Сверхпроводниковые гетеродинные детекторы терагерцового диапазона на основе тонких пленок нитрида ниобия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Антипов Сергей Владимирович

Сверхпроводниковые гетеродинные детекторы терагерцового диапазона на основе тонких пленок нитрида ниобия

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре обшей и экспериментальной физики физического факультета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Защита диссертации состоится « 19 » июня 2006 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 212.154.08 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119992, Москва, Малая Пироговская ул., д. 1.

Автореферат разослан: « 2006 года.

старший научный сотрудник Тарасов Михаил Александрович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Розанов Сергей Борисович

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ильин В.А.

UviJ

/ftfi?? ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследований.

В связи с расширением области использования терагерцового (или субмиллиметрового) электромагнитного излучений потребность в чувствительных широкополосных приемных устройствах этого диапазона на сегодня полностью не удовлетворена. Указанный участок спектра имеет ряд преимуществ, прежде всего для радиоастрономии и мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, аэростатов и специальных самолетов, а также систем космической связи, диагностики плазмы и биологических тканей.

В соседнем миллиметровом диапазоне и длинноволновой части субмиллиметрового диапазона на сегодняшний день созданы супергетеродинные приемники, имеющие чувствительность сравнимую с квантовым пределом, обусловленным нулевыми колебаниями.

С начала 30-х годов прошлого века, астрономические наблюдения стали проводиться в радиодиапазоне, положив начало науке - радиоастрономии. По мере развития технологии появилась возможность проводить измерения в ранее недоступной субмиллиметровой области спектра с длинами волн от 100 до 1000 мкм (300 ГТц-З ТГц). Интенсивность и спектральный состав излучения областей звездного неба содержит в себе информацию о процессах, происходящих в них, например, при образовании новых звезд и галактик. В субмиллиметровом диапазоне спектр излучения Вселенной включает в себя более 40 тысяч отдельных линий, но на сегодняшний день произведено наблюдение только нескольких тысяч из них [1]. По данным, полученным в рамках проекта NASA Cosmic Background Explorer (CÖBE), излучение, приходящееся на субмиллиметровый диапазон, составляет около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный путь [2].

Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли в терагерцовом диапазоне частот затруднено слабой прозрачностью атмосферы, которая в основном обусловлена поглощением излучения парами воды. Для

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петерб}рг

ОЭ 200^акт 7%

проведения исследований с поверхности Земли на частотах близких к 1 ТГц и выше возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания [1]. Необходимость проведения наблюдений вне окон прозрачности вынуждает создавать радиоастрономические обсерватории с базированием на самолете, воздушном шаре или искусственном спутнике В настоящее время существует несколько крупных международных проектов по созданию как наземных обсерваторий -APEX, ALMA-, так и обсерваторий размещенных на борту самолета - SOFIA, воздушного шара - TELIS, а также космического аппарата - HERSHEL. В ближайшем будущем с их помощью будет собираться информация о космических объектах Вселенной.

Вращательные переходы молекул некоторых газов, находящихся в атмосфере и верхней тропосфере, таких как вода, кислород (озон), окись хлора, соединения азота могут служить для мониторинга целостности озонового слоя, и причин его разрушения, глобального потепления и загрязнения атмосферы.

Проведение наблюдений отдельных спектральных линий требуют создания приемных систем высокого разрешения (Х./ДЯ.>106), где применяются гетеродинные приемники. Одним из основных элементов такого приемника является смеситель. До недавнего времени в терагерцовом диапазоне в качестве смесителя использовались только диоды Шоттки, работающие в широком диапазоне температур [3] Тем самым они становились удобным элементом бортового приемника, несмотря на резкое ухудшение чувствительности с ростом частоты. Однако, большим недостатком смесителей на диоде Шоттки является также большая требуемая мощность гетеродина (порядка милливатта), что предполагает использование громоздких, с большим энергопотреблением газовых лазеров, в то время как в практических гетеродинных приемниках обычно используют компактные гетеродинные источники (например, диод Ганна с умножителями или полупроводниковые лазеры) с выходной мощностью несколько микроватт.

Значительный прогресс был достигнут с разработкой мапошумящих

смесителей, использующих туннельный переход "сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник" (СИС) [4]. Он состоит из двух сверхпроводников, разделенных ультратонким слоем диэлектрика. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малую мощность гетеродина и отличается стабильностью к ее флуктуациям в процессе измерений. Однако шумовая температура СИС смесителя испытывает значительный рост, когда частота излучения приближается или превышает значение соответствующее энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен (порядка 0.7 ТГц и 1.4 ТГц для ниобия и нитрида ниобия, соответственно).

Смеситель на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников [5] впервые был опубликован в работах группы сотрудников Mill У в начале 90-х годов. Такой смеситель обладает хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой преобразования, а также требует малой мощности гетеродина, при субмикронных размерах чувствительного элемента. Он является весьма перспективными приемным элементам для субмиллиметрового диапазона, так как не имеет частотных ограничений по механизму смешения и не содержит реактивной компоненты.

Этот новый класс приборов, называемый в международной научной литературе hot-electron bolometer (НЕВ) появился в результате проведенных исследований энергетической релаксации электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках [6] Данные исследования показали, что эффект электронного разогрева реализуется в сверхпроводниковой плёнке, находящейся в резистивном состоянии, под воздействием элекфомашшного излучения.

Полоса преобразования таких смесителей, изготовленных на основе тонкой 2.53.5 нм пленки NbN, осажденной на сапфировую подложку достигает 4 ГГц [7], но этого не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.

Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических

NbN смесителей с фононным каналом охлаждения, которые имели бы низкую шумовую температуру и требовали малой оптимальной мощности гетеродина, является весьма актуальным для практической радиоастрономии, в частности из-за доплеровского уширения спектральных линий при наблюдении быстро двигающихся объектов. Кроме того, в связи с ограниченностью перестройки частоты гетеродинных источников излучения терагерцового диапазона, большее значение полосы преобразования дает возможность расширить детектируемый частотный диапазон.

К началу диссертационного исследования полученная шумовая температура квазиоитических NbN смесителей на частотах 2,5, 3,1 и 4,2 ТГц составила 2900 К, 4000 К и 5600 К [8]. Позднее в работе [9] для смесителей была получена шумовая температура 1500 К на частоте гетеродина 2,5 ГГц.

Целью данной диссертационной работы является исследование квазиоптических смесителей из ультратонких сверхпроводящих пленок NbN на эффекте электронного разогрева, работающих в диапазоне частот 0,9 - 4 ТГЦ, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, требовали малую мощность гетеродина и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике.

В процессе достижения цели были решены следующие задачи:

• Разработан квазиоптический электронно-разогревный NbN смеситель субмиллиметрового диапазона длин волн.

• Исследована полоса промежуточных частот квазиоптических смесителей, изготовленных из тонкой пленки NbN на различных подложках, в том числе на кремниевой подложке с подслоем оксида Mai ния.

• Исследована поляризационная чувствительность планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны на подложке из Si.

• Определена величина погрешности измерения шумовой температуры NbN смесителей на элекгронном разогреве малого объема в лабораторных условиях вследствие влияния эффекта прямого детектирования.

Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок толщиной 2-4 нм, осажденных на подложки из М£0 и 81 как с буферным подслоем М§0, так и без него.

Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 3,8 ТГц, 2,5 ТГц и 0,9 ТГц. Измерение полосы преобразования смесителей проводилось на частоте 0,9 ТГц как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками, так и по реже используемой методике с применением излучения абсолютно черного тела, находящегося ' внутри криостата. Исследование поляризационных характеристик планарных

спиральных антенн проводилось на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

В работе были получены следующие новые научные результаты.

1. Исследованы квазиоптические смесители субмиллиметрового диапазона длин волн на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок толщиной 2-4 нм с использованием подслоя М^^О толщиной 200 нм.

2. Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей, изготовленных из сверхпроводящей пленки МэИ толщиной 2 нм, до 5,2 ГГц. Получение пленки №>Ы такой толщины с критической температурой 9,2 К стало возможным, благодаря применению подслоя 1^0 между пленкой и подложкой из 81.

3. Впервые проведены измерения шумовой температуры КПуЫ смесителя на I установке, где в качестве гетеродинного источника был использован

газоразрядный лазер на парах воды на частотах 3,8 и 2,5 ТГц. ^ 4. Впервые исследована поляризационная чувствительность планарной

эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны на подложке из Я) на частоте 3,8 и 2,5 ТГц. 5. Впервые определена величина погрешности измерения чувствительности смесителя за счет эффекта прямого детектирования. Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на

основе металлической сетки.

В результате сформулированы следующие положения, которые выносятся на защиту.

1. Квазиоптические смесители на кремниевой подложке с подслоем MgO на основе пленки NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 3100 К на частоте излучения гетеродина 3,8 ТГц.

2. Значение полосы промежуточных частот квазиоптических смесителей на основе NbN пленки толщиной 2 нм, осажденной на подложку из кремния с применением подслоя MgO, в оптимальном по шумовым характеристикам режиме достигает 5,2 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.

3. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны в главном направлении является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

4. Величина погрешности определения шумовой температуры NbN смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродинного источника.

Практическая значимость работы подтверждена использованием разрабатываемых НЬВ смесителей в ряде международных проектов ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX, ALMA, HERSHEL), так на исследование атмосферы Земли (SOFIA, TELIS).

Апробация работы: Результаты работы были доложены на следующих конференциях: Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, 2003); 13, 14 и 15-м Международном симпозиуме по космическим терагерцовым технологиям (США, 2002-2004); 29-ой Международной конференции по физике

полупроводников (Эдинбург, 2002); Совместной 29-ой Международной конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и 12-ой Международной конференции по терагерцовой электронике (Германия, 2004); 5-ом Международном симпозиуме по физике и технике СВЧ и ММ и суб-ММ волн (Харьков, 2004).

Публикации:

Результаты проведённых исследований изложены в 21 печатной работе, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы Объем работы составляет 131 страниц, включая 28 рисунка и 5 таблиц.

Основное содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность, раскрывается научная новизна и цели диссертационного исследования.

Глава 1 Смесители терагерцового диапазона частот (обзор литературы).

В §1.1 рассматриваются супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона на основе диодов с барьером Шотгки. В §1.2 рассматриваются супергетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона на основе СИС смесителей. §1.3 посвящен описанию двухтемпературной модели электронного разогрева в сверхпроводниковых пленках, осажденных на диэлектрическую подложку. Показано, что частотная зависимость сигнала на промежуточной частоте может быть получена в рамках данной модели, предполагающей нагрев как электронной, так и фононной подсистем пленки, и определяется в основном соотношением времен релаксации тетс_ тр1и., и те.рь (тгас - время ухода неравновесных фононов, трЬн. и т^- времена фонон-электронного и электрон-фононного взаимодействий, соответственно). Приводятся основные положения модели «нормального домена».

В §1.4 приведен обзор существующих работ по НЕВ смесителям с фононным

каналом охлаждения. Рассмотрено влияние электротермической обратной связи в цепи смещения на полосу преобразования НЕВ смесителя. Показано, что изменение значения транспортного тока, протекающего через смеситель, приводит к изменению полосы преобразования НЕВ смесителя. Приведены лучшие характеристики смесителей, полученные на момент начала диссертационного исследования.

В §1.5 обосновывается выбор объекта исследования и формулируется задача диссертационной работы.

Глава 2 Изготовление квазиоптических смесителей на горячих

электронах и методика эксперимента

В §2.1 освещаются аспекты изготовления квазиоптических ЫЬЫ смесителей. Изучаемые ЫЬЫ смесители изготовлялись на различных подложках: из высокорезистивного кристаллического кремния, кристаллического оксида магния и на кремниевой подложке с промежуточным буферным слоем М§0 толщиной 200 нм. Ультратонкие пленки ЫЬК были получены методом реактивного магнетронного распыления ниобиевой мишени в атмосфере аргона и азота на постоянном токе. Смеситель - часть ЫЬЫ пленки, включенная в центральную часть планарной спиральной антенны - был сформирован посредством взрывной электронной и фотолитографий.

В §2.2 описана квазиоптическая схема согласования ЫЬЫ смесителя с входным трактом. В §2.3 представлены установки для исследования полосы преобразования квазиоптических МуЫ НЕВ смесителей. Исследования полосы преобразования ЫЪЫ смесителей проводились как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками излучения на частоте 0,9 ТГц (ОВ-44), так по реже используемой методике при помощи НЕМТ-усилителя и шумового источника сигнала находящегося внутри гелиевого криостата. В качестве шумового источника использовался поглотитель при различных физических температурах.

В §2.3 описана установка для измерений шумовых характеристик квазиоптаческих МЬЫ смесителей на частотах 3.8, 2,5 и 0,9 ТГц. В качестве

8

гетеродинного источника использовался субмиллиметровый лазер на парах воды и лампа обратной волны ОВ-73 Шумовая температура смесителей определялась по стандартной методике смены "горячей" и "холодной" (300 К/77 К) нагрузки в сигнальном тракте приемника.

§2.5 посвящен описанию методики измерения поляризационной чувствительности пленарной спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.

Глава 3 Квазиоптические Ж смесители на горячих электронах на подложках из с буферным слоем М^О.

Данная глава посвящена исследованию полосы преобразования и двухполосной шумовой температуры квазиопгических МЬКТ смесителей. В §3 1 обсуждаются результаты измерений полосы преобразования МЪХ смесителей. Измерения проводились как смесителей, где пленка осаждена прямо на Б! или 1^0 подложку, так и тех, при изготовлении которых указанная пленка наносилась на подложку из кремния с буферным подслоем М£0 толщиной 200 нм. Толщина пленки нифида ниобия в случае 81 подложки с подслоем М§0 была 3.5 нм, 2.5 нм и 2 нм, а в случае в! и М£0 подложки только 3.5 нм.

Зависимости выходной мощности о г промежуточной частоты для смесителей с толщинами пленки ЫЪЫ 2.5 нм и 2 нм, осажденной на кремниевую подложку с буферным подслоем N^0, представлена на рис. 1. Ширина полосы преобразования в оптимальной по шумовым характеристикам рабочей точке смесителя достигла значения 5,2 ГГц. Возможные перспективы расширения полосы ПЧ №)К смесителей можно отнести к двум направлениям. Первый путь это дальнейшее уменьшение толщины используемых пленок и улучшение однородности уже имеющихся ультратонких 2-3 нм пленок. Другая возможность предполагает работу по дальнейшему улучшению акустического согласования

- 1"" ——Т ■ —,— — ,-■—

—■-■-а—

■ ■ >*.

■ 10ЛГ ■ "Ж. -т Гц:

:|в -¿V

■ . ..

- » з 1 1 1 к

■^ч?. _ 100Г ■44 - Гц:

* к»

■ ^^'

5 0 ГГц

02 04 06 0 8 1 2 4 6 8 10

Промежуточная частота, ГГц

Рисунок 1. Частотная зависимость сигнала на промежуточной частоте для смесителей из пленки толщиной 2 им (кривая А) и 2.5 нм (кривая Б).

плёнки и подложки.

В §3.2 представлены результаты измерения шумовой температуры квазиоптических смесителей изготовленных из тонкой (толщиной 3.5-4 нм) сверхпроводящей ЫЬК пленки на частотах гетеродина 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц. Выбор размеров смесительного элемента обусловлен значением сопротивления в нормальном состоянии, что необходимо для лучшего согласования с трактами высокой и промежуточных частот, и требуемой оптимальной мощностью гетеродина, которая пропорциональна объему болометра. Исследуемые нами смесители имели размеры чувствительного элемента 0,13-0,24 мкм в длину и 1,2 - 3 мкм в ширину. Выбор столь малых размеров смесительного элемента позволяет использовать такие смесители в реальных приемниках, где применяются твердотельные гетеродинные источники с низким уровнем выходной мощности (не более 10 мкВт).

Измерения двухполосной шумовой температуры смесителей Т„ обычно

проводились на промежуточной частоте 1 5 ГГц, а для некоторых смесителей в широком диапазоне промежуточных частот.

Рис.2. Вольтамперные характеристики смесителя Ы80#14 при различном уровне мощности излучением гетеродина на частотах 3,8 ТГц, а так же зависимости измеренной шумовой температуры приемника в зависимости от положения рабочей точки.

На рис. 2 представлены вольтамперные характеристики смесителя Ы80#14 при различных уровнях мощности гетеродина на частоте 3,8 ТГц. На этом же рисунке представлены экспериментальные зависимости шумовой температуры приемника от положения рабочей точки. Оптимальная чувствительность достигается при значении напряжения смещения 0,7-0,9 мВ и токе смещения 24-28 мкА. Лучшее значение шумовой температуры приемника составило 3100 К на частоте гетеродина 3,8 ТГц.

Смесители, имеющие меньший объем смесительного элемента, как правило, обладают несколько худшей чувствительностью, чем смесители с большим объемом активной части пленки. Существуют, по крайней мере, две причины такого поведения эффективности преобразования при изменении объема смесительного элемента. Первая причина, это зависимость величины погрешности определения шумовой температуры приемника в лабораторных условиях,

Напряжение смещения, мВ

и

обусловленной эффектом прямого детектирования, от размера смесительного элемента. Второй причиной является увеличение контактного сопротивления границы Мэ№пленка/контактная металлизация.

