 посвящен явлению электронного разогрева в тонких пленках NbN В параграфе 1 3 рассматриваются смесители на эффекте электронного разогрева с фотонным каналом охлаждения. В параграфе 1 4 обосновывается и ставится задача данного исследования
Глава 2. Технология создания ГШ^ НЕВ-смесителей и методы измерения их характеристик
В главе 2 рассматриваются технологические процессы нанесения тонких пленок NbN, формирования чипов ИЬМ НЕВ-смесителей терагерцового и ИК-диапазонов, а также экспериментальные методы настоящего исследования Технология создания смесителя ИК-диапазона была получена путём модификации технологического процесса изготовления терагерцовых смесителей, которому посвящен первый параграф этой главы Маршрут изготовления НЕВ-смесителей с прямым поглощением ИК-диапазона сходен с маршрутом изготовления терагерцовых смесителей, однако имеется ряд существенных различий, которые рассматриваются в параграфе 2 2В параграфе 2 3 приводится описание экспериментальной установки для измерения шумовой температуры, а также для исследования эффекта прямого детектирования на частоте гетеродина, в качестве которого используется СОг-лазер, 28,4 ТГц. Далее в параграфах 2 4, 2 5 и 2 6 рассматриваются методики измерения оптимальной поглощенной мощности гетеродина исследуемого смесителя, вольт-ваттной чувствительности и поглощенной мощности нагрузки электронно-разогревного болометра в детекторном режиме, соответственно Параграфы 2 7 и 2 8 посвящены методике измерения шумовой температуры смесителей, сопряженных с пленарными антеннами, в терагерцовом диапазоне
Глава 3. Инфракрасные ^ШМ НЕВ-смесители с прямым поглощением
Глава 3 посвящена исследованию характеристик приемника на основе СО2-лазера с линией генерации на длине волны 10,6 мкм (частота 28,4 ТГц) в качестве гетеродина и ИЬМ НЕВ-смесителя с прямым поглощением При рассмотрении шумовой температуры такого приемника, а также при расчете его потерь преобразования учитывается коэффициент поглощения в тонкой пленке №>М, которому посвящен первый параграф этой главы. В параграфах 3 2, 3 3 и 3 4 рассматриваются шумовая температура исследуемого приемника в целом, а также вклады в шумовую температуру отдельных оптических и электрических компонент, оптимальная поглощенная смесителем мощность гетеродина и потери преобразования Параграф 3 6 посвящен исследованию зависимости вольтваттной чувствительности электронно-разогревного при-
ёмника от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц. В параграфе 3.5 представлены результаты исследования диаграммы направленности системы, состоящей из германиевой линзы и установленного на ней электрон но-разо г рев ного болометра. являющихся частью смесительного блочка исследуемого приемника. В параграфе 3,7 показывается, что как при измерении шумовой температуры смесителей, сопряженных с пленарными антеннами на частотах терагерцо-вого диапазона, при измерении шумовой температуры смесителя с прямым поглощением в ПК-диапазоне величина Y-фактора может искажаться в результате эффекта прямого детектирования. В этом же параграфе демонстрируется возможность устранения эффекта прямого детектирования. В параграфе 3.S представлены выводы.
Вольтваттная чувствительность HEB слабо изменяется с увеличение±м частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц (рис. 1). Такое поведение вольтваттной чувствительности связано с тем, что частотная зависимость коэффициента поглощения плёнки NbN также слабо зависит от частоты из-за того, что в указанном диапазоне энергия кванта существенно превышает 2Д (Д — ширина энергетической щели NbN).
Шумовая температура Каялена-Велтона NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением измерялась при различных напряжениях смещения и транспортных токах. Несколько ее значений вблизи оптимальной вольтамперной кривой представлены на рис, 2. Минимальное значение шумовой температуры Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте 28,4 ТГц состави-
Рис. 1. Зависимость вольтваттной чувствительности приемника от частоты (круги) и, как примеры, —коэффициенты пропускания 2 дисперсионных фильтров, определяющих частоты измерений (линии).
ло 2300 К при план арных размерах образца 20 X 30 мкм2, толщина плёнки ТШЧ 5 нм, напряжении смещения & мВ и транспортном токе 200 мкА.
Оптимальная поглощённая мощность гетеродина МЫ\" НЕБ-с месите л я с пленарными размерами чувствительного элемента 20 х 30 мкма близка к 16 мкВт. Учитывая коэффициент поглощения плёнки МЪМ и оптические потери о СаА&-подложке и Се-линзе, оптимальная мощность гетеродина на входе смесительного блока, близка к 50 мкВт. Полученное значение оптимальной поглощённой мощности на. частоте 28,4 ТГц существенно превышает значения оптимальной поглощённой мощности гетеродина, характерные для смесителей тера перцового диапазона, сопряжённых с план арными антеннами 500 нВт [21]}. Причиной этого является существенное увеличение размеров в плакс и, соответственно, объёма чувствительного элемента.
Полные потери преобразования исследуемого приёмника составляют 23 дБ, при этом вклад смесителя в полные потери преобразования составляет 20 дБ,
Глава 4. Терагерцоные 1ЧЫЧ НЕВ-смесители, сопряжённые с пла-Н&рными антеннами
В главе 4 обсуждаются результаты исследования квазиоптических антенных Н ЕВ-смесителей, изготовленных из тонких плёнок МЬМ, нанесённых на кремниевую подложку. В параграфе 4.1 рассматриваются результаты исследования шумовой температуры 1\ТЬК НЕ В-с месите ля на частоте 2,5 ТГц. Па-
1.4
1.2
<
£ 1
Я
0
£ 0.8
1 0-6
0
1 0.4
ТО
о.
0,2 О
0 5 10 15 20 25 30 Напряжение смещения, мВ
Рис. 2. Вольтам нерпы е характеристики смесителя с прямым поглощением при план арных размерах чувствительного элемента 20 к 30 мкм1 и толщине плёнки ГЛК 5 км, а также -несколько значений шумовой температуры, полученных в точках вблизи оптимальной цольтамперной характеристики.
раграф 4.2 посвящен исследованию эффекта прямого детектирования при калибровке НЕВ-смесителей с помощью черноте льных нагрузок. Результаты исследования эффекта прямого детектирования, рассматриваемые в этой главе, были использованы при проведении экспериментов по измерению шумовой температуры NbN HEB-с меси тел я с прямым поглощением, результаты которых представлены в главе 3. В параграфе. 4.3 представлены выводы.
Используемый в чипе смесителя буферный слой MgO толщиной 200 нм, наносимый между плёнкой NbN и кремниевой подложкой, улучшает сверхпроводящие качества плёнки, увеличивая критическую температуру и критическую плотность тока.
Нормальное сопротивление чувствительного мостика 80 Ом) отличается от сопротивления, рассчитываемого исходя из еги размеров и поверхностного сопротивления плёнки NbN (щ Я^О ■ 500 Ом/О 30 Ом), из которой он изготовлен. Возможной причиной такого отличия является значительное контактное сопротивление на границе между чувствительным мостиком из NbN и берегами золотой антенны.
Минимальное значение шумовой температуры смесителя на частоте 2,5 ТГц составляет 1300 К.
