Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном гетеропереходе AlGaAsGaAs. Моно
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Московский педагогический государственный университет
высшего профессионального образования
А. В. СМИРНОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛОСЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕРАГЕРЦОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ НА ЭФФЕКТЕ
ЭЛЕКТРОННОГО РАЗОГРЕВА В NbZr, NbN
И В ОДИНОЧНОМ ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ AlGaAs/GaAs
Монография
МПГУ
Москва
2013
1
УДК 58
ББК 32.849
С506
Научный редактор
Г. Н. Гольцман, доктор физико-математических наук, профессор
Московского педагогического государственного университета
Рецензенты:
В. К. Корнев, доцент каф. атомной физики, физики плазмы и
микроэлектроники МГУ им. М.В.Ломоносова, доктор физико-
математических наук
А. П. Мельников, проф. каф. общей и экспериментальной физики МПГУ,
доктор физико-математических наук
С506 Смирнов А. В. Исследование полосы преобразования терагерцовых
смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном
гетеропереходе AlGaAs/GaAs: Монография. – М.: МПГУ, 2013. – 112 с.
Монография посвящена исследованию полосы преобразования
терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в
одиночном гетеропереходе AlGaAs/GaAs. Дан обзор современных приёмников
миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, а также обзор работ,
посвященных исследованию явления электронного разогрева. Приведено
описание HEB-смесителей на основе тонких пленок NbN, NbZr и на основе
2DEG гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Рассматривается методический аспект
проведенных экспериментов с описанием используемых экспериментальных
установок. Представлены результаты исследований частотных характеристик
HEB смесителей на основе плёнок NbN и микромостиков NbZr, нанесенных
на подложки из сапфира.
ISBN 978-5-7042-2467-9
© МПГУ, 2013
© Издательство «Прометей», 2013
2
Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор литературы
§1.1 Болометрические приемники прямого детектирования....................... 18
§1.2 Гетеродинные приемники на основе СИС и ДБШ смесителей........... 21
§1.3 Электронный разогрев в сверхпроводниковых пленках...................... 25
§1.4 Сверхпроводниковые смесители на эффекте разогрева электронов
с фононным каналом охлаждения. ................................................................. 33
§1.5 Двумерный электронный газ в гетероструктурах. Эффект
электронного разогрева в полупроводниках.................................................
§1.6 Смесители на основе эффекта электронного разогрева в
полупроводниках. ............................................................................................ 42
§1.7 Смесители с фононным и диффузионным механизмами охлаждения
2D электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs...................... 45
Глава 2. Описание исследуемых образцов и методов измерений
§2.1 Смесители на основе тонких пленок NbN................ 48
§2.2 Смесители на основе тонких пленок NbZr............... 49
§2.3Смесители на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs........................... 50
§2.4 Методики измерения и описание экспериментальных установок
для исследования смесителей на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs
при температуре 77 К......................................................................................
§2.4.1 Поверхностная концентрация носителей ns, вольтамперные
характеристики и температурная зависимость сопротивления..................
§2.4.2 Методика измерения полосы преобразования смесителей на
основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77К.....................
§2.5 Методика измерения полосы ПЧ HEB смесителей на основе
сверхпроводящих пленок NbZr. ..................................................................... 58
§2.6 Методика измерения полосы ПЧ квазиоптических NbN смесителей 61
5
18
39
48
53
53
55
3
Глава 3. Полоса преобразования квазиоптических HEB смесителей
на основе сверхпроводящих пленок NbN и NbZr
§ 3.1 Полоса преобразования NbZr смесителей вблизи критической
температуры на частоте 130ГГц.....................................................................
§ 3.2 Полоса преобразования NbN смесителей. Неболометрический
вклад в полосу преобразования на низких частотах гетеродина................
Глава 4. Исследование характеристик квазиоптических смесителей
на основе разогрева 2D газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при
температуре 77 К
67
67
71
83
§4.1 Смеситель с фононным каналом охлаждения электронов.................. 84
§4.1.1 Исследование полосы преобразования............................................... 84
§4.1.2 Эффективность преобразования.......................................................... 87
§4.1.3 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина............................ 90
Заключение
Публикации автора
Используемая литература
92
94
96
4
Введение
Начиная с ранних времен, человечество интересовалось астрономией,
люди наблюдали за небом, усеянным огромным количеством звезд. Знание
звездных позиций в ранние периоды развития человечества служило для
людей хорошей навигацией и календарем; кроме этих практических
побуждений, ранняя астрономия была сильно переплетена с религией.
Важной задачей священников-астрономов был совет монарху начинать войну
или нет, читая желание богов по положению таких астрономических объектов
как звезды и планеты.
В различные периоды развития человечества и культуры, типы
вопросов, задаваемых астрономии, развивались и менялись множество раз.