Пленка ЫЪЫ, имеющая температуру ниже критической для высокочастотного тока, протекающего по ветвям спиральной антенны и наведенного от гетеродинного источника и нагрузки, имеет импеданс близкий к нормально проводящему металлу, если квант излучения гетеродина превышает величину энергетической щели сверхпроводника. В нашем случае, при частоте излучения гетеродина 2,5 и 3,8 ТГц, квант излучения значительно превосходит величину энергетической щели в ММ и, следовательно, сопротивление пленки для высокочастотного тока ~ 500-600 Ом/П Следовательно, ток, наведенный высокочастотным излучением, протекает по верхнему, выполненному из золота слою многослойной структуры, и только в непосредственной близости от активной, свободной от металлизации, части пленки переходит в пленку ЫЬЫ. Размер этой переходной области определяется соотношением сопротивлений пленки, металлизации, а так же поверхностным сопротивлением контакта между пленкой и Аи - металлизацией. При неизменной величине этих сопротивлений, результирующее сопротивление этого участка будет определяться только площадью самого контакта, и, следовательно, шириной смесительного элемента. Таким образом, дополнительное сопротивление в контактной области приводит к увеличению потерь преобразования смесителя за счет дополнительно рассеиваемой мощности. Одним из путей решения этой проблемы является использование так называемого «т-31Ш» метода нанесения контактной металлизации.

В §3.3 сформулированы основные выводы данной главы.

Глава 4. Поляризационный отклик спиральной антенны и определение шумовой температуры смесителей с учетом эффекта прямого

детектирования на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

В §4.1 представлены результаты измерения поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны на частотах 3,8 и 2,5 ТГц. Для исследования

поляризационного отклика квазиоптических ММ смесителей в главном направлении антенны были выбраны образцы, согласованные с пленарными эквиугольными самокомплементарными спиральными антеннами. Источником излучения служил газоразрядный лазер на парах воды в режиме непрерывной генерации. При помощи квазиоптического вращателя плоскости поляризации излучения осуществлялось вращение в пространстве вектора Е электрической напряженности параллельного линейно поляризованного лазерного пучка. Детектирование излучения, принимаемого планарной спиральной антенной, осуществлялось смесителем, который находился при физической

температуре близкой к критической температуре сверхпроводящей пленки и смещался источником питания в режиме стабилизации тока. Фактически в данной ситуации был реализован детектор на эффекте разогрева электронов электромагнитным излучением в сверхпроводящей пленке, переведенной в резистивное состояние транспортным постоянным током.

На рис. 3 показано схематическое изображение двухветвевой планарной спиральной антенны и направление отсчета угла поворота вращателя плоскости поляризации излучения. На рис.4 представлены экспериментальные точки зависимости поляризационного отклика спиральной антенны смесителя при детектировании излучения на частоте 2,5 ТГц и 3,8 ТГц от угла поворота плоскости, в которой колеблется вектор Е линейно поляризованного пучка лазера.

Анализ поляризационного отклика позволяет сделать вывод о том, что поляризация спиральной антенны на частотах 2,5 и 3,8 ТГц является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,25 и 0,75, соответственно.

Таким образом, ширина лепестка излучения спиральной антенны в главном направлении на частотах 2,5 и 3,8 ТГц не остается постоянной, при этом главная ось поляризационного эллипса антенны испытывает поворот на угол 53° при переходе с одной рабочей частоты на другую.

Рис.3. Схематическое изображение двухветвевой пленарной спиральной антенны; угол О отсчитывается по часовой стрелке от вертикали, проходящей через центральную часть антенны; окружность радиусом ЗОмкм приведена для представления характерных |

размеров спиральной структуры

юн 1« ¡ав 2»

мс 400

Ы) 100 150

ИО 300 ЭЫ) 400

Рис.4. Зависимость величины отклика спиральной антенны смесителя от угла поворота квазиоптического вращателя плоскости поляризации излучения на частоте 2,5 и 3,8 ГГц.

§4.2 посвящен исследованию влияния эффекта прямого детектирования на систематическую погрешность определения шумовой температуры приемника в лабораторных условиях.

При измерениях шумовой температуры мощность теплового излучения, падающая на смеситель с поверхности нагрузки, определяется температурой нагрузки и входной полосой приемника, обусловленной частотными зависимостями приемной антенны и используемых фильтров. Данное тепловое

излучение вызывает паразитный нагрев носителей. Это приводит к изменению положения рабочей точки, и, как следствие, ведет к изменению выходного шума смесителя. Это явление принято называть эффектом прямого детектирования. При измерениях шумовых характеристик смесителей, вышеописанный эффект является паразитным и вносит искажения в измеренные в лабораторных условиях значения шумовой температуры.

В эксперименте была использована стандартная установка для измерения шумовой температуры смесителей на частоте гетеродина 2.5 ТГц. Двухполосная шумовая температура измерялась в различных рабочих точках (порядка 40 точек) в широком диапазоне напряжений смещения и мощностей гетеродина посредством измерения У-фактора выходной мощности при смене горячей (300 К) и холодной (77 К) нагрузок. Смена нагрузок осуществлялась механическим модулятором с частотой 20 Гц. Переменная составляющая выходной мощности регистрировалось селективным вольтметром на частоте модулятора, а постоянная составляющая - цифровым вольтметром. Все эти данные с помощью интерфейса ОР1В записывались в компьютер и пересчитывались в шумовую температуру приемника. Кроме измерения выходной мощности так же регистрировалось и изменение силы тока смещения для каждой рабочей точки, эти данные так же записывались на жесткий диск компьютера.

Анализ этих данных показал, что «знак» эффекта прямого детектирования изменяется при переходе через точку, соответствующую максимуму выходного шума. Изменение тока при смене нагрузки в оптимальной рабочей точке составило 127 нА (0.12% от значения силы транспортного гока в данной точке), а при этом ошибка в определении шумовой температуры приемника составила более 8% (Тк уменьшилась на 200 К).

Для минимизации данного эффекта путем уменьшения входной полосы приемника предложено использование фильтра. В качестве фильтра была использована тонкая металлическая сетка с квадратной ячейкой и периодом 100 мкм. При установке данного фильтра, с азотного экрана криостата был удален ИК-фильтр из черного полиэтилена. Изменение тока за счет смещения рабочей

точки при использовании охлаждаемого сеточного фильтра стало пренебрежимо мало, и не превышало 20 нА. Лучшее значение шумовой температуры приемника достигло значения на 200 К меньшего, чем рассчитанное из данных смещения рабочей точки и зависимости выходной мощности

В §4.3 сформулированы основные выводы данной главы.

В заключении сформулированы следующие результаты работы:

1. Созданы квазиоптические смесители для диапазона частот 0,9-4 ТГц на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок ЫЬЫ толщиной 2-4 нм с использованием подслоя толщиной 200 нм.

2. Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей до 5,2 ГГц, изготовленных их сверхпроводящей пленки ЫЬИ толщиной 2 нм. Получение пленки КЬЫ такой толщины на кремниевой подложке с критической температурой 9,2 К позволило применение подслоя оксида магния между пленкой и подложкой.

3. Проведены измерения шумовой температуры №>Ы смесителя с подслоем N^0. Лучшее значение шумовой температуры приемника на частоте гетеродина 3,8 ТГц составило 3100 К и на час кие 2,5 ТГц 1300 К на промежуточной частоте 1,5 ГГц.

4. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°

5. Впервые определена величина ошибки измерения чувствительности смесителя в лабораторных условиях за счет эффекта прямого детектирования. Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на основе металлической сетки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

J. S.I. Svechnikov, S. V. Antipov. Yu B. Vachtomin, G.N. Gol'tsman, S.I. Cherednichenko, E.M. Gershenzon, M. Kroug, E. Kollberg Conversion and noise bandwidths of terahertz NbN hot-electron bolometer mixers //Physics of Vibrations, vol. 9, 2001, № 3, pp.205-210, 0,375 п.л. (авторских 20%)

2 S.V. Antipov. SI Svechnikov, KV Smirnov, Yu В Vachtomin, MI.Finkel G.N. Gol'tsman, E M. Gershenzon Noise temperature of quasioptical NbN Hot Electron Bolometer mixer at 900 GHz //Physics of Vibrations, vol 9, 2001, № 4, pp. 125138, 0,875 п.л. (авторских 80%)

3. Ю.Б. Вахтомин, М.И. Финкель, C.B Антипов. К В. Смирнов, НС.Каурова, В.Н Дракинский, Б M Воронов, Г. H Гольцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в ультратонких пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //Радиотехника и электроника, m 48, 2003, Мб, с. 1-5, 0,315 п.л. (авторских 30%)

4. A.D. Semenov, H.-W Huben, H. Richter, M. Birk, M. Krocka, U. Mair, Yu.B Vachtomin MI Finkel, S V. Antipov, B.M. Voronov, К V. Smirnov, N.S. Kaurova. VN Drakinski, G.N Gol'tsman Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2003, vol 13, No 2, pp 168-171, 0,25 п.л. (авторских 10%)

5. J. J.A Baselmans, A Baryshev, S F Rekel, M Hajenius, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, Y. Vachtomin, S Maslennikov, S. Antipov, В Voronov, G. Gol'tsman Direct Detection Effect in Small Volume Hot Electron Bolometer Mixers // Applied Physics Letterst vol 86, 163503, 2005, (3 pages), 0,25 п.л. (авторских 20%)

6. L. Jiang, J. Li, W Zhang, Q.J. Yao, Z L. Lin, SC Shi, S.V Antipov, SI Svechnikov, В Voronov, G Gol'tsman Characterization of NbN HEB Mixer Cooled by a Close-Cycled 4 kelvin Refrigerator // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 15, No 2, June 2005, pp. 511-513, 0,25 п.л. (авторских 10%)