Эффект прямого детектирования является существенной трудностью при калибровке практических спектральных инструментов на основе сверхпроводников ых HEB. Он становится заметным, когда разницей поглощённой мощности при горячей нагрузке на входе и поглощённой мощности при холодной нагрузке на входе нельзя пренебречь по сравнению с суммой поглощённой мощности гетеродина и мощности транспортного тока. Усилению эффекта прямого детектирования при калибровке может способствовать широкая входная полоса, предоставляемая, например, интегрированной в чип смесителя спиральной антенной.
а) Пряное измерение. Вклад эффекта прямого детектирования не учитывается.
й) В к;: ад эффекта прямого детектирования учитывается при расчета У-фшггрря*
в) Входной фильтр из HDPE заменен на металлический сеточный фяль 1р.
Рис. 3. Шумовая температура антенного НЕБ-смесителя на частоте 2,5 ТГц в зависимости от напряжения смещения У и транспортного пока I. В плоскости VI построены вольтампервые характеристики смесителя для различии?; значений поглощенной мощности гетеродина.
Оценка вклада эффекта прямого детектйрования может быть осуществлена при известных величине амплитуды тока детектироваг ния 61 = ||/х — /т| (/Х; /т — транспортные токи при холодной и теплой нагрузках на входе, соответственно) и зависимости мощности на выходе тракта ПЧ от транспортного тока
Применение входных фильтров, уменьшающих полосу детектирования, но характеризуемых высоким коэффициентом пропускания на частоте гетеродина, позволяет устранять эффект прямого детектирования
Зависимости шумовой температуры НЕВ-смесителя, сопряженного с планарной антенной от напряжения смещения и транспортного показаны на рис 3 для случаев, когда эффект прямого детектирования устранен путем установки на входе приемника фильтра, уменьшающего полосу детектирования (в), учтен при расчете У-фактора (б) и когда измерение проводится без учета эффекта прямого детектирования (а) Из рисунка видно, что при устранении эффекта прямого детектирования корректируется не только минимальное значение шумовой температуры, но и положение оптимальной рабочей точки
Заключение
В заключении сформулированы основные результаты работы (в Автореферате они сформулированы на стр 4).
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
Публикации в журналах из списка ВАК РФ
1 Масленников С. Финкель М, Гольцман Г Супергетеродинные тера-герцовые приемники со сверхпроводниковым смесителем на электронном разогреве // Известия высших учебных заведений. Радиофизика - 2005 - Т 48, № 10-11 - С 964-969 - 0,4 п л (авторских 30%)
2 Maslenntkov S, Baselmans J, Baryshev A , Reker S, Hajemus M, Gao J, Klapwijk T, Vachtomm Y, Antipov S, Voronov В, Gol'tsman G Direct detection effect m small volume hot electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett. - 2005 - Vol 86 - Pp 163503-163505 - 0,2 п л (авторских 10%)
Другие публикации
3. Maslenmkov S . Fmkel M, Antipov S, Polyakov S, Zhang W, Ozhegov R , Vachtomm Y, Svechnikov S, Smirnov К, Korotetskaya Y, Kaurova N, Voronov В, Gol'tsman G Spiral antenna coupled and directly coupled NbN HEB mixers in the frequency range from 1 to 70 THz // Proc 17i?i international symposium on space terahertz technology — Paris, Prance 2006 - Pp 285-287 - 0,2 п л (авторских 40%)
4 Maslenmkov S. Fmkel M, Vachtomm Y, Svechnikov S, Smirnov К, Seleznev V, Korotetskaya Y, Kaurova N, Voronov B, Gol'tsman G Hot electron bolometer mixer for 20 - 40 THz frequency range // Proc 16ift international symposium on space terahertz technology — Goteborg, Sweden 2005. - Pp 393-397 - 0,2 п л (авторских 30%)
5 Maslenmkov S. Gol'tsman G, Vachtomm Y, Antipov S, Fmkel M, Smirnov К, Polyakov S, Svechnikov S NbN phonon-cooled hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // Proc SPIE.— Vol. 5727 - 2005 - Pp 95-106 - 0,5 п л (авторских 20%)
6 Maslennikov S. Smirnov К, Vachtomm Y, Antipov S, KaUrova N, Drakmsky V, Voronov В, Gol'tsman G Noise performance of spiral antenna coupled HEB mixers at 0 7 THz and 2 5 THz // Proc Uth international symposium on space terahertz technology — Tucson, USA 2003 - Pp 405-412 - 0,5 п л (авторских 20%)
7 Maslennikov S, Vachtomm Y, Antipov S, Smirriov К, Polydkov S, Kaurova N, Gnshma E, Voronov В, Gol'tsmcm G Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled hot electron bolometer mixer at 2 5 and 3 8 THz // Proc 15th international symposium on space terahertz technology — Northampton, Massachusetts, USA 2004 — Pp 236-241 — 0,4 п л (авторских 20%)
8 Maslennikov S, Vachtomm Y, Antipov S, Kaurova N, Smirnov К, Polyakov S, Svechnikov S, Gnshma E, Voronov В, Gol'tsman G Noise temperature, gam bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies // Proc Joint 29-th Int Conf. On Infrared and Milhmetei Waves and 12-th Int Conf On Terahertz Electronics - Karlsruhe, Germany 2004 - Pp 329-330 - 0,125 п л (авторских 20%)
9 Maslennikov S . Antipov S, Vachtomm Y, Smirnov К, Kaurova N, Gnshma E Noise performance of quasioptical ultrathm NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3 8 THz // Proc Fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter arid submillimeter waves (MSMW-04) - Kharkov, Ukraine 2004 - Pp 592594 — 0,2 п л (авторских 20%)
10 Масленников С. Вахтомин Ю , Антипов С, Смирнов К, Каурова Н, Гришина Е, Воронов Б, Гольцман Г Смесители на основе электронного разогрева в тонких пленках NbN для частот 2 5 и 3 8 ТГц // Десятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10) - Москва 2004 - С 968-969 - 0,125 п л (авторских 20%)
Литература
[1] The middle-infrared spectrum of Saturn - Evidence for phosphme and upper limits to other trace atmospheric constituents /HP Larson, U Fink, H A Smith, D S Davis // Astrophysical Journal — 1980 — Vol 240 — Pp 327-337
[2] Fixed-tuned waveguide 0 6 THz SIS mixer with Wide band IF / A Baryshev, E Launa, R Hesper, T Zijlstra, W Wild // Proc 13th international symposium on space terahertz technology / Harward University — Cambridge, MA, USA 2002
[3] Low noise NbTiN 1 25 THz SIS mixer for Herschel Space Observatory / A Karpov, D Miller, J A Stern, В Bumble, H G LeDuc, J Zmuidzmas // Proc Wh international symposium on space terahertz technology — Goteborg, Sweden 2005
[4] Submm wavelenght waveguide mixers using planar Schottky barier diods / J Hesler, W Hall, T Crowe, R Weikle, R Bradley, Shmg-Kuo Pan // Proc 7th international symposium on space terahertz technology — 1996 — P 462
[5] Betz A , Borejko R A practical Schottky mixer for 5 THz // Proc 7th international symposium on space terahertz technology — 1996 — P 503
[6] Heterodyne spectroscopy of astronomical and laboratory sources at 8 5 ¡mi using diode laser local oscillators / M Mumma, T Kostiuk, S Cohen, D Buhl, P V Thuna // Space Science Reviews — 1975 — Vol 17, no 5 — Pp 661-667
