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
предметов под слоями одежды и других материалов. Более того, было
показано [16, 17], что в ТГц диапазоне длин волн многие вещества имеют
характеристический спектр, благодаря чему возможно не только обнаружение
интересующего нас объекта, но и определение вещества, из которого он
состоит. Для использования в пассивных системах детекторные устройства
должны обладать высокой чувствительностью и
быстродействием, оставаясь
при этом достаточно простыми в эксплуатации. Также они должны обладать
возможностью интегрирования в матрицы для получения изображения в
широком поле обзора и в реальном времени.
Поскольку чувствительность приемника увеличивается, как с
увеличением входной полосы частот приемника, так и с уменьшением его
внутренних шумов [18], то используют болометрические приемники прямого
детектирования (некогерентные), широкополосные по своей природе. При
этом чувствительность такого приемника ограниченна флуктуациями
фонового излучения и не ограничивается квантовыми шумами. Их частотная
полоса определяется только входными оптическими фильтрами, ее значение
обычно составляет 50 – 100 ГГц [19], но при этом разрешающая способность
очень низка. Не смотря на это, болометрические приемники находят
применение в спектроскопии
низкого и среднего разрешения
2
10
путем
их комбинации с Фурье-спектрометром [20].
В спектроскопии высокого разрешения по мере развития
радиоастрономии, как мы уже отмечали выше, применяют гетеродинные
приемники (когерен тн ые ), центральным элементом которых служит
малошумящий смеситель. В качестве смесителей для приемников,
рассчитанных для работы на частотах от 100 ГГц и до нескольких ТГц, до
недавних пор, находили применение
гетеродинные приемники со
смесителями на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). Глав н ым их достоинством
является то, что они могут работать в широком интервале температур,
включая комнатную. Их чувствительность, на частотах менее 1 ТГц, заметно
11
уступает чувствительности СИС смесителей (о которых говорится далее), но
при увеличении постоянной времени наблюдения, что не всегда приемлемо
для наблюдений, добиваются необходимых значений отношения сигнал/шум.
Основным недостатком является большая мощность гетеродина, требующаяся
для накачки ДБШ смесителей (порядка нескольких милливатт), что является
труднодостижимой задачей в ТГц диапазоне частот из-за отсутствия
достаточно мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.
Значительный прогресс в этой области был, достигнут с разработкой и
созданием малошумящего смесителя на основе туннельного перехода
сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, так называемого СИС смесителя
[21, 22]. Шумовая температура таких приемников всего в несколько раз
превышает квантовый предел, но резко возрастает на частотах выше
характеристической частоты щели
используемого сверхпроводника. Это
накладывает ограничение на область практического применения приемников
основанных на СИС смесителях. Максимальная частота, на которой работают
СИС смесители, на сегодняшний день, составляет 1.4 ТГц [23].
Дальнейшие исследования в области сверхпроводимости, в частности
исследование эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводниковых
пленках в середине 80-х годов привело к созданию в 90-е
годы нового класса
приборов – сверхпроводниковых болометров на горячих электронах, в
международной литературе обозначаемых как HEB (hot-electron bolometers)
[24].
Наряду с появлением в начале 90-х годов сверхпроводниковых HEB
смесителей был предложен еще один тип HEB смесителей, отличающихся от
первых типом используемых материалов. Это смесители ТГц и суб-ТГц
диапазона волн на эффекте разогрева двумерного электронного газа (2DEG) в
полупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs, предложенные в [25,
26]. Электроны в гетероструктурах AlGaAs/GaAs относительно слабо связаны
с фононами, поэтому даже для малых рассеиваемых мощностей наблюдается
эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме
12
детектирования ТГц излучения. Такие параметры гетероструктуры
AlGaAs/GaAs, как высокая подвижность электронов и температурная
нелинейность проводимости, позволяют реализовывать на ее основе
смесители, работающие при азотной температуре ≈ 77 К и выше. Охлаждение
смесителя до уровня температур жидкого азота, может легко осуществляться
при помощи компактных криогенных машин. Основными достоинствами
такого типа смесителей являются
относительно высокая рабочая температура,
например 77 К, и широкая полоса преобразования (до 20 ГГц для
диффузионного механизма охлаждения и до 37ГГц для баллистического [27,
28]).