7 Yu.B. Vachtomin, M.I Finkel, S. V Antipov. B.M Voronov, K.V. Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinsky, G.N. Gol'tsman Gain Bandwidth of Phonon-Cooled HEB Mixers made of NbN Thin Film with MgO Buffer Layer on Si //Proceedings of 13th International Symposium on Space THz Technology, Harvard, NY, USA, March 26-28, 2002, pp 259-270, 0,75 п.л. (авторских 30%)

8. KV Smirnov, Yu.B Vachtomin, S. V. Antipov. S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, В M Voronov, G.N Gol'tsman, AD Semenov, H Richter, H-W. Hübers Noise and Gain Performance of spiral antenna coupled HEB Mixers at 0.7 THz and 2 5 THz //Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003, pp. 405-412, 0,5 п.л. (авторских 25%)

9. G. Gol'tsman, M. Finkel, Yu.B Vachtomin, S. Antipov. V. Drakinski, N. Kaurova, B. Voronov Gam Bandwidth and Noise Temperature of NbTiN HEB Mixer //.Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003, pp. 276-285, 0,5 п.л. (авторских 15%)

10. Yu В. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N Maslennikov, К. V Smimov, S.L. Polyakov, N.S. Kaurova, E.V Grishirta, BM. Voronov, G.N. Goltsman Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled Hot Electron Bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Proceedings of 15th International Symposium on Space THz Technology, Northampton, MA, 27-29 of April, 2004, pp. 236-240, 0,375 п.л. (авторских 40%)

HBaryshev, J.J.A Baselmans, SF Reker, M Hajenius, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, Yu B. Vachtomin, S. Maslennikov, S. Antipov. В Voronov G Gol'tsman Direct Detection Effect in Hot Electron Bolometer Mixers // Proceedings of 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2-5 May, 2005, p 463, 0,5 п.л. (авторских 20%)

12 W. Zhang, L. Jiang, Z.L. Lin, S.C. Shi, S.I. Svechnikov, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov. N.S. Kaurova, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Development of a Quasi-Optical NbN Superconducting HEB Mixer // Proceedings of 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2-5 May, 2005, pp. 209-213, 0,5 п.л. (авторских 10%)

13 Ю Б Вахтомин, М.И Финкелъ, С В Антипов. БМ Воронов, КВ. Смирнов, Н.С Каурова, В.Н. Дракинский, Г.Н Гопъцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //8-й всероссийский семинар «Волновые явления в нелинейных средах», Красновидово, 2002, т. 2, с. 81-82, 0,125 п.л. (авторских 30%)

14.MI. Finkel, Yu.B Vachtomin, S. V. Antipov, B.M. Voronov, K.V. Smirnov, NS. Kaurova, V.N Drakinski, G.N Gol'tsman The IF bandwidth of phonon-cooled HEB mixsers based on Si substrate with MgO buffer layer //International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, 2002, pp. 56-58, 0,175 п.л. (авторских 30%)

15.Ю.Б. Вахтомин, С В. Антипов. С.Н. Масленников, КВ. Смирнов, С.Л Поляков, СИ Свечников, НС Каурова, Е.В Гришина, БМ Воронов и Г.Н. Гольцман Смеситель терагерцового дшпазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN // Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 7-10 сентября 2004, Москва, МИРЭА, часть 1, с 259, 0,25 п.л. (авторских 40%)

16 Yu.B. Vachtomin, S V Antipov. NS Kaurova, SN. Maslennikov, К. V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, E V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Noise temperature, gain bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies // Joint 29th International conference on infrared and millimeter waves and 12'h International conference on terahertz electronics, September 27-october 1, Karlsruhe, Germany, 2004, pp. 329-330, 0,125 п.л. (авторских 30%)

17. G.N. Gol'tsman, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N. Maslennikov, K.V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, N.S Kaurova, E V. Grishina, B.M. Voronov NbN Phonon-cooled Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne

Receivers // The International Society for Optical Engineering, vol. 3, January 2227, San Jose, California USA, pp 542-544, 2005, 0,375 п.л. (авторских 25%)

18 S. V. Antipov. Yu.B Vachtomin, S N. Maslennikov, K.V Smirnov, N S Kaurova, E. V. Grishina, В M Voronov, G N Gol 'tsman Noise performance of quasioptical ultrathin NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz // Fifth International Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves, Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2004, pp. 592-594, 0,2 п.л. (авторских 15%)

19 H. С. Каурова, М.И. Финкель, Ю Б. Вахтомин, С.Н. Масленников, С В Антипов, KB Смирнов, Б М Воронов, ГН Голъцман Смеситель субмиллиметрового диапазона длин волн на основе пленки YBa2Cu30j.x // Первая международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Москва-Звенигород, 18-22 октября 2004, стр 291-292, 0,175 п.л. (авторских 10%)

20.Масленников СН, Вахтомин ЮБ._, Антипов СВ. Каурова НС, Гришина Е.В, Б.М. Воронов, ГН Гольцман 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, Сборник тезисов, стр 968-969, 0,125 п.л. (авторских 20%)

2I.S. V. Antipov, Yu.B Vachtomin, S.N Maslennikov, N.S. Kaurova, E V. Grishina, В M Voronov, G N Gol 'tsman Low noise NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3 8 THz //11th International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena. Proceedings St Petersburg, Russia, 2004, pp. 107-109, 0,125 п.л. (авторских 40%)

Литература

1. T G Phillips and J Keene Submillimeter astronomy Proc //IEEE, vol. 80, pp. 1662-1678, Nov. 1992.

2. D. Leisawitz, et al. Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers //Proc. SPIE, vol. 4013, Munich, Germany, Mar. 29-31, 2000, pp. 36-46.

3. T. W.Crowe et al GaAs Schottky Diodes for THz Mixing Applications //Proc. IEEE, vol. 80, pp. 1827-1841,1992.

4. P.L Richards et al Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions //Appl.Phys.Lett, v.34, p.345, 1979.

5. E M.Gershenzon et al Millimeter and submillimeter range mixer based on electronic heating of superconducting films in the resistive state //Sov. Phys. Superconductivity, vol. 3, pp. 1582-1597, 1990.

6. E. M. Гершензон и dp Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резисгивном состоянии //Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. Вып. 5. С. 281-285.

7. S.Cherednichenko et al Large bandwidth of NbN Phonon-cooled hot-electron

bolometer mixer on sapphire substrate //Proceedings of the 8th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Cambridge, Massachusetts, pp. 245-255,1997.

8. A D.Semenov et al Frequency dependence noise temperature of the lattice cooled hot-electron terahertz mixer //Proceedings of the 11th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Ann Arbor, MI, pp. 39-48,2000.

9. S Cherednichenko et al A "broadband terahertz heterodyne receiver with an NbN HEB mixer //Proceedings of the 13th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Massachusetts, Cambridge, pp. 85-95,2002.

Подл, к печ. 24.04.2006 Объем 1.25 п.л. Заказ №. 122 Тир 100 экз.

Типография МШ У

m 1494 /mCf

Введение.

Глава I. Смесители терагерцового диапазона частот (обзор литературы).

§1.1 Полупроводниковые неохлаждаемые смесители на основе диодов с барьером Шотгки.

§1.2 Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводникизолятор-сверхпроводник.

§1.3 Физические основы работы сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах.

§1.4 Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения.

§1.5 Постановка задачи, определение цели и предмета исследования.

Глава II. Изготовление квазиоптических ЫЬЫ смесителей на горячих электронах и методика эксперимента.

§2.1 Электронно - разогревные ЫЬЫ смесители: топология, структура и технология изготовления.

§2.2 Квазиоптическая схема согласования ЫЬЫ смесителя с входным трактом.

§2.3 Экспериментальный стенд и методика измерения полосы ПЧ ЫЬЫ смесителей на частоте 0,9 ТГц.

§2.4 Экспериментальный стенд и методика измерения шумовой температуры ЫЬЫ смесителей на частотах 3,8, 2,5 и

0,9 ТГц.

§2.5 Экспериментальный стенд и методика исследования поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.

Глава III. Квазиоптические ЫЬЫ смесители на горячих электронах на подложках из с буферным слоем М£0.

§3.1 Полоса преобразования ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения.

§3.2 Шумовая температура ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения на частотах 3,8 и 2,5 и 0,9 ТГц.

§3.3 Выводы.

Глава IV. Поляризационный отклик спиральной антенны и определение шумовой температуры ЫЬЫ смесителей с учетом эффекта прямого детектирования на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

§4.1 Поляризационная чувствительность планарной спиральной антенны на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

§4.2 Влияния эффекта прямого детектирования при определении шумовой температуры смесителей на частоте 2,5 ТГц.

§4.3 Выводы.

В связи с расширением области использования терагерцового (или субмиллиметрового) электромагнитного излучения потребность в чувствительных широкополосных приемных устройствах этого диапазона на сегодня полностью не удовлетворена. Указанный участок спектра имеет ряд преимуществ, прежде всего для радиоастрономии и мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, аэростатов и специальных самолетов [1-7], а также систем космической связи, диагностики плазмы и биологических тканей.