[7] Kostiuk T, Spears D 30 //m heterodyne receiver // International Journal of Infrared and Millimeter Waves - 1987 - Vol 8, no 10 - Pp 1269-1279
[8] Millimeter and submilhmeter wave range hot electron mixer / E Gershenzon, G Gol'tsman, I Gogidze, Y Gusev, A Elantiev, В Karasik, A Semenov // Sov Superconductivity - 1990 — Vol 3, no 10 - P 2143 (part 1)
[9] Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии / Е Гершензон, M Гершензон, Г. Гольдман, А Семенов, А Сергеев // ЖЭТФ - 1982 - Т 36, № 7 -С. 241-244
[10] Hot Electron Bolometric mixers based on NbN films deposited on MgO substrates / P Yagoubov, M Kroug, H Merkel, E Kollberg, J Shubert, H Hubers, S Svechnikov, В Voronov et al // Supercond Sci Technol — 1999 - Vol 12
[11] Frequency dependent noise temperature of the lattice cooled hot-electron terahertz mixer / A Semenov, H -W Hubers, J Schubert, G Gol'tsman, A Elantiev, В Voronov, E Gershenzon // Proc 11th international symposium on space terahertz technology — 2000 — Pp 39-48
[12] Noise temperature of an NbN hot-electron bolometric mixer at frequencies from 0 7 THz to 5 2 THz / J Schubert, A Semenov, G Gol'tsman, H -W Hubers, G Schwaab, В Voronov, E Gershenzon // Supercond Sci Technol - 1999 - Vol. 12, no 11 - Pp. 748-750
[13] The development of terahertz superconducting hot-electron bolometnc mixers / A Semenov, H Richter, К Smirnov, В Voronov, G Gol'tsman, Hemz-Wilhelm Hubers // Supercond, Sei Technol — Vol 17 — Pp 436439
[14] NbN phonon-cooled hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers / G N Gol'tsman, Y В Vachtomin, S V Antipov, M I Finkel, S N Maslennikov, К V Smirnov, S L Polyakov, S I Svechnikov et al // Proc SPIE - Vol 5727 - 2005 - Pp 95-106
[15] Atacama Pathfinder Experiment APEX — Internet page — 2006 http //www apex-telescope org/
[16] Harwit M The Herschel mission // Advances in Space Research — 2004 — Vol 34, no 3 - Pp 568-572
[17] Pilbratt G L. Herschel mission status and observing opportunities — Electronic article, PDF — 2006 http //herschel esac esa mt/Publ/2006/SPIE2006_Herschel_paper pdf
[18] Проект Миллиметрон — Страница в Интернет — 2007 http //www asc rssi ru/millimetron/
[19] SOFIA - Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy — Internet page — 2007 http //www sofia usra edu/
[20] SRON-TELIS - Internet page - 2007 http //www sron nl/mdex php?option=com_contentt&task=view&id=99&Itemid=238
[21] Local oscillator power requirement and saturation effects in NbN HEB mixers / S Cherednichenko, M Kroug, H Merkel, E Kollberg, D Loudkov, К Smirnov, В Voronov, G Gol'tsman, E Gershenzon // Proc. 12ift international symposium on space terahertz technology / Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology — San Diego, CA, USA 2001 - Pp 273-285
Подл к печ Об 09 2007 Объем 1 п л Заказ № 128 Тир 100 экз Типография МПГУ
Список сокращений
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Гетеродинные приёмники диапазона 0,3-30 ТГц
§1.1 Гетеродинные приёмники на основе ДБШ, СИС и фотопроводников . . . , •.
§ 1.2 Эффект электронного разогрева в тонких плёнках NbN
§ 1.3 Смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения.
§ 1.4 Выбор объекта исследования и постановка задачи.
Глава 2. Технология создания NbN НБВ-смесителей и методы измерения их характеристик
§2.1 Технология осаждения сверхпроводниковых плёнок и изготовление смесителей терагерцового диапазона, сопряжённых с планарными антеннами
§ 2.2 Технология изготовления смесителей с прямым поглощением
§ 2.3 Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры на частоте 28,4 ТГц.
§ 2.4 Изотермический метод оценки поглощённой мощности гетеродина
§2.5 Методика измерения ' вольтваттной чувствительности
НЕВ-смесителя в диапазоне от 25 до 67 ТГц.
§ 2.6 Расчёт поглощённой мощности нагрузки в детекторном режиме в приближении малого сигнала.
§ 2.7 Согласование антенного NbN НЕВ-смесителя с квазиоптическим трактом.
§ 2.8 Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры на частоте 2,5 ТГц.
Глава 3. Инфракрасные NbN НЕВ-смесители с прямым поглощением
§3.1 Поглощение в тонкой плёнке NbN
§ 3.2 Шумовая температура NbN НЕВ-смесителя на частоте 28,4 ТГц
§ 3.3 Оптимальная поглощённая мощность гетеродина.
§ 3.4 Потери преобразования на частоте 28,4 ТГц
§3.5 Диаграмма направленности приёмника на основе
NbN НЕВ-смесителя на частоте 28,4 ТГц.
§ 3.6 Вольтваттная чувствительность NbN НЕВ в диапазоне от до 67 ТГц . . ;.!
§3.7 Эффект прямого детектирования при измерении шумовой температуры на частоте 28,4 ТГц.
§ 3.8 Выводы
Глава 4. Терагерцовые NbN НЕВ-смесители, сопряжённые с планарными антеннами
§4.1 Шумовая температура NbN НЕВ-смесителя на частоте 2,5 ТГцЮЗ
§4.2 Эффект прямого детектирования при измерении шумовой температуры в терагсрцовом диапазоне.
§ 4.3 Выводы.;.
В современной радиоастрономии, а также в науках о Земле существует ряд проблем, решение которых зависит от чувствительности и спектрального разрешения приёмников излучения терагерцового (ТГц) и инфракрасного (ИК) частотных диапазонов. В этих диапазонах находятся яркие спектральные линии химических соединений1, важных для космологии, планетарной астрономии, а также для отслеживания глобальных процессов в земной атмосфере. Если при наблюдении спектральной линии удаётся установить её принадлежность к «спектральной подписи» того или иного химического соединения, то по интенсивности линии можно судить о распространённости данного соединения, а также о процессах, протекающих в наблюдаемой области пространства. Например, линия .С+ на 158 мкм является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что свидетельствует о высокой распространённости этого элемента в Галактике. По яркости этой линии определяются области звёздообразования, где окружающие пылевые скопления облучаются ультрафиолетовым излучением новых звёзд. Используя «спектральные подписи» таких соединений, как Н2О, HD, HCN, CH3D, NH3, РН3, СО, С2Н2, СгНб, входящих в составы атмосфер планет Солнечной Системы [1], можно искать планетные системы, сходные с Солнечной. В дальней ИК области (и ~ 15 ТГц) находится максимум спектральной плотности излучения астрономических объектов с температурами, близкими к земным, что может быть использовано при поиске планет, на которых воз
1 Наиболее интересные линии в диапазоне до 30 ТГц: С+, СО, СН, СН+, CH3D, HCN, HNC, 02, НС1, HF, CI, ОН, OH+, MgH, H20, H20+, H2D+, LiH, NH3, PH3, SH, HeH+, CII, 01, CH2, Sil, HD, 03 (ТГц диапазон); NaH, LiH, СН, CH+, NH, NH3, C2H2, C2H6, OD, 03, HDO, HF, CFC, HCFC, HFC, D20, DF, DNO, ОН, H20, HOC1, HNO, H02, SH, H2S, H30+, H202, HOCO+, H79,81Br, H079'81Br (ИК область до 30 ТГц) можна жизнь.
