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
создании структур субмикронных планарных размеров, с использованием
гетероперехода AlGaAs/GaAs с большей подвижностью и меньшей
концентрацией 2D электронов, полученное значение оптимальной
поглощенной мощности может быть дополнительно улучшено.
91
Заключение
Основные выводы работы можно сформулировать следующим образом:
Определены времена ухода неравновесных фононов в подложку, они
составляют 350 пс, 690 пс и 1.3 нс для NbZr пленок нанесенных на подложки
из сапфира толщиной 10 нм, 20 нм и 50 нм, соответственно. Плёнки NbZr
имеют худшее согласование с сапфировой подложкой, чем плёнки NbN, и
полоса преобразования NbZr смесителей с фононным каналом охлаждения
уступает полосе преобразования NbN смесителей.
Показано, что модель неоднородного электронного разогрева наиболее
точно по сравнению с другими существующими болометрическими моделями
описывает экспериментальные результаты измерения полосы ПЧ для NbN
HEB смесителей. Также показано, что с уменьшением частоты гетеродина
(<1 ТГц) полоса ПЧ NbN HEB-смесителей увеличивается благодаря росту
относительного вклада в механизм смешения механизма прямого
взаимодействия магнитных
гетеродинного излучения.
Исследована полоса ПЧ для смесителя с фононным каналом
охлаждения 2D газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Значения полосы
преобразования смесителей составили 3.5 – 4.5 ГГц, при Т=77 К.
Экспериментально определеное время жизни оптического фонона составило
≈ 4.5±0.8 пс при температуре электронного газа Te=100 – 120 К. В режиме
τ
LO
охлаждения горячих электронов на оптических фононах полоса
преобразования смесителей на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs
ограничена перепоглащением оптических фононов электронами. Смесители с
большой подвижностью 2D газа обладают меньшими потерями
преобразования по сравнению со смесителями с меньшей подвижностью при
одинаковой степени разогрева носителей. В оптимальной области температур
2D газа (77–100 К) потери преобразования
вихрей с электромагнитным полем, сигнального и
смесителей на основе
92
гетероструктуры AlGaAs/GaAs составили ≈ 13 дБ. Оптимальная мощность
2
гетеродинного источника, приходящаяся на 1 мкм
площади чувствительного
элемента смесителя, составляет ≈ 200 нВт для смесителя с подвижностью
μ=2.3×10
размером чувствительного элемента 3×12 мкм
μ=2.3×10
5
см2/В·с, что соответствует мощности ≈ 7.2 мкВт для смесителя с
2
, подвижностью
5
см2/В·с и концентрацией носителей ns=3×1011 см-2.
В заключении автор выражает глубокую благодарность научному
руководителю профессору Г.Н. Гольцману за руководство и помощь на
протяжении всей работ. Автор выражает благодарность А.И. Елантьеву, А.Д.
Семенову, за помощь на начальном этапе исследования и полезные
обсуждения на протяжении всей работы. Также автор благодарен Ю.Б.
Вахтомину, Р.В
. Ожегову за полезные обсуждения, и всему коллективу
Учебно-научного радиофизического центра МПГУ. Огромную благодарность
автор выражает всему коллективу группы Хайнца–Вильгельма Хьюберса из
Института планетарных исследований немецкого аэрокосмического центра и
многим.
93
Публикации автора
Semenov A.D., Il’in K., Siegel M., Smirnov A., Pavlov S., Richter H., Hübers
1.
H.-W. Evidence of non-bolometric mixing in the bandwidth of a hot-electron
bolometer // Superconductor Science and Technology. – 2006. – Vol. 19. – Pp.
1051-1056.
Semenov A.D., Richter H., Hübers H.-W., Günther B., Smirnov A., Il’in K.,
2.
Siegel M. and Karamarkovic J.P. Terahertz performance of integrated lens
antennas with a hot-electron bolometer // IEEE Trans. on Microwave Theory
and Techniques. – 2007. – Vol. 55(2). – Pp. 239-247.
3.
Морозов Д. В., Смирнов К. В., Смирнов А. В., Ляхов В. А., Гольцман Г. Н.
Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева
двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с
фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников. –
2005. – T. 39, вып. 9. – C. 1117-1121.