Релаксация энергии двумерных электронов в гетероструктуре AlGaAs/
GaAs в диапазоне азотных температур осуществляется за счет неупругого
рассеяния на оптических колебаниях решетки, а в диапазоне гелиевых и
субгелиевых на акустических. При
микронных размерах чувствительного
элемента релаксация происходит посредством диффузии горячих электронов
в контакты. Актуальным является детальное изучение временных
характеристик процесса энергетической релаксации в таких структурах,
поскольку оно способствует разработке широкого класса новых
полупроводниковых приборов. Так электрон-фононное взаимодействие
играет важную роль в сверхбыстрых транзисторах на основе материала с
высокой подвижностью (HEMT) и квантово
-каскадных лазерах (QCL).
Последние представляют собой новый класс источников излучения
терагерцового диапазона, которые уже продемонстрировали свое успешное
использование в ТГц приемниках [29, 30].
В настоящее время многие проекты субмиллиметровой
супергетеродинной радиоастрономии и зондирования атмосферы в
терагерцовом диапазоне основаны на СИС смесителях, диодах Шоттки и на
сверхпроводниковых смесителях на горячих электронах (HEB). Каждый из
представленных типов смесителей обеспечивает работу в том, или ином
диапазоне частот, где его характеристики существенно лучше, чем у
13
остальных. Благодаря сильной температурной зависимости сопротивления в
условиях перехода в сверхпроводящее состояние HEB смесители обладают
очень высокой чувствительностью. За прошедшие годы технология этих
смесителей значительно продвинулась вперед и на сегодняшний день они
обладают наилучшими характеристиками и не имеют аналогов на частотах
выше 1.2 ТГц. Такие параметры как низкая шумовая температура 950 К на
частоте
гетеродина 2.5 ТГц [31], измеренная в двухполосном режиме, и
низкая требуемая мощность гетеродина (десятки нановатт – единицы
микроватт) определяют HEB смесители, как единственный приемлемый тип
для использования в современных радиоастрономических проектах на
терагерцовых частотах.
Электронный разогрев в тонких разупорядоченных
сверхпроводниковых металлических пленках обладает двумя очень важными
свойствами: коэффициент поглощения не зависит от частоты, вплоть
до
видимого диапазона частот и время релаксации электронов в таких
структурах очень мало (для пленок NbN ≈ 10
-11
с). Это позволяет реализовать
смесители с полосой промежуточных частот более 10 ГГц [32] и работающие
на более высоких частотах гетеродина, чем разработанные к настоящему
времени.
Наиболее перспективным и исследованным сверхпроводниковым
материалом, используемым для изготовления HEB смесителей к моменту
начала исследования являлся NbN. Главным его достоинством является малое
время электрон-фононного взаимодействия, в отличие от
других материалов,
таких как, например Nb [33]. Так, значение времени электрон-фононного
взаимодействия для NbN ~ 15 пс при температуре порядка 10 К, что в свою
очередь соответствует полосе ПЧ 10.6 ГГц. Однако полоса преобразования,
достигнутая для NbN смесителей c фононным каналом охлаждения к моменту
начала работы, составляла 4.5 ГГц для плёнок толщиной 3.5-4 нм,
осаждённых на подложку из кристаллического MgO [34]. Многие
международные
проекты, уже находящиеся на стадии реализации,
14
предполагают использование сверхпроводящих смесителей на электронном
разогреве в приёмниках высокочастотных каналов. Вместе с тем, в ряде
современных проектов, находящихся на стадии разработки и направленных
на радиоастрономические исследования с космическим базированием, к
смесителям уже предъявлены требования, которые потребуют значительных
усилий в их разработке и оптимизации. Одним из наиболее
труднодостижимых требований является широкая
полоса преобразования
(более 6 ГГц) при низкой шумовой температуре, превышающей не более чем
в несколько раз квантовый предел.