Для повышения чувствительности в этом диапазоне часто используется гетеродинная схема приемника излучения, в которой смеситель осуществляет преобразование частоты «вниз». Наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения в диапазоне частот 0,1 - 1,25 ТГц на сегодня признаны смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС - смеситель) [8-15]. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина. При дальнейшем повышении частоты (выше двойной щелевой частоты используемых сверхпроводников) чувствительность СИС -смесителей подает из-за увеличения внутренних потерь.

Другим распространенным полупроводниковым преобразователем частоты в гетеродинном приемнике, который может работать в диапазоне частот 0,3 - 5 ТГц, является диод с барьером Шоттки (ДБШ - смеситель) [1625]. ДБШ - смесители не требуют глубокого охлаждении и могут работать в диапазоне температур от комнатных до гелиевых, что является основным их преимуществом при освоении терагерцового диапазона. К существенным недостаткам ДБШ - смесителей следует отнести низкую чувствительность и большую требуемую мощность гетеродина (порядка милливатта).

Указанные недостатки рассмотренных смесителей, применяемых в терагерцовом диапазоне, скорее всего, частично будут устраняться по мере их дальнейшего совершенствования, однако принципиальное улучшение характеристик смесительных устройств этого участка спектра возможно лишь путем использования новых физических механизмов преобразования частоты. Наиболее перспективным представляется использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников под действием терагерцового излучения и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты [26-28].

Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии тонких сверхпроводящих пленок [29,30] - hot-electron bolometer (НЕВ) -обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Они являются весьма перспективными приемными элементами на частотах выше 1,25 ТГц, так как не имеют частотных ограничений по механизму смешения [31] и не содержат реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.

Суть эффекта сводится к следующему. С уменьшением толщины сверхпроводящих пленок (d<10 нм для NbN) возрастает роль электрон -электронных столкновений в процессах энергообмена. Если пленки содержат большое количество статических дефектов, электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах, в результате чего роль электрон -электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения. При воздействии излучения на такие пленки, поглощенная энергия распределяется по электронной подсистеме, повышая ее температуру 0, что проявляется в росте сопротивления пленки. Эффект не зависит от частоты излучения - экспериментально доказана неселективность разогрева в диапазоне частот Ю10 - 1015Гц [28,31]. Возбужденная электронная подсистема за счет электрон-фононного взаимодействия, характеризуемого временем электрон-фононного взаимодействия те.рь, остывает за время релаксации электронной температуры тв, передавая энергию фононной подсистеме пленки. На последнем этапе происходит остывание фононной подсистемы пленки за счет выхода неравновесных фононов в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае неупорядоченных плёнок с малой длиной свободного пробега при условии те.е « те.рь. Полоса смесителей с фононным каналом охлаждения определяется в этом случае временем выхода неравновесных фононов в подложку resc и временем релаксации те.рь.

Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в [32] и далее развит в целом ряде работ [33-35]. Здесь в качестве "холодного" резервуара выступает не фононная подсистема, а массивные контакты прибора. В этом случае скорость остывания ограничивается диффузией горячих электронов в контакты, а прибор носит название болометра на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.

Определяющую роль в реализации многих приложений в терагерцовом спектральном диапазоне играет возможность совмещения большого динамического диапазона и широкой полосы промежуточных частот, используемых гетеродинных приемников излучения. Привлекательность НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения в этом плане несомненна. Путем изменения объема чувствительного элемента смесителя, не ухудшая его эффективности преобразования, можно не только оптимизировать динамический диапазон приемника, но и регулировать величину требуемой оптимальной мощности гетеродина. Существующие твердотельные гетеродинные источники терагерцового излучения, применяемые в практических системах, не всегда имеют достаточный запас выходной мощности на частотах выше 1,5 ТГц.

Увеличение полосы ПЧ для НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто за счет применения как ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, так и промежуточных диэлектрических подслоев между сверхпроводящей пленки и подложкой для улучшения их акустического согласования.

С радиотехнической точки зрения НЕВ - смеситель с фононным каналом охлаждения осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты [26-28,36]. При этом, поскольку энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поглощение терагерцового излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии и слабо зависит от выбора рабочей точки по постоянному току. Это позволяет достаточно просто согласовывать его с различными типами приемных антенн, поскольку импеданс пленки на высокой частоте является чисто активным и может быть оптимизирован путем изменения размеров чувствительного элемента в плане.

Согласование НЕВ - смесителя с принимаемым электромагнитным излучением достигается путем использования волноводной или квазиоптической схем. В первом случае чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами монтируется в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной [37]. Во втором случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [38]. Среди планарных антенн популярность снискали три типа: двухщелевая, спиральная, и логопериодическая. Последние два типа относятся к так называемым частотно - независимым антеннам, их ожидаемая полоса рабочих частот может составлять несколько октав. Двухщелевая антенна является резонансной структурой с рабочей полосой порядка 30 % от центральной частоты. Несмотря на широкое использование этих планарных антенн на диэлектрических подложках в квазиоптических схемах согласования с терагерцовым излучением, их характеристики, такие как входная полоса, диаграмма направленности, эффективность, поляризационная чувствительность, изучены наиболее полно лишь на частотах до 0,6 ТГц. Исследование характеристик планарных антенн на более высоких частотах, конструируемых путем масштабирования низкочастотного варианта антенны, остается пока неудовлетворительным, что является определенным препятствием их эффективного использования. Несмотря на это, все же происходит накопление экспериментального материала, который помогает определиться с выбором планарной антенны того или иного типа при создании гетеродинного приемника для практических применений. На частотах выше 1,5 ТГц чаще всего исследуются такие параметры антенны как входная полоса и диаграмма направленности [39, 40]. Исследование поляризационной чувствительности планарной логопериодической антенны на частотах 1,56 и 2,24 ТГц проводилось, пожалуй, лишь в единственной работе [41].

Наиболее активно используемым сверхпроводниковым материалом для создания НЕВ - смесителей терагерцового диапазона является высококачественные пленки нитрида ниобия, возможность использования которых была продемонстрирована в работах [29].

Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки ЫЬЫ толщиной 2.5-3.5 нм, осажденной на сапфировую подложку, достигает 4 ГГц [42], что не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.

Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения является весьма актуальным для практической радиоастрономии, что связано как с доплеровским уширением спектральных линий при наблюдении быстро перемещающихся источников терагерцового излучения, так и с ограниченностью перестройки частоты терагерцовых гетеродинных источников излучения.

К началу диссертационного исследования чувствительность квазиоптических ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения, характеризуемая двухполосной шумовой температурой, на частотах 0,75, 1,4, 2,5, 3,1 и 4,2 ТГц составляла 600 К, 2200 К, 2900 К, 4000 К и 5600 К [43] и полоса ПЧ такого смесителя не превышала 3-4 ГГц [42]. Позднее в работе [44] для смесителей была получена шумовая температура 1500 К на частоте гетеродина 2,5 ГГц.

Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, требуемая мощность гетеродина и полоса промежуточных частот, в терагерцовом диапазоне не достаточны для решения некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников терагерцового диапазона.

Целью данной диссертационной работы является исследование квазиоптических смесителей из ультратонких сверхпроводящих пленок ЫЬН на эффекте электронного разогрева, работающих в диапазоне частот 2 -4 ТГц, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, требовали малой мощности гетеродина и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике.

Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок ЫЬЫ толщиной 2-4 нм, осажденных на подложки из

М§0 и 81, как с буферным подслоем М§0, так и без него.

Измерение полосы ПЧ смесителей проводилось на частоте 0,9 ТГц как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками, так и по реже используемой методике с применением излучения абсолютно черного тела, находящегося внутри криостата. Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц. Исследование поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны проводилось на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Исследованы квазиоптические смесители субмиллиметрового диапазона длин волн на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок ИЬИ толщиной 2-4 нм с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм.

2. Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей, изготовленных из сверхпроводящей пленки толщиной 2 нм, до 5,2 ГГц. Получение пленки ЫЬЫ такой толщины с критической температурой 9,2 К стало возможным, благодаря применению подслоя М§0 между пленкой и подложкой из 81.

3. Впервые проведены измерения шумовой температуры МэИ смесителя на установке, где в качестве гетеродинного источника был использован газоразрядный лазер на парах воды на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

4. Впервые исследована поляризационная чувствительность планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны на подложке из Б! на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.

5. Впервые определена величина погрешности измерения чувствительности МэИ смесителя за счет эффекта прямого детектирования.

Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на основе металлической сетки.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Квазиоптические смесители на кремниевой подложке с подслоем MgO на основе пленки NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 3100 К на частоте излучения гетеродина 3,8 ТГц.

2. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей на основе NbN пленки толщиной 2 нм, осажденной на подложку из Si с применением подслоя MgO, в оптимальном по шумовым характеристикам режиме составляет 5,2 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.

3. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

4. Величина погрешности определения шумовой температуры NbN смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродинного источника.