Semenov A., Richter H., Böttger U., Smirnov A., Hübers H.-W. Imaging THz ra-
4.
dar for security applications // Proceeding of the 4
Radar and Wave Propagation. – Montreal, Canada: 2007. – Pp. 63-68.
Semenov A.D., Il’in K., Siegel M., Smirnov A., Pavlov S., Richter H., Hübers
5.
H.-W. Intermediate frequency bandwidth of a hot-electron mixer: comparison
with bolometric models // Proceeding of 17
Space Terahertz Technology. – Paris, France: 2006. – Pp. 73-76.
6.
Морозов Д.В., Смирнов К.В., Смирнов А.В., Ляхов В.А., Гольцман Г.Н.
ММ/СММ смеситель на основе 2D электронов в гетероструктуре
AlGaAs/GaAs // VII Российская конференция по физике полупроводников. –
Звенигород, Россия: 2005. – С. 214.
Smirnov A.V., Larionov P.A., Finkel M.I., Maslennikov S.N., Voronov B.M.,
7.
Gol’tsman G.N. NbZr films for THz phonon-cooled HEB mixers // Proceeding
th
Int. Conference Antennas,
th
International Symposium on
94
of 19th International Symposium on Space Terahertz Technology. – Groningen,
The Netherlands: 2008. – Pp. 44-47.
Semenov A., Richter H., Smirnov A., Gunther B., Hübers H.-W., Il’in K., Siegel
8.
M., Gol’tsman G., Drakinskiy V., Merkel H. and Karamarkovic J. Development
of HEB mixers for GREAT and for security screening // Proceeding of 18
International Symposium on Space Terahertz Technology. – Pasadena, USA:
2007. – Pp. 184.
Ляхов В.А., Смирнов А.В., Морозов Д.В., Смирнов К.В., Гольцман Г.Н.
9.
Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева
двумерных электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // Материалы
международной научно-практической конференции «Фундаментальные
проблемы радиоэлектронного приборостроения». – Москва: 2004. – Ч. 1. –
С. 259.
Смирнов А.В., Морозов Д.В. и Ляхов В.А. Смеситель ММ/СММ диапазона
10.
на основе разогрева 2D электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs
// Международная конференция студентов, аспирантов и молодых
ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005». –Москва: 2005. –
Т. 2. – С. 32-34.
th
95
Используемая литература
[1] Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog / H.M.
Pickett, R.L. Poynter, E.A. Cohen, M.L. Delitsky, J.C. Pearson, and H.S.P.
Muller // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. – 1998. – Vol. 60 – p. 883.
[2] Röser H.-P. Heterodyne spectroscopy for submillimeter and far-Infrared
wavelengths from 100µm to 500µm // Infrared Phys. – 1991. – Pp. 385-407.
[3] Siegel P.H. Terahertz technology // IEEE Trans. MTT. – 2002. – Vol. 50, no.
3. – Pp. 910-928.
[4] SMA – Submillimeter Array. – Internet page. – 2008. http://sma-
www.cfa.harvard.edu.
[5] SOFIA – Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. – Internet page.
– 2008. http://www.sofia.usra.edu.
[6] 550-650 GHz spectrometer development for TELIS / P.A. Yagoubov, W.-J.
Vreeling, H. van de Stadt, R.W.M. Hoogeveen, O.V. Koryukin, V.P.
th
Koshelets, O.M. Pylypenko and A. Murk // Proc. of 16
terahertz technology. – Chalmers, Sweden: 2005. – Pp. 438-443.
[7] Wyborn N. The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and
performance // Eur. Space Agency Symp. – Grenoble, France: 1997. – Pp.19-
24.
[8] Проект Миллиметрон. – Страница в Интернете. – 2008.
http://www.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm.
[9] Krabbe A., Röser H.-P. SOFIA Astronomy and Technology in the 21
Century // Rev. of Mod. Astronomy. – 1999. - no. 12. – Pp.1052-1063.
[10] Pilbratt G.L. The ESA FIRST cornerstone mission // SPIE 4013. – 2000. –
Pp.142-151.
[11] Helmich F.P. and Ivison R.J. FIRI – a far-infrared interferometer //
Exsperimental Astronomy. – 2009. – Vol. 23. – Pp. 245-276.
int. symp. on space
st
96
[12] Hu B.B., Nuss M.C. Imaging with terahertz waves // Optics Letters. – 1995. –
Vol. 20, no. 16. – Pp. 1716-1718.