Соединения CFC, HCFC и HFC являются озоноразрушающими. Кроме того, они, впрочем как СО, ОН и, собственно, Оз, могут влиять на процесс глобального потепления. «Спектральные подписи» этих соединений могут быть использованы при мониторинге спектрометрами, выведенными в космос.
В случаях, когда требуется высокое спектральное разрешение, например, когда необходимо различать близко расположенные спектральные линии или учитывать форму линии, преимущество имеют гетеродинные приёмники, так как их спектральное разрешение в основном зависит от ширины линии излучения гетеродина и может характеризоваться, например, для используемых в качестве гетеродина газовых лазеров, величиной и/Av ~ 106, соответствующей Доплеровскому уширению. Для сравнения, детекторный приёмник, оснащенный входным фильтром на основе перестраиваемого интерферометра Майкельсона, характеризуется v/Av ~
В интервале от 1 до 30 ТГц, перекрывающем значительные части тера-герцового и ИК-диапазонов, наиболее распространены гетеродинные приёмники со смесителями на основе структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), диодов Шоттки, полупроводниковых фотопроводящих материалов (например, HgCdTe), а также со смесителями на основе электронного разогрева в тонких плёнках сверхпроводников (with hot-electron bolometer mixers, с НЕВ-смесителями) [2].
На частотах ниже 1,25 ТГц используются СИС-смесители. Двухполосная шумовая температура (ТщИС) системы на основе СИС-смесителя составляет 136 К на частоте гетеродина ь>г = 650 ГГц [3]. Отметим, что она всего в 8,7 раза превышает квантовый предел двухполосной шумовой температуры гетеродинного приёмника (hvr/(2k)). Вместе с тем, выше 1 ТГц ТщИС начинает быстро возрастать с частотой, достигая на ит = 1.25 ТГц значения 760 К [4]. На более высоких частотах, существенно превосходящих частоту, соответствующую величине энергетической щели сверхпроводника, применение СИС-смесителей затруднено.
Еще одним типом смесителей, используемых на терагерцовых частотах, являются смесители на основе диода Шоттки. Даже при рабочей температуре 4 К они не показывают достаточно низкую шумовую температуру во всём терагерцовом диапазоне: 880 К, 8500 К и 7 • 104 К на vv = 0,6 ТГц, 2,5 ТГц и 4,75 ТГц, соответственно [5, 6].
Отметим также, что. на частотах, близких к 30 ТГц, проводились исследования смесителей на основе полупроводниковых фотопроводящих материалов. Такими смесителями являются фотодиоды в режиме с отрицательным напряжением смещения, либо фотопроводники [7]. Для достижения достаточно широких полос преобразования (В ~ 2 ГГц) на таких устройствах должна быть уменьшена ёмкость, а глубина области, где концентрация фотоиндуци-рованных носителей может быстро изменяться, должна быть увеличена. Это достижимо для HgCdTe-фотодиодов. В [7] приводится оценочное значение квантовой эффективности гетеродинной системы на основе HgCdTe-фотоди-ода г] = 0,4 на иг = 30 ТГц. Исходя из приведенного значения квантовой эффективности, принципиально достижимая минимальная величина шумовой температуры такой системы на иг = 30 ТГц может составлять 1800 К. Вместе с тем, прямое измерение квантовой эффективности гетеродинной системы на основе HgCdTe смесителя и СО2 - лазера в качестве гетеродина дает вдвое меньшее значение 77)28,4 тгц ~ 0,2 [8], т.е. минимальная величина шумовой температуры для реальной гетеродинной системы на основе HgCdTe смесителя составляет 3400 К на частоте 28,4 ТГц, превышая величину квантового предела в 5 раз. Несмотря на то, что шумовая температура HgCdTeсмесителей может составлять всего несколько квантовых пределов, их применение на частотах иг < 28 ТГц затруднено, так как спектральная плотность шума HgCdTe-фотодиода резко возрастает с понижением частоты из-за нелинейного по напряженности электрического поля туннельного эффекта в фотопроводниках с малой величиной энергетической щели [9].
В 1990 году был разработан новый тип смесителей — на основе электронного разогрева в тонких плёнках сверхпроводников (hot-electron bolometer mixer, НЕВ-смеситель) [2]. Опуская пока детальное описание принципов работы (оно будет дано ниже), отметим, что на частотах до 30 ТГц НЕВ-сме-сители, в отличие от СИС и HgCdTe-смесителей, не имеют принципиальных ограничений по механизму смешения. Подавленное состояние энергетической щели сверхпроводниковой плёнки, находящейся в резистивном состоянии, обуславливает спектральную независимость эффекта электронного разогрева от ММ до ближнего ИК-диапазона волн [29]. В современном исполнении чип такого смесителя представляет собой чувствительный сверхпроводниковый мостик, либо включенный по волноводной схеме, либо интегрированный с металлической планарной антенной (как правило, спиральной, двухщелевой или логопериодической) на диэлектрической подложке. В качестве материала сверхпроводникового мостика используется NbN, т.к. он обладает малым по сравнению с другими сверхпроводниковыми материалами (например, Nb) временем электрон-фононного взаимодействия, что позволяет достигать на этих смесителях высоких значений полосы преобразования.
Подводя итог рассмотрения существующих гетеродинных систем ТГц и ИК-диапазонов, построим графики зависимости шумовой температуры от частоты гетеродина для устройств различного типа, воспользовавшись опубликованными данными. При этом, будем сравнивать величину измеренной шумовой температуры с её квантовым пределом на частоте данного измерения. Из рис. 1 видно, что по сравнению с квантовым пределом значения шумовых температур наиболее высоки в диапазоне от 1 до 30 ТГц. Этот факт делает актуальными исследования, направленные на создание малошумящих гетеродинных устройств частотного диапазона от 1 до 30 ТГц, и особенно — иг, ТГц
Рис. 1. Двухполосная шумовая температура Тш, отнесённая к квантовому пределу, в зависимости от типа смесителя и частоты гетеродина vr. Ниже приводятся ссылки в форме "тип: {г/г/ТГц; ссылка},." СИС: {0,31; 8,1; [10]}, {0,34; 7,4; [10]}, {0,618; 9,8; [11]},
0,65; 8,7; [3]}, {0,69; 15,1; [12]}, {1,13; 23; [13]}, {1,2; 19,1; [14]}, {1,25; 25,3; [4]}. Шоттки, Т ^ 77 К: {0,2; 208; [15]}, {0,42; 111; [16]}, {0,5; 400; [17]}, {0,59; 114; [18]}, {0,64; 177; [18]}, {0,69; 179; [18]}, {1; 296; [6]}, {1,5; 278; [6]}, {2; 250; [6]}, {2,5; 400; [19]}, {2,5; 280; [20]}, {4,750; 614; [6]}. Шоттки, 4,2 К: {0,585; 62,7; [5]}, {2,000; 104; [21]}, {2,500; 142; [6]}. HgCdTe ФД: {28,4; 5; [8]} (предельная шумовая температура для измеренной квантовой эффективности 0.2). Волноводные НЕВ: {0,430; 39,7; [22]}, {0,636; 31,6; [22]}, {0,840; 27,8; [23]}, {0,840; 21,8; [24]}. Квазиоптические НЕВ: {0,620; 33,6; [25]}, {0,700; 22; [26]}, {1,6; 18; [27]}, {4,300; 54,3; [28]}, {5,200; 70,5; [28]}. Теоретическая зависимость шумовой температуры HgCdTe ФД от vr извлечена из рис. 3 работы [9]. гетеродинных приёмников на частоты выше б ТГц, где шумовые температуры существующих устройств наиболее высоки.