Кул ьмин а цией этого стало то, что сегодня мы надеемся найти ответы на
следующие вопросы: “Как образовалась наша Вселенная и верна ли теория
Большого Взрыва? Как формируются звезды и планеты? Какие условия
определяют возникновение жизни? Земля – единственная ли планета, на
которой существует жизнь?” Это всего лишь небольшая часть вопросов,
которые продолжают мотивировать ученых заниматься дальнейшими
астрономическими исследованиями.
Несколько десятилетий назад фактически все астрономические
наблюдения были ограничены видимым диапазоном частот, прежде всего
потому, что
исключением нескольких частотных окон прозрачности. Однако около 97%
всех фотонов, находящихся во Вселенной, соответствуют инфракрасному
диапазону длин волн (300 мкм – 700 нм), что, в свою очередь, на несколько
порядков больше, чем видимый диапазон длин волн (700 нм – 400 нм).
Доступность космоса очертила начало новой и захватывающей эры для
астрономии, когда астрономические наблюдения могут быть расширенны в
инфракрасную область. Кроме наблюдения интенсивности (прямое
атмосфера Земли в значительной степени непрозрачна, за
5
детектирование), легко сопоставимой с наблюдением в телескоп в видимом
диапазоне, этот частотный диапазон содержит больше информации об
исследуемом объекте. Таким образом, появилась радиоастрономия, раздел
астрономии, в котором небесные объекты исследуются на основе наблюдений
излучаемого ими электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн (с
длинами волн от долей мм до нескольких км). Наблюдения в
радиодиапазоне
существенно дополняют наблюдения небесных тел в коротковолновых
диапазонах, таких как оптический, рентгеновский и др. Наравне со сплошным
(непрерывным) спектром радиоизлучения, обусловленным: тепловым
излучением твёрдых тел (планеты и малые тела Солнечной системы);
тормозным излучением тепловых электронов (газовые туманности, атмосфера
звёзд); магнитотормозным излучением тепловых электронов в космических
магнитных полях (активные области
на Солнце, радиогалактики, квазары) и
др., обнаружено также монохроматическое излучение небесных объектов.
Основными механизмами образования спектральных радиолиний этого
излучения являются квантовые переходы между различными атомными и
молекулярными энергетическими уровнями.
Многие молекулярные соединения, важные для астрофизических
процессов и планетарных наук, имеют четко выраженные вращательные или
колебательные, испускательные или поглощательные линии в
терагерцовом
(ТГц) диапазоне частот, для наблюдения которых наиболее адекватным
инструментом является гетеродинный приемник. Таким образом, при помощи
гетеродинных измерений могут быть обнаружены различные молекулярные
соединения вместе с детальной информацией об их скорости (Допплеровское
смещение) и давлении. Гетер один н ые приемники, работающие в диапазоне
частот до нескольких терагерц, работают аналогично широко
распространенным гетеродинным
приемникам УКВ диапазона – это делает
задачу создания ТГц приемников возможной и весьма актуальной на
сегодняшний день.
6
Помимо радиоастрономии наблюдения в ТГц и суб-ТГц диапазонах с
частотами 1 ТГц < f < 10 ТГц и 100 ГГц < f < 1 ТГц, соответственно, также
представляют интерес для дистанционного зондирования земной атмосферы,
который растет в связи с увеличением экологических проблем, таких как,
загрязнение атмосферы промышленными выбросами и разрушение озонового
слоя атмосферы Земли.
Дальний инфракрасный диапазон длин волн (FIR)
– это волны с
длинной волны от 50 мкм до 1 мм, что соответствует полосе частот между
300 ГГц и 6 ТГц. В этой полосе частот лежат фундаментальные линии
поглощения и испускания важных атомов и молекул, а также максимум
излучения межзвездного вещества с температурами, лежащими в диапазоне
от 20 К до 200 К. В таблице 1 представлены излучательные
и поглощательные
спектральные линии некоторых атомов и молекул, расположенные в
терагерцовом диапазоне частот [1].
Соединения Частота (ТГц)
C 0.809
+
N
CO 1.726
+
C
N+ 2.495
H2O 2.640
H2 2.670
OH 3.545
O 4.746
1.461
1.901
Таблица 1. Излучательные и поглощательные спектральные линии некоторых
важных соединений
Дальнее инфракрасное излучение способно без особых усилий
проникать сквозь межзвездную пыль, что позволяет получать сведения и
информацию из областей вселенной недоступных для видимого диапазона
7
длин волн, например, из центра нашей Галактики. Благодаря наличию окон
прозрачности в пределах атмо сферы Земли, в этом частотном диапазоне
возможно, например, определять энергетические вращательные переходы
гидроксильных групп -OH на частотах около 2.5 ТГц и 3.5 ТГц, их
содержание в атмосфере, что является важным, поскольку играет основную
роль в каталитической циркуляции, которая ответственна за разрушение
озонного слоя [2, 3].