Одним из перспективных направлений увеличения полосы
преобразования является поиск новых для технологии HEB смесителей
сверхпроводящих материалов, способных осаждаться в ультратонкие
сверхпроводящие пленки, которые будут иметь лучшее акустическое
согласование с технологически важными материалами для подложек
, такими
как: кремний, сапфир, кварц и демонстрирующих неравновесный отклик с
постоянной времени пикосекундного диапазона. Также не исключается
возможность и поиска новых материалов для подложек, которые бы имели
лучшее акустическое согласование с имеющимися сверхпроводящими
пленками, такими как NbN или NbTiN. Этот поиск – длительный и
трудоёмкий процесс, поскольку разработка процесса осаждения тонких
сверхпроводящих плёнок
требует значительных временных и материальных
затрат.
Перспективными материалами для разработки HEB смесителей
представляются сверхпроводящие материалы и их сплавы с достаточно
высокой критической температурой (такие как Nb
Ge, Nb3Al и др. с
3
критической температурой до 20 К) и способные осаждаться в тонкие
сверхпроводящие пленки. Априори, невозможно указать на какой-либо
сверхпроводник, который впоследствии окажется удачным с точки зрения
технических применений; в частности одновременное выполнение всех
условий для реализации широкой полосы преобразования может наблюдаться
15
далеко не всегда. Весьма перспективным материалом является NbZr,
имеющий довольно высокую критическую температуру (в объеме порядка
11 К), при этом он имеет весьма хорошие механические свойства и устойчив
к воздействию окружающей среды.
Подводя итог написанному, отметим, что такой важный параметр, как
полоса промежуточных частот, у существующих на сегодняшний день
гетеродинных приемников ТГц
диапазона частот не удовлетворяет запросам
современной радиоастрономии и других практических приложений. Также
необходимо отметить, что принципиально достижимое значение этого
параметра еще далеко от значений экспериментально полученных на
сегодняшний день. Из этого следует, что для дальнейшего успешного
применения этого типа смесителей в создаваемых и планируемых
радиоастрономических проектах и других практических приложениях,
потребуется
затратить значительные усилия в их разработке и оптимизации.
Практическая значимость работы подтверждается использованием
разрабатываемых HEB смесителей в ряде международных проектов, которые
ориентированы на радиоастрономические наблюдения APEX [35] и
HERSHEL [10], а также проектов направленных на исследование атмосферы
Земли - SOFIA [9] и TELIS [6]. Значимость подтверждается и разработкой
новых международных радиоастрономических проектов, таких как, FIRI [11]
и МИЛЛИМЕТРОН [8].
Основные результаты работы опубликованы
в 10 печатных работах,
список которых приведён в конце монографии, и докладывались на
следующих научных конференциях и симпозиумах:
Международной научно-практической конференции
«Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»
(Москва, 2004);
7-я Российская конференция по физике полупроводников (Звенигород,
2005);
16
Международная конференция студентов, аспирантов и молодых
ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва,
2005);
17, 18 и 19-ом международном симпозиуме по космическим
терагерцовым технологиям (Франция, США и Голландия, 2006,2007 и
2008)
4-ой международной конференции «Антенны, радары и
распространение радиоволн» (Канада, 2007).
17
Глава 1. Обзор литературы
В этой главе мы кратко проведем обзор современных приёмников
миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн и работ
посвященных исследованию явления электронного разогрева.
§1.1 Болометрические приемники прямого детектирования
Наиболее чувствительными приемниками суб-ТГц и ТГц диапазонов
частот являются некогерентные приемники прямого усиления, основанные на
криогенных болометрах [36, 37]. Болометр является прибором, который
реагирует на поглощенное излучение изменением собственной температуры,
которая регистрируется термометром. Любой болометр состоит из
поглотителя находящегося в термоконтакте с жаростойким корпусом
(термостатом) и термометром, который конвертирует изменение температуры
в электрический сигнал. Основными параметрами этого типа приемников
являются – постоянная времени, чувствительность и коэффициент шума. Эти
параметры в основном зависят от теплофизических свойств болометра и
условий, в которых он работает. Традиционно этот тип приемников
рассматривается как медленные приборы, поскольку чувствительность и
быстродействие напрямую связанны друг с другом. Для увеличения
быстродействия болометров необходимо быстро, то есть эффективно,
отводить тепло, возникшее под действием излучения. В свою очередь
эффективный теплоотвод приводит к уменьшению нагрева излучением, а,
следовательно, к потере чувствительности.