Обратим внимание на ещё одно важное обстоятельство. Как видно из рис. 1, шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ-смесителей Т^ЕВ на частотах vT выше 2 ТГц начинает быстро возрастать. Такое поведение зависимости T™B(z/r) связано с применением антенн. Верхняя частотная граница наиболее широкополосных спиральных антенн, интегрированных с чувствительным элементом в чипах NbN НЕВ-смесителей, близка к 3 ТГц [30]. Изготовление антенн, расчитанных на более высокую частоту, а следовательно — меньшего размера, является отдельной технологической проблемой, однако даже при её решении увеличение эффективности преобразования на более высоких частотах будет недостаточным. Основной трудностью является рост потерь в контактных структурах между берегами металлической планарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком с увеличением частоты гетеродина. Из-за контактного сопротивления, которое, в отличие от сопротивления резистивной чувствительной сверхпроводниковой плёнки, не изменяется на промежуточной частоте, значительная часть мощности рассеивается в контактах, не образуя ПЧ-отклика. Кроме того, при увеличении частоты и соответствующем уменьшении характерного размера антенны контактные потери могут возрастать из-за сопутствующего уменьшения размеров самих контактов.
Создание малошумящих NbN НЕВ-смесителей для частот выше 6 ТГц возможно при устранении контактных потерь. Одним из направлений решения этой задачи является разработка смесителя с прямым поглощением, т.е. без дополнительной планарной антенны. Характерный размер чувствительного элемента такого смесителя превышает длину волны, а следовательно — размер дифракционно ограниченной области, в которую фокусируется гетеродинное и сигнальное излучение. В этом случае излучение поглощается непосредственно электронами сверхпроводниковой плёнки, причём происходит это только в области гетеродинного пятна, а контактные площадки, соединяющие чувствительный элемент с копланарной линией передачи сигнала ПЧ, в отличие от случая антенных смесителей, находятся вне радиочастотной (РЧ) схемы. Активный участок сверхпроводниковой плёнки располагается в фокальной плоскости вытянутой полусферической линзы, что позволяет сфокусировать на нём излучение гетеродина и улучшает диаграмму направленности приёмника. Первыми шагами, направленным на создание малошу-мящих NbN НЕВ-смесителей для частот ИК-диапазона, являются разработка и исследование их прототипов, выполненные в рамках этой диссертации.
При оптимизации шумовой температуры, как на терагерцовых частотах, так и в ИК-диапазоне, помимо технологических проблем существует ещё одна важная проблема, состоящая в том, что истинное значение шумовой температуры НЕВ-смесителя, определяемое обычно с помощью поочередно взаимно сменяемых калиброванных чёрнотёльных нагрузок с различными температурами (обычно 77 К и 296 К) при измерении Y-фактора, может быть скрыто эффектом прямого детектирования [31], обнаружение, исследование и устранение которого является актуальным.
Актуальность работы определяется:
1. Направленностью диссертации на исследование терагерцовых и инфракрасных гетеродинных приёмников, остро необходимых для решения практических задач радиоастрономии и изучения глобальных процессов в земной атмосфере.
2. Необходимостью преодоления границы диапазона рабочих- частот NbN НЕВ-смесителей, связанной с использованием планарных металлических антенн и с возрастающим характером частотной зависимости потерь в контактах между берегами металлической планарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком;
Целью работы является исследование NbN НЕВ-смесителей в терагер-цовом и инфракрасном диапазонах:
1. Демонстрация возможности эффективного гетеродинного преобразования сигнала с помощью NbN НЕВ-смесителя на частоте, близкой к 30 ТГц.
2. Оптимизация шумовой температуры NbN НЕВ-смесителей терагерцо-вого и ИК - диапазонов.
Объектом исследования являются смесители, изготовленные из плёнок NbN толщиной от 3.5 до 5 нм. NbN-плёнки, из которых изготавливаются смесители, осаждаются методом реактивного магнетронного распыления Nb мишени в атмосфере Аг и N2 как на подложки из кремния, так и на подложки из арсенида галия в зависимости от частотного диапазона смесителя. Между кремниевой подложкой и чувствительной плёнкой NbN может быть нанесён буферный слой MgO, улучшающий сверхпроводящие свойства чувствительного мостика и обеспечивающий акустическую прозрачность интерфейса с чувствительной плёнкой NbN за счёт сходства текстур NbN и MgO [32]. Буферный слой наносится методом электронно-лучевого испарения перед нанесением плёнки NbN. Чувствительный элемент смесителя может быть интегрирован с металлической спиральной антенной, формируемой методами электронной литографии и фотолитографии.
В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:
1. Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц NbN НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения. В- отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжён с планариой антенной. Излучение поглощается непосредственно в тонокй плёнке NbN. Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты NbN НЕВ-смесителей.
2. Измерена шумовая температура Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К.
3. Измерена оптимальная поглощённая мощность гетеродина для NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт.
4. Получена зависимость вольтваттной чувствительности NbN НЕВ, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц.
5. Исследована диаграмма направленности NbN НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм. Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7° на частоте 28,4 ТГц.
6. Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне.
7. Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из плёнок NbN толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Гетеродинное преобразование синала на частоте 28,4 ТГц может быть осуществлено смесителем на эффекте электронного разогрева, изготовленным из тонкой плёнки NbN, с прямым поглощением, т.е. без интегрированной в чип смесителя планарной антенны, сопряжённой с чувствительным мостиком.
2. Двухполосная шумовая температура Каллена-Велтона смесителя с прямым поглощением на эффекте электронного разогрева, изготовленного из плёнки NbN толщиной 5 нм, с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, установленного на германиевой вытянутой полусферической линзе диаметром 12 мм, составляет 2300 К на частоте гетеродина 28,4 ТГц.
3: Оптимальная поглощённая мощность гетеродина для смесителя на эффекте электронного разогрева, изготовленного из плёнки NbN толщиной 5 нм с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, составляет 16 мкВт на частоте гетеродина 28,4 ТГц.
4. Вольтваттная чувствительность приёмного элемента смесителя на основе плёнки NbN толщиной 5 нм с размерами в плане 20 х 30 мкм2, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, в диапазоне от 25 до 67 ТГц близка к 70 Слабая зависимость вольтваттной чувствительности от частоты связана с тем, что в приведённом диапазоне энергия кванта существенно превышает удвоенную ширину энергетической щели NbN.
5. Влияние эффекта прямого детектирования и связанное с ним искажение Y-фактора при измерении шумовой температуры в ИК-диапазоне, как и в терагерцовом, могут быть значительно уменьшены путём установки на входе приёмника полосопропускающего фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродина, уменьшающего входную полосу прямого детектирования.
Практическая значимость работы определяется острой необходимостью малошумящих широкополосных смесителей для практических приборов высокого спектрального разрешения, работающих в диапазоне частот от 1 до 30 ТГц, а также возможностью применения NbN НЕВ-смесителя, являющегося объектом исследования, для решения практических задач радиоастрономии и исследования земной атмосферы. Практическая значимость подтверждается выбором разрабатываемых НЕВ-смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX2 [33], HERSCHEL3 [34, 35], МИЛЛИМЕТРОН4 [36]), так и на исследование атмосферы Земли (SOFIA5 [37], TELIS6 [38]).