[13] Appleby R. Passive millimeter-wave imaging and how it differs from
terahertz imaging // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. – 2004. – Vol. 362. – Pp.
379-394.
[14] Terahertz sources and detectors and their application to biological sensing /
T.W.Growe, T.Globus, D.L.Woolard, J.L. Hesler // Phil. Trans. R. Soc. Lond.
– 2004. – Vol. 362. – Pp. 365 -367.
[15] NbN Vacuum Bridge Bolometer Arrays With Room Temperature Readout
Approaching Photon Noise Limited THz Imaging Applications / P. Helisto, J.
S. Penttila, H. Sipola, L. Gronberg, F. Maibaum, A. Luukanen, H. Seppa //
IEEE Trans. Appl. Supercond. – 2007. – Vol. 17, no. 2. – Pp. 310-313.
[16] Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints /
K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe and H. Inoue // Optics Express. – 2003.
– Vol. 11, no. 20. – Pp. 2549-2554.
[17] Terahertz wideband spectroscopic imaging based on 2D electro-optic
sampling technique / M. Usami, M. Yamashita, K. Fukushima, C. Otani, K.
Kawase // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 86, no. 141109. – Pp. 1-3.
[18] Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys.
– 1994. – Vol. 76, no. 1. – Pp. 1-24.
[19] Carlstrom J.E. and Zmuidzinas J. Millimeter and Submillimeter Techniques
// Oxford, The Oxford University Press. – 1996.
[20] Blundell R. and Tong C.-Y. Submillimeter receivers for radio Astronomy //
Proc. of the IEEE. – 1992. – Vol. 80, no. 11. – Pp. 1702-1720.
[21] Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions / P.L. Richards,
T.M. Shen, R.E. Harris, F.L. Lloyd // Appl. Phys. Lett. – 1979. – Vol. 34. - P.
345.
97
[22] Dolan G.J., Phillips T.G., Woody D.P. Low-noise 115 GHz mixing in
superconductring oxide-barrier tunnel junctions // Appl. Phys. Lett. – 1979. –
Vol. 34. – P.347.
[23] Low noise 1.4GHz SIS mixer for SOFIA / A. Karpov, D. Miller, J.A. Stern,
th
B. Bumble, H.G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. of 19
int. symp. on space
terahertz technology. – Groningen, The Netherlands: 2008. – P. 68.
[24]
Смеситель миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на
основе разогрева электронов в резистивном состоянии
сверхпроводниковых пленок / Е.М. Гершензон, Г.Н. Гольцман, И.Г.
Гогидзе, Ю.П. Гусев, А.И. Елантьев, Б.С. Карасик, А.Д. Семенов //
СФХТ. – 1990. – T. 3, № 10. – C. 1711.
[25] Wide-bandwidth electron bolometric mixers: a 2DEG prototype and potential
for low-noise THz receivers / J.-X. Yang, F. Agah, D. Dai, C.F. Musante, W.
Grammer, K.M. Lau, K.S. Yngvesson // IEEE Trans. Microvawe Theory
Techniques. – 1993. – Vol. 41. – Pp. 581-589.
[26] Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at
low temperatures / J.X. Yang, J. Li, C.F. Musante and K.S. Yngvesson //
Appl. Phys. Lett. – 1995. – Vol. 65. – Pp. 581-589.
[27] Wide bandwidth millimeter wave mixer using a diffusion cooled two-
dimensional electron gas / M. Lee, L.N. Pfeiffer, K.W. West and K.W.
Baldwin // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 78(19). – Pp. 2888-2890.
[28] Lee M., Pfeffer L. N., West K.W. Ballistic cooling in a wideband two-
dimensional electron gas bolometric mixer // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol.
81, no. 7. – P. 1243.
[29] Terahertz semiconductor-heterostructure laser / R. Köhler, A. Tredicucci, F.
Beltram, H.E. Beere, E.H. Linfield, A.G. Davies, D.A. Ritchie, R.C. Iotti, F.
Rossi // Letters to Nature. – 2002. – Vol. 417. – Pp. 156-159.
[30] Terahertz heterodyne receiver based on a quantum cascade laser and a
supercoducting bolometer / J.R. Gao, J.N. Hovenier, Z.Q. Yang, J.A.
98
Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T.M. Klapwijk, A.J.L. Adam, T.O.