Практическая значимость работы подтверждена использованием разрабатываемых HEB смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX, ALMA, HERSHEL), так на исследование атмосферы Земли (SOFIA, TELIS).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 131 страницу, включая 28 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 108 наименований.

§4.3 Выводы

В данной главе проведено исследование поляризационной чувствительности планарных спиральных антенн на кремниевой подложке на рабочих частотах 3,8 и 2,5 ТГц и рассмотрено влияние эффекта прямого детектирования на систематическую ошибку определения шумовой температуры приемника в лабораторных условиях на частоте 2,5 ТГц.

Впервые на частотах 3,8 и 2,5 ТГц экспериментально изучен поляризационный отклик планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны, используемой в квазиоптической схеме согласования терагерцового излучения с чувствительным элементом смесителя. Показано, что поляризация в главном направлении антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

На частоте гетеродина 2,5 ТГц величина погрешности определения шумовой температуры МЬИ смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимум пропускания на частоте гетеродина.

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. Разработаны и созданы смесители терагерцового диапазона 0,9 — 4 ТГц на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок толщиной 2-4 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм.

2. Создана экспериментальная установка для измерения полосы промежуточных частот ЫЬЫ смесителей на частоте 0,9 ТГц, использующая биение колебаний с близкими частотами двух источников непрерывного монохроматического излучения - ламп обратной волны ОВ-44.

3. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения на основе пленок толщиной 2 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0, составляет 5,2 ГГц при напряжении смещения, которое соответствует оптимальному по шумовым характеристикам режиму работы смесителя.

4. При определении величины полосы ПЧ ЫЬЫ смесителей использовалась оригинальная методика сравнения экспериментальных частотных зависимостей ПЧ сигнала в двух различных рабочих точках на вольт - амперной характеристике, соответствующей оптимальному режиму работы смесителя. Данная методика позволила уменьшить погрешность определения значения полосы ПЧ смесителей в оптимальной рабочей точке.

5. Создана экспериментальная установка для измерения двухполосной шумовой температуры квазиоптических смесителей с использованием в качестве гетеродина на частотах 3,8 и 2,5 ТГц газоразрядного лазера на парах воды в режиме непрерывной генерации, а на частоте 0,9 ТГц - лампы обратной волны ОВ-44.

6. Исследование квазиоптических смесителей из сверхпроводящих пленок ЫЬЫ толщиной 3-4 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм, показало, что эти смесители демонстрируют рекордные значения двухполосной шумовой температуры

3100 К и 1300 К на частотах 3,8 и 2,5 ТГц, соответственно, на промежуточной частоте 1,5 ГГц.

7. Создана экспериментальная установка для измерения поляризационной чувствительности на частотах 3,8 и 2,5 ТГц планарных спиральных антенн, используемых в квазиоптической схеме согласования терагерцового излучения с чувствительным элементом смесителя.

8. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

9. Исследована погрешность определения двухполосной шумовой температуры квазиоптических смесителей на частоте гетеродина 2,5 ТГц под влиянием эффекта прямого детектирования, которая определяется объемом смесительного элемента и входной полосой антенны. Предложен оригинальный и простой способ минимизации влияния эффекта за счет использования охлаждаемого узкополосного фильтра -металлической сетки с периодом 100 мкм и плотностью заполнения 12 % - с максимум пропускания на частоте гетеродина.

В заключение 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, Свечникову С.И. за помощь на начальном этапе работы и постоянное участие на всем ее протяжении, а также Вахтомину Ю.Б., Финкелю М.И. и Масленникову С.Н. за плодотворное общение и помощь в эксперименте.

Автор признателен всему коллективу сотрудников и аспирантов Учебно-научного радиофизического центра МПГУ.

Список публикаций автора:

1. S.I. Svechnikov, S. V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, G.N. Gol'tsman, S.I. Cherednichenko, E.M. Gershenzon, M. Kroug, E. Kollberg Conversion and noise bandwidths of terahertz NbN hot-electron bolometer mixers //Physics of Vibrations, vol. 9, 2001, № 3, pp.205-210.

2. S. V. Antipov, S.I Svechnikov, К. V. Smirnov, Yu.B. Vachtomin, M.I Finkel

G.N. Gol'tsman, E.M. Gershenzon Noise temperature of quasioptical NbN Hot Electron Bolometer mixer at 900 GHz //Physics of Vibrations, vol. 9, 2001, №4, pp.125-138.

3. Ю.Б. Вахтомин, М.И. Финкелъ, С.В. Аптипов, КВ. Смирнов,

H.С. Каурова, В.Н. Дракинский, Б.М.Воронов, Г.Н. Голъцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в ультратонких пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //Радиотехника и электроника, т.48, 2003, №6, с. 1-5.

4. A.D. Semenov, H.-W. Hiibers, Н. Richter, М. Birk, М. Krocka, U. Mair, Yu.B. Vachtomin M.I. Finkel, S. V. Antipov, B.M. Voronov, К. V Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol'tsman Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers //IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2003, vol.13, No.2, pp.168-171.

5. J. J.A. Baselmans, A. Baryshev, S.F. Rekel, M. Hajenius, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, Y. Vachtomin, S. Maslennikov, S. Antipov, B. Voronov, G. Gol'tsman Direct Detection Effect in Small Volume Hot Electron Bolometer Mixers //submitted to Applied Physics Letters.

6. L. Jiang, J. Li, W. Zhang, Q.J. Yao, Z.L. Lin, S.C. Shi, S.V. Antipov. S.I. Svechnikov, B. Voronov, G. Gol'tsman Characterization of NbN HEB Mixer Cooled by a Close-Cycled 4 kelvin Refrigerator // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 15, No. 2, pp. 511-513, June 2005

7. Yu.B. Vachtomin, M.I. Finkel, S. V. Antipov, B.M. Voronov, K. V. Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinsky, G.N. Gol'tsman Gain Bandwidth of Phonon-Cooled HEB Mixers made of NbN Thin Film with MgO Buffer Layer on Si //Proceedings of 13th International Symposium on Space THz Technology, Harvard, NY, USA, March 26-28, 2002

8. K. V. Smirnov, Yu.B. Vachtomin, S. V Antipov, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman, A.D.Semenov, H.Richter, H.-W.Hubers Noise and Gain Performance of spiral antenna coupled HEB Mixers at 0.7 THz and 2.5 THz //Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003

9. G. Gol'tsman, M. Finkel, Yu.B. Vachtomin, S. Antipov, V. Drakinski, N. Kaurova, B. Voronov Gain Bandwidth and Noise Temperature of NbTiN HEB Mixer //Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003.

10. Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N. Maslennikov, KV. Smirnov, S.L. Polyakov, N.S. Kaurova, E. V Grishina, B.M. Voronov, G.N. Goltsman Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled Hot Electron Bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Proceedings of 15th International Symposium on Space THz Technology, Northampton, MA, 27-29 of April, 2004.

11 .Baryshev, J.J.A. Baselmans, S.F. Reker, M. Hajenius, J.R.Gao, T.M. Klapwijk, Yu.B. Vachtomin, S. Maslennikov, S. Antipov, B. Voronov G. Gol'tsman Direct Detection Effect in Hot Electron Bolometer Mixers //accepted to 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2-5 May, 2005.

12.W. Zhang, L. Jiang, Z.L. Lin, S.C. Shi, S.I. Svechnikov, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, N.S. Kaurova, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Development of a Quasi-Optical NbN Superconducting HEB Mixer // Proceedings of 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2

5 May, 2005, pp. 209-213

13.Ю.Б. Вахтомин, М.И. Финкелъ, C.B. Антипов, Б.М. Воронов, К.В.Смирнов, H.C. Каурова, В.Н. Дракинский, Г.Н. Гольцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //8-й всероссийский семинар «Волновые явления в нелинейных средах», Красновидово, 2002, т.2, с.81-82.

14.М7. Finkel, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, B.M. Voronov, К. V Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol'tsman The IF bandwidth of phonon-cooled HEB mixsers based on Si substrate with MgO buffer layer //International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, 2002, pp. 56-58.

15.Ю.Б. Вахтомин, C.B. Антипов, C.H. Масленников, K.B. Смирнов, C.JI. Поляков, С.И. Свечников, H.C. Каурова, E.B. Гришина, Б.М. Воронов и Г.Н. Гольцман Смеситель терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN //Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 7-10 сентября 2004, Москва, МИРЭА, часть 1, с 259.

1 в. Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov. N.S. Kaurova, S.N. Maslennikov, К. V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, E. V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Noise temperature, gain bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies //Joint 29th International conference on infrared and millimeter waves and 12th International conference on terahertz electronics, September 27-october 1, 2004, Karlsruhe, Germany.

17.G.N. Gol'tsman, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N. Maslennikov, К. V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, N.S. Kaurova, E. V Grishina, B.M. Voronov NbN Phonon-cooled Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers //The International Society for Optical

Engineering, v. 3, January 22-27, 2005, San Jose, California USA.