Объем работы определяется следующими параметрами: Общее количество страниц в диссертации составляет 144. Диссертация включает 4 главы, 35 рисунков, 3 таблицы. В библиографию включено 95 наименований.
4.3 Выводы
Используемый в чипе смесителя буферный слой MgO толщиной 200 нм, наносимый между плёнкой NbN и кремниевой подложкой, улучшает сверхпроводящие качества плёнки, увеличивая критическую температуру и критическую плотность тока.
Нормальное сопротивление чувствительного мостика 80 Ом) отличается от сопротивления, рассчитываемого исходя из его размеров и поверхностного сопротивления плёнки NbN ^гП • 500 Ом/П ~ 30 Ом), из которой он изготовлен. Возможной причиной такого отличия является значительное контактное сопротивление на границе между чувствительным мостиком из NbN и золотой антенной.
Минимальное значение шумовой температуры смесителя на частоте 2,5 ТГц, составляет 1300 К.
Эффект прямого детектирования является существенной трудностью при калибровке практических спектральных инструментов на основе сверхпроводниковых НЕВ. Он становится заметным, когда разницей поглощённой мощности при горячей нагрузке на входе и поглощённой мощности при холодной нагрузке на входе нельзя пренебречь по сравнению с суммой поглощённой мощности гетеродина и мощности транспортного тока. Усилению эффекта прямого детектирования при калибровке может способствовать широкая входная полоса, предоставляемая, например, интегрированной в чип смесителя спиральной антенной.
Оценка вклада эффекта прямого детектирования может быть осуществлена при известных величине амплитуды тока детектирования 51 = ||/х — /т| и зависимости мощности на выходе тракта ПЧ от транспортного тока РпчСО
Применение входных фильтров, уменьшающих полосу детектирования, но характеризуемых высоким коэффициентом пропускания на частоте гетеродина, позволяет устранять эффект прямого детектирования.
Заключение
В заключение перечислим основные результаты диссертации:
1. Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц NbN НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения. В отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжён с планарной антенной. Излучение поглощается непосредственно в тонокй плёнке NbN. Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты NbN НЕВ-смесителей.
2. Измерена шумовая температура Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К.
3. Измерена оптимальная поглощённая мощность гетеродина для NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт.
4. Получена зависимость вольтваттной чувствительности NbN НЕВ, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц.
5. Исследована диаграмма направленности NbN НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм. Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7° на частоте 28,4 ТГц.
6. Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне.
7. Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из плёнок NbN толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Гольцману Г. Н. за предложенную тему, внимательное руководство, ценные советы и замечания на протяжении всей работы, руководителю технологического сектора Воронову Б.М. и сотрудникам сектора за изготовление смесителей, а также за помощь при работе с электронным микроскопом, Свечникову С.И. за помощь на начальном этапе работы, а также Луд-кову Д.В. Вахтомину Ю.Б., Фиикелю М.И. и Антипову С.В. за плодотворное обсуждение и помощь в эксперименте.
Автор признателен всему коллективу сотрудников и аспирантов Учебно-научного радиофизического центра МПГУ.
Список публикаций автора
Публикации в журналах из списка ВАК РФ
1. Масленников С., Финкелъ М., Гольцман Г. Супергетеродинные тера-герцовые приёмники со сверхпроводниковым смесителем на электронном разогреве // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. — 2005. - Т. 48, № 10-11. - С. 964-969. - 0,4 п.л. (авторских 30%)
2. Maslennikov S., Baselmans J.; Baryshev A., Reker S., Hajenius M., Gao J., Klapwijk Т., Vachtomin Y., Antipov S., Voronov В., Gol'tsman G. Direct detection effect in small volume hot electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 86. - Pp. 163503-163505: - 0,2 п.л. (авторских 10%)
Другие публикации
3. Maslennikov S., FinkelM., Antipov S., PolyakovS., Zhang W., OzhegovR., Vachtomin Y., Svechnikov S., Smirnov K., Korotetskaya Y., Kaurova N., Voronov ВGol'tsman G. Spiral antenna coupled and directly coupled NbN HEB mixers in the frequency range from 1 to 70 THz // Proc. 17th international symposium on space terahertz technology.— Paris, France: 2006. - Pp. 285-287. - 0,2 п.л. (авторских 40%)
4. Maslennikov S., Finkel M., Vachtomin Y., Svechnikov S., Smirnov K., Seleznev V., Korotetskaya Y., Kaurova N., Voronov В., Gol'tsman G. Hot electron bolometer mixer' for 20 - 40 THz frequency range // Proc. 16th international symposium on space terahertz technology. — Goteborg, Sweden: 2005. - Pp. 393-397. - 0,2 п.л. (авторских 30%)
5. Maslennikov SGol'tsman G., Vachtomin Y., Antipov S., Finkel M., Smirnov K., Polyakov S., Svechnikov S. NbN phonon-cooled hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // Proc. SPIE. — Vol. 5727.- 2005.- Pp. 95-106.- 0,5 п.л. (авторских 20%)
6. Maslennikov S. Smirnov K.r Vachtomin Y., Antipov S., Kaurova N., Drakinsky V., Voronov ВGol'tsman G. Noise performance of spiral antenna coupled HEB mixers at 0.7 THz and 2.5 THz // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology.— Tucson, USA: 2003. - Pp. 405-412. - 0,5 п.л. (авторских 20%)
7. Maslennikov S., Vachtomin Y., Antipov S., Smirnov K., Polyakov S., Kaurova N., Grishina E., Voronov В., Gol'tsman G. Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz // Proc. lbth international symposium on space terahertz technology. - Northampton, Massachusetts, USA: 2004.- Pp. 236-241. -0,4 п.л.(авторских 20%)
8. Maslennikov SVachtomin Y., Antipov S., Kaurova N., Smirnov K., Polyakov S., Svechnikov S., Grishina E., Voronov В., Gol'tsman G. Noise temperature, gain bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies // Proc. Joint 29-th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves and 12-th Int. Conf. On Terahertz Electronics. - Karlsruhe, Germany: 2004,- Pp. 329-330.- 0,125 п.л. (авторских 20%)
9. Maslennikov S. Antipov S., Vachtomin Y., Smirnov K., Kaurova N., Grishina E. Noise performance of quasioptical ultrathin NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz // Proc. Fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves (MSMW-04).- Kharkov, Ukraine: 2004.- Pp. 592594. - 0,2 п.л. (авторских 20%)
10. Масленников С., Вахтомин Ю., Антипов. С, Смирнов К., Каурова Н., Гришина Е., Воронов В., Голъцман Г. Смесители на основе электронного разогрева в тонких пленках NbN для частот 2.5 и 3.8 ТГц // Десятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10). - Москва: 2004. - С. 968-969. - 0,125 п.л. (авторских 20%)
1. The middle-infrared spectrum of Saturn - Evidence for phosphine and upper limits to other trace atmospheric constituents / H. P. Larson, U. Fink, H. A. Smith, D. S. Davis //'Astrophysical Journal - 1980.- Vol. 240. — Pp. 327-337.