Klaassen, B.S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, J.L. Reno // App. Phys. Lett. –
2005. - Vol. 86. – P. 244104.
[31] Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron
bolometer mixers / J.J. A Baselmans, M. Hajenius, J. Gao, P. d. Korte, T.M.
Klapwijk, B. Voronov, G. Gol'tsman // App. Phys. Lett. – 2004. – Vol. 84
(11). – Pp. 1958-1960.
[32] Sensitive picosecond NbN detector for radiation from millimeter wavelength
to visible light / G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov, Y.P. Gousev, M.A. Zorin,
I.G. Godidze, E.M. Gershenzon, P.T. Lang, W.J. Knott and K.F. Renk //
Supercond Sci. Technol. – 1991. – Vol. 4. – Pp. 453-456.
[33] Электрон-фононное взаимодействие в ультратонких плёнках Nb / Е.М.
Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.М. Люлькин, А.Д.
Семенов, А.В. Сергеев // ЖЭТФ – 1990. – T. 97, №3 – C. 901-911.
[34] HEB Quasi-optical heterodyne receiver for THz frequencies / M. Kroug, S.
Cherednichenko, M. Choumas, H. Merkel, E. Kollberg, H.-W. Hübers, H.
th
Richter, D. Loudkov, B. Voronov, G. Gol’tsman // Proc. of the 12
Int.
Symp. on Space Terahertz Techn. – San Diego, California: 2000. – Pp. 49-59.
[35] APEX – Atacama Pathfinder Experiment. – Internet page. – 2008.
http://www.apex-telescope.org.
[36] Carlstrom J.E. and Zmuidzinas J. Millimeter and Submillimeter Techniques
Reviews of Radio Science 1993-1995 // Oxford, The Oxford University
Press. – 1996.
[37] Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. App. Phys.
– 1994. – Vol. 76. – Pp. 1-24.
[38] A hot-electron direct detector for radioastronomy / B.S. Karasik, W.R.
McGrath, H.G. LeDuc and M.E. Gershenson // Supercond. Sci. Technol. –
1999. – Vol. 12. – Pp. 745-747.
99
[39] Design and construction of high sensitivity infrared bolometers for operation
at 300 mK / D.C. Alsop, C. Inman, A.E. Lange and T. Wilbanks. // Appl.
Opt. – 1992. – Vol. 31. – Pp. 6610-6615.
[40] A 100 mK bolometric receiver for low background astronomy / S.T.Tanaka,
A. Clapp, M.J. Devlin, M.L. Fischer, C. Hagmann, A.E. Lange, P.L.
Richards // SPIE Proc. Infrared Detectors and Instrumentation. – 1993. –
Vol. 1946. – P. 110.
[41] Schwarz S.E.and Ulrich B.T. Antenna-coupled infrared detectors // J. Appl.
Phys. – 1977. Vol. 48(5). – P.1870.
[42] Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в
резистивном состоянии / Е М. Гершензон, М Е. Гершензон, Г Н.
Гольцман, А Д. Семенов, А В. Сергеев // ЖЭТФ. – 1981. – T. 34, вып. 5.
– С. 281-285.
[43] Детекторы инфракрасного излучения на основе разогрева электронов в
резистивном состоянии пленок из
традиционных сверхпроводниковых
материалов / Е.М. Гершензон, Г.Н. Гольцман, Б.С. Карасик, Г.Я.
Луговая, Н.А. Серебрякова, Е.В. Чинкова // Сверхпроводимость:
физика, химия, техника. – 1992. – T. 5, вып. 6. – C. 1129.
[44] Nahum M., Richards P.L., and Mears C.A. Design analysis of a novel hot-
electron microbolometer // IEEE Trans.Appl.Supercond. – 1993. – Vol. 3,
no.1. – P. 2124.
[45] Nahum M. and Martinis J.M. Ultrasensetive-hot-electron microbolometer //
Appl. Phys. Lett. – 1993. – Vol. 63(22) . – P.3075.
[46] Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн // Москва:
Радио и связь – 1989. – C. 168.
[47] GaAs Schottky diodes for THz mixing applications / T.W. Crowe, R.J.
Mattauch, H.P. Roser, W.L. Bishop, W.C. Peatman, X. Liu // Proc. IEEE
Dept. of Electr. Eng., Virginia Univ., Charlottesville, VA: 1992 – Vol. 80, n.
11. – Pp. 1827-1841.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]