18
Чувствительность болометрических приемников выражается в едини-
P2k
f
f
цах эквивалентной мощности шума – NEP измеряемого в единицах
( Вт/Гц
1/2
). Для традиционных болометров квадрат этой величины
пропорционален константе Больцмана – k, квадрату температуры болометра –
T и теплопроводности G между болометром и тепловым резервуаром:
NE
2
. (1)
T
G
Соответственно, для уменьшения NEP, во-первых, можно уменьшать
температуру болометра и переходить в область сверхнизких температур, что
уже успешно делается в последние годы [38]. Во-вторых, можно уменьшать
теплопроводность G, но здесь есть одно существенное ограничение, G
связанно с теплоемкостью болометра С через постоянную времени болометра
τ, как
CG . Таким образом уменьшая G необходимо уменьшить и величину
C, чтобы сохранить величину τ меньше характеристического времени
модуляции сигнала (
1(2
), где
)
0
– максимальная частота модуляции
0
сигнала. Для практического применения в наблюдениях шум болометра
должен быть ниже фонового шума.
В ряде работ [36 ,37, 39] были исследованы композитные германиевые
болометры. Абсорбером для них являлась металлическая пленка, напыленная
на тонкую диэлектрическую подложку, подвешенную на тонких волокнах
(для уменьшения теплопритока). Полупроводниковый термистор
приклеивается на абсорбер. Чувствительность этих болометров достигла
величины NEP~1×10
1/2
Вт/Гц
с τ 30 мс при T=100 мК [40]. Однако они очень сложны в
-16
Вт/Гц
1/2
с τ11 мс при T=300 мК [39], NEP~2×10
-17
производстве и обладают малой механической прочностью, что мешает
объединять их в матрицы. Эти недостатки были устранены при
использовании интегральной технологии. Такой болометр создается
следующим образом, в кремниевой пластине вытравливается окно, в котором
19
остается тонкая мембрана толщиной в несколько микрон. Небольшой участок
мембраны легированный бором представляет собой термистор.
Наблюдающаяся в этом случае прыжковая проводимость имеет сильную
температурную зависимость, что обеспечивает болометру высокую вольт-
ваттную чувствительность (~109 В/Вт). Эквивалентная мощность шума для
кремниевого болометра [37] составила порядка 7×10
-18
Вт/Гц
1/2
с τ6 мс при
температуре 70 мК. Для большей абсорбции излучения мембрана
дополнительно покрывается тонкой пленкой висмута.
В 70 годах 20 века был предложен новый подход в разработке и
оптимизации болометров [41]. Так как NEP~S, где S – площадь болометра, а
вольт-ваттная чувствительность пропорциональна объему болометра, то
интегрируя его с антенной, удается достичь значительного улучшения
параметров приемника. При этом геометрический размер болометра может
свободно меняться, поскольку поглощение излучения происходит в антенне.
Однако здесь следует оговориться, так как рабочий диапазон используемых
антенн зависит от их геометрических размеров, поэтому необходимо искать
компромисс между размером болометра и верхней границей рабочего
диапазона антенны. На практике для болометров широко используются
различные типы планарных антенн [37].
Скачком в достижении одновременно высокой чувствительности и
быстродействия болометров было решение использовать для нагрева
электронный газ в сверхпроводящей пленке, а его переход в сверхпроводящее
состояние, как термометр электронной температуры. Электронный газ в
металлах остывает очень быстро, то есть время срабатывания болометра на
основе разогрева электронного газа излучением – это время электрон-
фононного взаимодействия в сверхпроводящем материале [42, 43]. Было
предложено создание интегрального болометра на горячих электронах в
нормальном металле [44]. Термоизоляция электронов, в данном случае,
достигается благодаря использованию сверхпроводящих контактов,
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]