2. Millimeter and submillimeter wave range hot electron mixer / E. Gershenzon, G. Gol'tsman, I. Gogidze, Y. Gusev, A. Elantiev, B. Karasik, A. Semenov // Sov. Superconductivity. 1990.- Vol. 3, no. 10. - P. 2143 (part 1).
3. Fixed-tuned waveguide 0.6 THz SIS mixer with Wide band IF / A. Baryshev, E. Lauria, R. Hesper, T. Zijlstra, W. Wild // Proc. 13th international symposium on space terahertz technology / Harward University. Cambridge, MA, USA: 2002.
4. Low noise NbTiN 1.25 THz SIS mixer for Herschel Space Observatory / A. Karpov, D. Miller, J. A. Stern, B. Bumble, H. G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. 16th international symposium on space terahertz technology.— Goteborg, Sweden: 2005.
5. Submm wavelenght waveguide mixers using planar Schottky barier diods / J. Hesler, W. Hall, T. Crowe, R. Weikle, R. Bradley, Shing-Kuo Pan // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. — 1996.— P. 462.
6. Betz A., Borejko R. A practical Schottky mixer for 5 THz // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. — 1996. — P. 503.
7. Heterodyne spectroscopy of astronomical and laboratory sources at 8.5 fim using diode laser local oscillators / M. Mumma, T. Kostiuk, S. Cohen, D. Buhl, P. V. Thuna // Space Science Reviews. — 1975. — Vol. 17, no. 5.— Pp. 661-667.
8. Kostiuk Т., Spears D. 30 fim heterodyne receiver // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1987.- Vol. 8, no. 10. - Pp. 1269-1279.
9. Claude S. Sideband-Separating SIS Mixer For ALMA Band 7, 275370 GHz // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology. Tucson, USA: 2003. - P. 41.
10. Investigation of the performance of a 700 GHz nline mixer / P. Grimes, P. Kittara, G. Yassin, S. Withington, K. Jacobs // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology. — Tucson, USA: 2003. —.P. 247.
11. Hesler J. L., Hui K., Crowe T. W. A Fixed-tuned 400 GHz Subharmonic Mixer Using Planar Schottky Diods // Proc. 10th international symposium on space terahertz technology. Charlotte Sville, Virginia: 1999. — P. 95.
12. Progress in submillimeter wavelength integrated mixer technology / S. M. Marazita, K. Hui, J. L. Hesler, W. L. Bishop, T. W. Crowe // Proc. 10th international symposium on space terahertz technology. — Charlotte Sville, Virginia: 1999. P. 74.
13. Quasi-integrated planar Schottky barrier diodes for 2.5 THz receivers / T. Suzuki, C. Mann, T. Yasui, H. Fujishima, K. Mizuno // Proc. 9th international symposium on space terahertz technology. — 1998. — P. 187.
14. On the design and measurement of a 2.5 THz waveguide mixer / C. Mann, D. Matheson, B. Ellison, M. Oldfield, B. Moyna, J. Spencer, D. Wilsher, B. Maddison // Proc. 9th international symposium on space terahertz technology.- 1998.-P. 161.
15. Carlstrom J. E., Zmuidzinas J. Millimeter and Submillimeter Techniques. — W. ross stone edition.— Review of radio science 1993-1996. New York: Oxford University Press Inc, 1996.
16. Phonon-cooled NbN HEB Mixers for Submillimeter Wavelengths / J. Kawamura, R. Blundell, C-Y.E. Tong, G. Gol'tsman, E. Gershenzon,
17. B. Voronov, S. Cherednichenko // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 23.
18. Successful operation of a 1 THz NbN hot-electron bolometer receiver /
19. C.-Y. Edward Tong, J. Kawamura, T. R. Hunter, D. C. Papa, R. Blundell, M. Smith, F. Patt, G. Gol'tsman, E. Gershenzon // Proc. 11th international symposium on space terahertz technology. — 2000. — Pp. 49-59.
20. An investigation of the performance of the superconducting HEB mixer as a function of its RF embedding impedance / D. Loudkov, C.-Y. Tong, R. Blundell, N. Kaurova, E. Grishina, B. Voronov, G. Gol'tsman. — To be published in ASC 2004 proc.
21. Hot Electron Bolometric mixers based on NbN films deposited on MgO substrates / P. Yagoubov, M. Kroug, H. Merkel, E. Kollberg, J. Shubert, H. Hiibers, S. Svechnikov, B. Voronov et al. // Supercond. Sci. Technol — 1999.-Vol. 12.
22. NbN hot electron bolometric mixers at frequencies between 0.7 and 3.1 THz / P. Yagoubov, M. Kroug, H. Merkel, E. Kollberg, J. Schubert, H.
23. W. Htibers // Supercond. Sci. Technol, 1999. - Vol. 12, no. 11. - Pp. 989991.
24. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии / Е. Гершензон, М. Гершензон, Г. Гольцман, А. Семенов, А. Сергеев // ЖЭТФ.- 1982.- Т. 36, № 7.-С. 241-244.
25. The development of terahertz superconducting hot-electron bolometric mixers / A. Semenov, H. Richter, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, Heinz-Wilhelm Hiibers // Supercond. Sci. Technol — Vol. 17.— Pp. 436439.
26. Direct detection effect in small volume hot electron bolometer mixers / J. Baselmans, A. Baryshev, S. Reker, M. Hajenius, J. Gao, T. Klapwijk, Y. Vahtomin, S. Maslennikov et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. - Vol. 86. -P. 163503.
27. Atacama Pathfinder Experiment APEX.— Internet page.— 2006.http://www.apex-telescope.org/.
28. Harwit M. The Herschel mission // Advances in Space Research. — 2004. — Vol. 34, no. 3. Pp. 568-572.
29. Pilbratt G. L. Herschel mission: status and observing opportunities. — Electronic article, PDF. — 2006. http://herschel.esac.esa;int/Publ/2006/SPIE2006Herschelpaper.pdf.
30. Проект Миллиметрон. — Страница в Интернет. — 2007. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/.
31. SOFIA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy.— Internet page. — 2007. http://www.sofia.usra.edu/.
32. SRON-TELIS. — Internet page.- 2007. http://www.sron.nl/index.php?option=comcontentt&task=view&:id=99&;Itemid=238.
33. GaAs Schottky diodes for THz mixing applications / T. Crowe, R. Mattauch, H. Roser, W. Bishop, W. Peatman, X. Liu // Proc. IEEE.- Vol. 80.-1992.-Pp. 1827-1841.
34. The design, construction and evaluation of a 585 GHz planar Schottky mixer / J. Hesler, T. Crowe, R. Bradley, S.-K. Pan, G. Chattopadhyay // Proc. 6th international symposium on space terahertz technology. — Pasadena, Ca: 1995. Pp. 34-43.
35. Optimization of MOVPE grown InzAli^As/Ino.ssGao^As planar heteroepitaxial Schottky diodes for. terahertz applications / K. Hong, P. Marsh, G.-I. Ng, D. Pavlidis, C.-H. Hong // IEEE Trans, on Electron Devices. 1994. - Vol. 41, no. 9. - Pp. 1489-1497.
36. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions / P. Richards, T. Shen, R. Harris, F. Lloyd // Appl. Phys. Lett. 1979. - Vol. 34, no. 5. -Pp. 345-347.
37. Erickson N. Low-noise submillimeter receivers using single-diode harmonic mixers // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1721 - 1728.