18.S.V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, S.N. Maslennikov, K.V. Smirnov, N.S. Kaurova, E.V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Noise performance of quasioptical ultrathin NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Fifth International Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves, Kharkov, Ukraine, June 21-26,2004.

19.H.C. Каурова, М.И. Финкель, Ю.Б. Вахтомин, C.H. Масленников, С.В. Антипов, К.В. Смирнов, Б.М. Воронов, Г.Н. Голъцман Смеситель субмиллиметрового диапазона длин волн на основе пленки УВа2Сиз07.х //Первая международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Москва-Звенигород, 18-22 октября 2004.

20.Масленников С.Н., Вахтомин Ю.Би Антипов С.В. Каурова Н.С., Гришина Е.В, Б.М. Воронов, Г.Н. Голъцман 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, Сборник тезисов, стр. 968.

21 .S.V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, E.V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Low noise NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //11th International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena. Proceedings. St. Petersburg, Russia, 2004, pp. 107-109.

1. V. Belitsky "MM and sub-mm instrumentation for radio astronomy," presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18-19, 2003, Sarohus, Sweden

2. J. Black "Scientific drivers for APEX," presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18-19, 2003, Sarohus, Sweden

3. R. L. Brown, "Technical specification of the millimeter array," Proc.SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., no. 3357, pp. 231-441, 1998.

4. SOFIA home page: http//sofia.arc.nasa.gov/

5. TELIS home page: http://telis.af.op.dlr.de/

6. N. Wyborn, "The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance," in Eur. Space Agency Symp., Grenoble, France, Apr. 15-17, 1997, pp. 19-24.

7. D. Leisawitz et al., "Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers" in Proc. SPIE, vol. 4013, Munich, Germany, Mar. 29-31, 2000,pp. 36-46.

8. J.R.Tucker and M.J.Feldman, "Quantum detection at millimeter wavelength", Rev. Mod. Phys.,v.57, p.1055, 1985.

9. J. Zmuidzinas, H.G. LeDuc, IEEE Trans. MTT, 1992, v.40, p. 1797

10. C.Y.E. Tong, R.Blundell, B. Bumble, J. Stern, H. Leduc," Sub-mm distributed quasipartical receiver employing a non-linear transmission line," Proc. 7th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.47, Charlottesville, Virginia, USA, March 1996

11. C.Y.E. Tong, R. Blundell, S.Paine, D.C. Papa et al., "Design and characterization of 200-300 GHz fixed tuned SIS receiver," IEEE Trans, on Micr. Theory and Tech., v. 44, num.9, pp. 1548-1566, 1996.

12. A. Karpov, J. Blondel, M.Voss, and K.Gundlach", IEEE Trans. Appl. Supercond., v.9, p.4456, 1999.1. Т)

13. G. Chattopadhyay, F. Rice, D. Miller, H.G. LeDuc, and J. Zmuidzinas,"A 530-GHz Balanced Mixer," IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 9, no. 11, pp.467-469, Nov. 1999.

14. B. Jackson, A. Baryshev, G. de Lange et al., "Low noise 1 THz SIS mixer incorporated a NbTiN/Si02/Al tuning circuit, " Appl. Phys. Lett., vol. 79, num.3,2001.

15. A. Karpov, D. Miller, F. Rice, J. Zmuidzinas et al.," Low noise 1.2 THz SIS receiver", Proc. 12th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.21, San Diego, CA, USA, 2001

16. M.C. Gaidis, H.M. Pickett, C.D. Smith, et al., IEEE Trans. MTT, 2000, v.48, p. 733.

17. P.H. Siegel, R.P. Smith, M.C. Gaidis, S.C. Martin, IEEE Trans. MTT, 1999, v.47, No. 5, p. 596.

18. В.Г. Божков, B.A. Геннеберг, Ю.А. Дрягин, Л.И. Федосеев, Известия вузов. Радиофизика, 1999, Т. 42, № в, С. 573.

19. Т. Newman, W.L. Bishop, T.Ng. Kwong, S. Wainreb, IEEE Trans. MTT, 1991, v.39, No. 12, p. 1964.• 21. J.L. Hesler, W.R. Hall, T.W. Crowe, et al., IEEE Trans. MTT, 1997, v.45,1. No. 5, p. 653.

20. K. Hui, et al., IEEE Microwave and Guided Wave Lett., 2000, V.10, No. 9, p. 374.

21. J.L. Hesler, Proc. of 11th of Space Terahertz Technology, Ann Arbor, MI, USA, 2000, p.139.

22. J. Oswald et al., IEEE Microwave and Guided Wave Lett., 1998, V.8, No. 6, p. 232.

23. A.L. Betz, R.T. Boreiko, Proc. of 7th of Space Terahertz Technology, 1996, p.503.

24. E. M. Гершензон, M. E. Гершензон, Г. H. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. Вып. 5. С. 281-285.

25. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Разогрев электронов в резистивном состоянии сверхпроводника под действием электромагнитного излучения" // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 2. С. 758-774.

26. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1982. Т. 36. Вып. 7. С. 241-244.

27. V> 32. D.Prober, "Superconducting terahertz mixer using a transition-edgemicrobolometer" Appl.Phys.Lett. 62(17), 2119, 1993.

28. A. Skalare, W. R. McGrath, B. Bumble, H. G. LeDuc, P. Burke, A. Verheijen, R. Schoelkopf, D. Prober, "Large bandwidth and low noise in a diffusion-cooled hot-electron bolometer mixer", Appl.Phys.Lett. 68, 1558,• 1996.

29. B.S. Karasik, K.S. Il'in, "Diffusion cooling mechanism in a hot-electron

30. NbC microbolometer mixer", Appl.Phys.Lett. 68, 2285, 1996.

31. G. N. Goltsman, A. D. Semenov, "Non-thermal response of a diffusion-cooled hot-electron bolometer", J. Appl. Phys. 87, 502 (2000).

32. E.M.Gershenzon, G.N.Gol'tsman, A.I.Elant'ev, B.S.Karasik, and S.E.Potoskuev, "Intense Electromagnetic Radiation Heating of Electrons of a Superconductor in the Resistive State," Sov. J. Temp. Phys., 14(7), 414420, 1988.

33. A.D. Semenov, H.-W. Hubers, H. Richter, K.V. Smirnov, G.N. Gol'tsman, N.S. Kaurova, B.M. Voronov, "Superconducting hot-electron bolometermixer for terahertz heterodyne receivers", Proc. of 14 Int. Symp. on Space

34. Terahertz Technology, Tucson, Arizona, April 2003, pp. 405-412

35. V> 41. K.S. Yngvesson, C.F. Musante, M. Ji, F. Rodriguez, Y. Zhuang, E.

36. GerechtM. Coulombe, J. Dickinson, T. Goyette, and J. WaldmanC. K.

37. WalkerA. Stark and A. Lane, "Terahertz receiver with NbN HEB device (TREND)- a low-noise receiver user instrument for AST/RO at the south pole", ", Proc. of 12 Int. Symp. on Space Terahertz Technology, San Diego,• CA, Febr. 2001, pp. 26-37.

38. J) 44. S.Cherednichenko, M.Kroug, P.Khosropanah, A.Adam, H.Merkel,

39. E.Kolberg, D.Loudkov, B.Voronov, G.Gol'tsman, H.Richter, H.-W.Huebers "A broadband terahertz heterodyne receiver with an NbN HEB mixer" Proceedings of the 13th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Massachusetts, Cambridge, pp. 85-95, 2002.

40. C.M. Зи. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ./ Под ред. P.A. Суриса. М.: Мир, 1984.

41. Н.С. Torrey, С.А. Whitmer. Crystal rectifiers. New York: McGraw-Hill,1. T' 1948.

42. S. Maas "Microwave mixers", Artech House, Boston 1993.

43. L.E. Dickens, "Spreading resistance as a function of frequency", IEEE

44. Trans. MTT, 1967, V.15, No. 2, p. 101.

45. E.R. Caelson, M.V. Schneider, T.F. McMaster, "Subharmonically pumped millimeter wave mixers", IEEE Trans. MTT, 1978, V.26, No. 10, p. 706.

46. K.S. Champlin, D.B. Armstrong, P.D. Gunderson, Proc. IRE. 1964, v. 52, p. 677.

47. A. Kreisler, M. Pyee, M. Redon, Int. J. Of Infrared and Millimeter Waves, • 1984, V. 5, No. 4, p. 559.

48. M.V. Schneider, E.R. Carlson, Electron. Lett. 1977, V. 13, p. 745.

49. G.T. Wrixon, W.M. Kelly, Infrared Phys. 1978, V. 18, p. 413.

50. В.Г. Божков, B.A. Геннеберг, К.И. Куркан, В.И. Перфильев, Электронная промышленность, 2001, № 5, с. 77.

51. T.W. Crowe, R.J. Mattauch, Н.Р. Roser, et al., Proc. IEEE, 1992, V. 80, No. 11, p. 1827.

52. S.P. Molodnyakov, V.l. Shashkin, et al., Proc. of Int. Device Res. Symp., 1993, V. 2, p. 377.

53. P. H. Siegel, Terahertz Technology, Proc. IEEE, vol. 50, No. 3, March 2002,pp. 910-928.

54. И.О. Кулик, И.К. Янсон. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М.: Наука, 1970.