До сих пор дальний инфракрасный диапазон длин волн – это мало
исследованная часть электромагнитного спектра. С одной стороны причиной
тому служит технологическая сложность разработки и создания приемников
данного диапазона. С другой стороны наблюдения с поверхности Земли
позволяют получить лишь малую часть всего объема полезной для нас
информации, так как
электромагнитные волны инфракрасного диапазона
частот хорошо поглощаются водяным паром, молекулами углекислого газа,
озоном и другими молекулами, содержащимися в нижних слоях атмосферы. В
ходе решения этой проблемы появлялись, продолжают использоваться и
создаются различные баллонные, самолетные и спутниковые платформы для
работы в области инфракрасного излучения [4, 5, 6, 7, 8].
Так, например, при помощи самолетного проекта SOFIA [9] с 2005
года
открыт доступ в область с длинами волн от 0.3 мкм до 1.6 мм, которая
практически недосягаема для радиотелескопов наземного базирования. Это
общий проект (DLR) – Немецкого Аэрокосмического Центра и NASA.
SOFIA – это телескоп с диаметром зеркала 2.5 метра расположенный на борту
модернизированного транспортного самолета Боинг 747 SP. Измерения могут
производиться на наблюдательной высоте около 14 километров, что
почти
полностью исключает мешающее влияние атмос феры Земли.
Спутниковый проект Herschel [10] позволит производить спектральные
исследования вселенной в области длин волн от 60 мкм до 670 мкм. Cрок за-
пуска проекта май 2009 года.
8
Баллонный проект TELIS [6], с его помощью возможно проведение
экспериментов в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн атмосферы
Земли. Один из приемников, используемый в проекте TELIS, должен работать
в диапазоне 1.76 – 1.86 ТГц, где интенсивность спектральных линий таких
соединений, как OH, HO
, NO и NO2, особенно высока.
2
Создается и разрабатывается проект МИЛЛИМЕТРОН [8], кото рый
включен в федеральную космическую программу России до 2015 года. Он
разрабатывается координировано с головной организацией –
Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
по заказу Федерального космического агентства Роскосмос. Это большой
проект космической обсерватории с 12 метровым охлаждаемым зеркалом,
которая сможет вести
наблюдения в диапазоне длин волн 10 мкм – 2 см.
Идет обсуждение проекта, направленного на исследование областей
формирования звёзд и планет в частях терагерцового диапазона, недоступных
для наблюдений с поверхности Земли – создание и разработка ко смиче ского
интерферометра FIRI [11]. Он состоит из трех модулей, каждый из которых
оборудован 3.5 метровым зеркалом. Рабочий диапазон длин волн
интерферометра 25
– 385 мкм. На частотах более 1.5ТГц, предполагается
использовать сверхпроводящие смесители на основе электронного разогрева,
хотя для того, чтобы удовлетворить требования проекта, понадобится
существенное расширение полосы промежуточных частот, по сравнению с
достигнутыми значениями.
Чтобы определять не только существование тех или иных элементов
или молекул, а также частоты их вращения, плюс такие важные
физические
параметры как температура, плотность и динамическое поведение
наблюдаемого объекта необходима восприимчивость системы к очень слабым
астрономическим сигналам, а также прием этих сигналов с высоким
временным и пространственным разрешением. Все проекты, перечисленные
выше, направлены на создание ТГц приемников с такими параметрами, как:
чувствительность, шумовые характеристики, пространственное разрешение и
9
рабочий диапазон частот, существенно лучшими, чем у существующих на
сегодняшний день приемников этого диапазона. Это позволит производить
более качественные наблюдения и исследования в этой еще относительно
неисследованной части электромагнитного спектра.
Основа всех астрономических и астрофизических проектов такого
рода – создание гетеродинных приемников для спектроскопии высокого
разрешения
6
10
в области дальнего инфракрасного излучения. В таком
приемнике слабый полезный сигнал при помощи малошумящего смесителя,
являющегося центральным элементом, смешивается с более мощным
сигналом гетеродина. Задачей смесителя при этом служит преобразование
высокочастотного полезного сигнала в сигнал низкой частоты, равной разнице
между частотой полезного сигнала и частотой гетеродина. Далее этот
преобразованный низкочастотный
сигнал, содержащий в себе полезную для
нас информацию, может усиливаться и обрабатываться обычной
электроникой.
Также суб-ТГц и ТГц спектроскопия в последнее время находит
широкое применение в чисто лабораторных исследованиях, как
фундаментальных, так и прикладных. Так ТГц приемники активно
применяются в системах пассивного и активного получения изображения в
суб-ТГц и
ТГц диапазоне для целей медицины, всепогодной навигации и в
системах безопасности [12, 13, 14, 15]. В пассивных системах происходит
прием естественного теплового излучения изучаемого объекта, а в активных
системах исследуемый объект дополнительно облучается ТГц излучением,
затем производится детектирование и анализ проходящих или отраженных
лучей. Пассивные системы получения изображения в сфере безопасности
применяются для обнаружения
скрытых предметов на фоне теплового
излучения человеческого тела. Это стало возможным благодаря тому, что ТГц
излучение менее интенсивно поглощается различными веществами, нежели
инфракрасное излучение, поэтому становится возможным обнаружение
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]