38. Tucker J. Quantum limited detection in tunnel junction mixers // IEEE Journal of Quantum Electronics.— 1979.— Vol. 15, no. 11,— Pp. 12341258.
39. Kerr A. Some fundamental and practical limits on broadband matching tocapacitive devices, and the implications for SIS mixer design // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. — 1995.— Vol. 43, no. 1.— Pp. 2-13.
40. Sub-Millimeter distributed quasiparticle receiver employing a non-Linear transmission line / C.-Y. E. Tong, R. Blundell, B. Bumble, J. Stern, H. LeDuc // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. 1996. - P. 47.
41. A three photon noise SIS heterodyne receiver at submillimeterwavelength / A. Karpov, J. Blondel, M. Voss, K.-H. Gundlach // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity. 1999. - Vol. 9, no. 2. - Pp. 4456-4459.
42. A 530-GHz balanced mixer / G. Chattopadhyay, F. Rice, D. Miller, H. LeDuc, J. Zmuidzinas // IEEE Microwave and Guided Wave Lett. — 1999. —Vol. 9, no. 11.-Pp. 467-469.
43. Superconducting resonator circuits at frequencies above the gap frequency / G. de Lange, J. Kuipers, T. Klapwijk, R. Panhuyzen, H. van de Stadt, M. de Graauw // J. Appl. Phys. 1995. - Vol. 77, no. 4. - Pp. 1795-1804.
44. Wengler M. Submillimeter-wave detection with superconducting tunnel diodes // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1810-1826.
45. Development of a 170-210 GHz 3x3 micromachined SIS imaging array / G. de Lange, Q. Ни, H. Huang, A. Lichtenberger // Proc. Sth international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 518.
46. Belitsky V., Tarasov M. SIS junction reactance complete compensation // IEEE Trans, on Magnetics. 1991. - Vol. 27, no. 2. - Pp. 2638-2641.
47. Belitsky V., Kollberg E. Tuning circuit for NbN SIS mixer // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology.— Charlottesville, Virginia, USA: 1996.-P. 234'.
48. Tong C.-Y., Chen L., Blundell R. Theory of distributed mixing and amplification in a superconductingquasi-particle nonlinear transmission line // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech. 1997. - Vol. 45, no. 7. - Pp. 1086-1092.
49. Feldman M., Rudner S. Mixing with SIS Arrays // Reviews of Infrared and Millimeter-Waves. 1983. - Vol. 1. - P. 47.
50. Superconducting integrated receiver as 400-600 GHz tester for coolable devices / S. Shitov, M. Levitchev, A. Veretennikov, V. Koshelets,
51. G. Prokopenko, L. Filippenko, A. Ermakov, A. Shtanyuk et al. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.— 2001.— Vol. 11, no. 1.— Pp. 832-835.
52. Maas S. SIS mixers // Artech House. Boston, MA: 1993.- Pp. 338-340.59. de Stadt et al H. An improved 1 THz waveguide mixer // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology.— Charlottesville, Virginia, USA: 1996.-P. 536.
53. Low-noise 1 THz superconductor-insulator-superconductor mixer incorporating a NbTiN/Si02/Al tuning circuit / B. Jackson, A. Baryshev, G. de Lange, J.-R. G. S. Shitov, N. Iosad, T. Klapwijk // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 79, no. 3. - P. 436.
54. Gundlach K., Schicke M. SIS and bolometer mixers for terahertz frequencies // Supercond. Sci. Technol. — 2000. — Vol. 13. — Pp. 181-187.
55. Millimeter mixing and detection in bulk InSb / F. Arams, C. Allen, B. Peyton, E. Sard // Proc. IEEE. Vol. 54. - 1966. - Pp. 612-622.
56. Phillips Т., Keene J. Submillimeter astronomy heterodyne spectroscopy] // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1662-1678.
57. Гершензон E. Воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку ниобия в резистивном состоянии // Тезисы докладов
58. Всесоюзной конференции по физике низких температур.— 1982.— С. 79-80.
59. Electron-phonon interaction in ultrathin Nb films / E. Gershenzon, M. Gershenzon, G. Goltsman, A. Lulkin, A. Semenov, A. Sergeev // Sov. Phys. JETP. 1990. - Vol. 70. - Pp. 505-510.
60. Broadband ultrafast superconducting NbN detector for electromagnetic radiation / Y. Gousev, G. Gol'tsman, A. Semenov, E. Gershenzon, R. Nebosis, M. Heusinger, K. Renk // J. Appl. Phys.- 1994.- Vol. 75, no. 7.-Pp. 3695-3697.
61. Rothwarf A., Taylor B. iV.' Measurement of recombination lifetimes in superconductors // Phys. Rev. Lett. 1967. - Vol. 19, no. 1.- Pp. 27-30.
62. Perrin N., Vanneste C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation /'/ Phys. Rev. B. 1983. - Vol. 28, no. 9. - Pp. 51505159.
63. Large Bandwidth of NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixers on Sapphire Substrates / S. Cherednichenko, P. Yagoubov, К. II'In, G. Gol'Tsman, E. Gershenzon // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 245.
64. Prober D. Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 62, no. 17.- Pp. 21192121.
65. Bremer J., Newhouse V. // Phys. Rev. Lett. 1958. - Vol. 1. - P. 282.
66. Mather J. Electrical self-heating calibration of nonideal bolometers // Appl. Optics. 1984. - Vol. 23, no. 18. - Pp. 3181-3183.
67. Karasik В., Elantiev A. Noise temperature limit of a superconducting hot-electron bolometer mixer // Appl Phys. Lett. — 1996. — Vol. 68, no. 6. — Pp. 853-855.
68. Karasik В., Elantiev A. Analysis of the Noise Performance of a Hot-Electron Superconducting Bolometer Mixer // Proc. 6th international symposium on space terahertz technology. — Pasadena, Ca: 1995. — P. 229.
69. Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron-mixers / H. Ekstrom, B. S. Karasik, E. L. Kollberg, S. Yngvesson // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 1995.— Vol. 43, no. 4.-Pp. 938-947.
70. G. Gol'tsman, B. Karasik, O.- Okunev, A. Dzardanov, E. Gershenzon, H. Ekstrom, S. Jacobsson, E. Kollberg // IEEE Trans. Appl. Supercond.— 1995.-Vol. 5.-P. 3065.
71. Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion / J. Kawamura, T. Hunter, C.-Y. Tong, R. Blundell, D. Papa, F. Patt, W. Peters, T. Wilson et al. // Astronomy and Astrophysics. 2002. - Vol. 394. - Pp. 271-274.
72. Kroug M. Hot electron bolometric mixers for a quasi-optical terahertz receiver: Ph.d. thesis-.— Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2001.
73. С alien H. В., Welton T. A. Irreversibility and Generalized Noise // Phys. Rev. 1951. - Vol. 83, no. 1. - Pp. 34-40.
74. Kerr A., Feldman M., S.-K. Pan. Receiver noise temperature, the quantum noise limit, and zero-point fluctuations // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — Pp. 101-111.
75. Ворн M., Вольф Э. Основы оптики.
76. Evidence of non-bolometric mixing in the bandwidth of a hot-electron bolometer / A. D. Semenov, K. Il'in, M. Siegel, A. Smirnov, S. Pavlov, H. Richter, H. Hiibers // Supercond. Sci. Technol. 2006.- Vol. 19.-Pp. 1051-1056.