55. S. Morahashi, F. Shinoki, A.Shoji, et al., High Quality Nb/Al-A10x/Nb Josephson Junction, Appl. Phys. Lett., 1985, V.46, p. 1179-1181.

56. H.D. LeDuc, A. Judas, S.R. Cypher, В. Bumble, B.D. Hunter, J.A. Stern, Submicron Area NbN/MgO/NbN Tunnel Junctions for SIS Mixerr.t

57. Applications, IEEE Trans. On Magn., 1991, V. MAG-27, no. 2, p. 31923195.

58. J. Zmuidzinas, H.D. LeDuc, Quasi-Optical Slot Antenna SIS Mixers,

59. Proceedings of the 2nd Int. Symp. on Space Terahertz Technology, pp. 481490, 1991.

60. W.R. McGrath, H.H.S. Javadi, S.R. Cypher, B. Bumble, H.D. LeDuc, Low-Noise 205 GHz SIS Mixer Using High Current Density Nb and NbN Tunnel Junctions, Proceedings of the 2nd Int. Symp. on Space Terahertz V> Technology, pp. 423-437, 1991.

61. S.K. Pan, A.R. Kerr, M.J. Feldman, A. Kleinsasser, J. Stasiak, L. Sandstrom, W.J. Gallagher, A 85-116 GHz SIS Receiver Using Inductively Shunted Edge-Junctions, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1989, V. MTT-37,1. NO. 3, p. 580-582.

62. G.de Lange, J.J. Kuipers, T.M. Klapwijk et al., J. Appl. Phys., vol. 77, p. 1795, 1995.

63. G.de Lange et al, "Development of a 170-210 GHz 3x3 micromashined SIS imaging array", Proc. 8th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.518, Harvard University, USA, March 1997.

64. Belitsky V., Tarasov M.A., "SIS Junction Reactance Complete Compensation", IEEE Trans, on Magnetic,, MAG- 27, v. 2, pt. 4, pp. 26382641, 1991.

65. J), 69. V.Yu.Belitsky, E.L.Kollberg, "Tuning circuit for NbN SIS mixer", Proc. 7th1.t. Symp. on Space Terahertz Technology, p.234, Charlottesville, Virginia, USA, March 1996.

66. C.Y.E. Tong, L. Chen, and R. Blundell, "Theory of Distributed Mixing and Amplification in a Superconducting Quasi-Particle Nonlinear Transmission Line," IEEE Trans, on MTT., v. 45, num.7, pp. 1086-1092, 1997.

67. M.J. .Feldman and S. Rudner, "Mixing with SIS arrays", Reviews of IR and MM Waves, K.J. Button, Ed. N.York, Plenum, p.47, 1983.1. T,f

68. S. Shitov, M. Levitchev, A. Veretennikov, V. Koshelets et al, "Superconducting integrated receiver as 400-600 GHz tester for coolable• device", IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, n. 1, pp. 832-83 5, 2001.

69. Кошелец В.П., Шитов C.B., Филиппенко JI.B., Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Соболев A.C., Торгашин М.Ю. Интегральные сверхпроводниковые приемники субмиллиметровых волн // Известия вузов. Радиофизика. 2003, Т. 46, № 8-9, СС. 687-701.

70. N. Perrin and С. Vanneste, "Response of superconducting films to periodic•V) optical irradiation", Phys. Rev. B28, 5150 (1983).

71. N. Perrin and C. Vanneste, "Dynamic behavior of a superconductor under time-dependent external excitation", J. Physique. 48, 1311 (1987).

72. A.Semenov, G.N. Goltsman, R. Sobolewski, "Hot-Electron Effect in Superconductors and Its Applications for Radiation Sensors", LLE Review, V 87, pp 134-152, 2002.

73. B.L.Altshuler, A.G.Aronov, "Electron-electron interaction in disordered conductors," Modern problems in condensed matter science, Ed. A.L.Efros, M.Pollas, North-Holland Co., Amsterdam, pp. 1-153, 1985.

74. R. S. Nebosis, A. D. Semenov, Y. P. Gusev, K. F. Renk, in Proceedings of the Seventh International Symposium on Space Terahertz Technology (University of Virginia, Charlottesville, VA, 1996), pp. 601-613.

75. B. S. Karasik, W. R. McGrath, and M. C. Gaidis, "Analysis of a high-Tc p , hot-electron superconducting mixer for terahertz applications", J. Appl.1. Phys. 81, 1581 (1997).

76. D. W. Floet, E. Miedema, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, "Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers", Appl. Phys. Lett. 74,433 (1999).

77. D. W. Floet, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, P. A. J. De Krote, "Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer mixers, Appl. Phys. Lett. 77, 1719 (2000).1. TJ

78. H. Merkel, P. Khosropanah, P. Yagoubov, E. Kollberg, "A hotspot mixer for phonon-cooled NbN hot-electron bolometric mixers", IEEE Trans. Appl.• Supercond. 9, 4201 (1999).

79. D. W. Floet, E. Miedema, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, "Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers", Appl. Phys. Lett. 74, 433 (1999).

80. D. W. Floet, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, P. A. J. De Krote, "Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer

81. Arj mixers, Appl. Phys. Lett. 77, 1719 (2000).•■a

82. H. Merkel, P. Khosropanah, P. Yagoubov, E. Kollberg, "A hotspot mixer for phonon-cooled NbN hot-electron bolometric mixers", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9,4201 (1999).

83. A.I.Elant'ev and B.S.Karasik, "Effect of high frequency current on Nb superconducting film in the resistive state," Sov. J. Low Temp. Phys., 15(7), July 1989.

84. H. Ekstrom, B. Karasik, E. Kollberg, S. Yngvesson, "Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron bolometer mixers," IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., pp. 938-947, vol. 43, no. 4, 1995.

85. D.Meledin, E.Tong, R.Blunbell, N.Kaurova, K.Smirnov, B.Voronov, and G. Goltsman, "Study of the IF bandwidth of NbN HEB mixers based on crystalline quartz substrate with an MgO buffer layer", IEEE Trans. Appl.

86. Supercond., vol.13, no 2, pp.164-167, 2003.

87. B.Karasik, W.McGrath, "Microwave transmission technique for accurate impedance characterization of superconductive bolometric mixers," IEEE Trans.on Applied Superconductivity, 1998.

88. B. S. Karasik, A. I. Elantev, "Analysis of the noise performance of a hot® electron bolometer mixer," 6th International Symposium on Space Terahertz

89. Technology, pp. 229-247, Pasadena, CA, 1995.

90. H.Ekstrom, B.Karasik, E.Kollberg, and S.K.Yngvesson, "Conversion Gain and Noise of Nb Superconducting Hot Electron Mixers," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 938-947, 1995.

91. G.N. Gol'tsman, B.S. Karasik, O.V. Okunev, A.L. Dzardanov, ^ E.M. Gershenzon, H. Ekstrom, S. Jacobsson, E. Kollberg, IEEE Trans, on

92. Appl. Supercond 5, 3065 (1995).rj

93. B.S. Karasik and A.I. Elantiev, Appl. Phys. Lett. 68, 853 (1996).

94. H.Ekstrom, B.S.Karasik, "Electron temperature fluctuation noise in hot-electron superconducting mixers", Appl.Phys.Lett. 66, 3212 (1995).

95. E.Tong, J.Kawamura, T.Hunter, D.Papa, R.Blundell, F.Patt, G.Gol'tsman, E.Gershenzon, "Successful Operation of a 1 THz NbN Hot-Electron Bolometer Receiver," Proc.of 11th of Space Terahertz Technology, p.49-59, Ann Arbor, MI, USA, 2000.

96. J.Kawamura, T. R. Hunter, C.-Y. Edward Tong, R. Blundell, D. C. Papa, W. Peters, T. Wilson, C. Henkel, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, "Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion", A&A 394, 271-274 (2002)

97. J. Shubert, A. Semenov, H.-W. Hubers wt al.," Noise temperature and sensitivity of NbN Hot-electron mixer at frequencies from 0.7 THz to 5.2 THz," Proc.of 10th of Space Terahertz Technology, pp. 190-199,• Charlottesville, VI, USA, 1999.

98. W 102. C.-Y. Edward Tong, D. Meledin, D. Loudkov, J. Kawamura, N. Erickson, I.

99. Mehdi, R. Blundell, and G. Gol'tsman, "A 1.5 THz Hot-Electron Bolometer

100. Mixer Operated by a Planar Diode Based Local Oscillator," IEEE MTT-S Digest, pp. 751-754, Philadelphia, PA, June 2003.

101. M. Kroug, "Hot Electron Bolometric Mixers for a quasi-optical terahertz receiver", Ph.D. thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2001.

102. D.K. Schroder, "Semiconductors materials and device characterisation," John Willey, NY, 1990

103. G.K. Reeves, and H.B. Harrison, IEEE Electron Device Lett., EDL-3, p.l 11, 1982.