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
также вводится понятие эффективная температура электронного газа Те. Это
температура, устанавливающаяся в группе электронов с высокой концентра-
цией, при этом взаимодействие электронов между собой доминирует над
процессами рассеяния электронов на остовах кристаллической решетки.
Причем при любом начальном распределении электронов быстрое электрон-
электронное взаимодействие приводит к равновесию внутри электронного
газа и тогда, как мы уже отмечали выше можно приписать
электронную температура Т
.
е
ему эффективную
41
§1.6 Смесители на основе эффекта электронного разогрева в
полупроводниках
Начало исследованиям эффекта электронного разогрева положили пер-
вые эксперименты по разработке смесителей и детекторов для миллиметро-
вого диапазона. Эксперименты касались исследования данного эффекта в по-
лупроводниках InSb [109, 110]. Уже через несколько лет после этого в 1972
году смеситель на горячих электронах, на основе полупроводника InSb, ох-
лажденный до температуры 4.2 К, был использован в качестве приемника
астрономических наблюдений [111]. Однако не все параметры InSb смесителя
были так хороши на тот момент времени, как его шумовая температура
~500 К на частоте 500 ГГц. Полоса преобразования такого смесителя была
довольно узкой и составляла всего 1 МГц (времена релаксации электронов
~1 мкс).
В настоящее время исследуются различные полупроводниковые гете-
роструктуры, но наибольший интерес
представляют исследования двумер-
ного электронного слоя на границе гетероперехода AlGaAs/GaAs. В этом ма-
териале достигнута максимальная, по сравнению с другими, подвижность при
низких температурах [112], что позволяет изучать электрон-фононное
взаимодействие при энергетической релаксации двумерных электронов с
достаточно большой точностью.
Высокие значения подвижности двумерных (2D) электронов и темпе-
ратурной нелинейности проводимости гетероструктур AlGaAs/GaAs позво-
лили
предположить реализацию на их основе смесителей ТГц и суб-ТГц диа-
пазона частот, работающих при температуре жидкого азота 77 К, что весьма
актуально ввиду высокой рабочей температуры и легкости ее достижения в
лабораторных условиях. Впоследствии в качестве HEB полупроводниковых
смесителей на основе разогрева 2D были предложены гетероструктуры
AlGaAs/GaAs [113, 114, 27].
Роль теплового резервуара для такого типа
приемников играет кри-
для
42
сталлическая решетка с температурой Tl , активная часть – это 2D газ с тем-
P
пературой T
, а роль термометра выполняет зависимость R(Tel). Температура
el
электронного газа или сопротивление детектора пропорционально погло-
щенной мощности высокочастотного излучения, а нелинейность, необходи-
мая для смешения сигналов, проявляется в том, что поглощенная мощность
пропорциональна квадрату амплитуды излучения. Поэтому при воздействии
сигнального и гетеродинного источников с близкими частотами электронная
температура будет изменяться пропорционально квадрату напряжения воз-
действующих источников:
2
U(t)
~ tT
R
sLO
2
(27)
.
)cos(Ut)cos(U~
sLOel
После гетеродинного преобразования помимо составляющей на
промежуточной частоте
IF
, образуются составляющие на нулевой
s
LO
частоте и на удвоенных частотах сигнала и гетеродина. Однако если
1
e
определяющее полосу промежуточных частот смесителя как
изменение электронной температуры T
большие, чем промежуточная частота. Следовательно, T
, где τе – время релаксации электронной температуры,
s,
LO
f
3dB
не может отслеживать частоты
el
и R смесителя будут
el
1
, то
2
e
модулированы только с промежуточной частотой. Сигнал ПЧ на выходе
смесителя при его смещении постоянным током будет равен:
i
t
PIF 2 PsPLOe
IF
. (28)
Эффективность преобразования смесителя определяется как:
IF
. (29)
P
s
Если на выходе смесителя находится нагрузка с сопротивлением R
(
P
I
(dR /dTe)
LO
)
IF
R R
b
L
1
G
1
(
eff
IF
то:
L
, (30)
2
)
eff
при этом
43
DC
T
T
T
eff
G
eff
где
и τ
– время релаксации электронной температуры и его эффективная
eff
T
e
величина, G и G
– теплопроводность между электронами и тепловой ванной
eff
и ее эффективное значение, V – объем чувствительного элемента, C
T
e
,
)1(
VC
e
,
GG
2
I
b
(31)
T
e
),1(
dR
,
dT
e
–
e
теплоемкость электронной подсистемы. Параметр β описывает эффект
обратной связи и если эта величина мала, то
эффективных значений τ
eff
и G
. Таким образом, при смещении смесителя
eff
и G мало отличаются от
T
e
постоянным током (режим генератора напряжения) небольшое увеличение
сопротивления будет приводить к увеличению рассеиваемой мощности и
соответственно к увеличению T
в силу соотношения
e
болометров на основе 2DEG величина dR/dT
>0 и увеличение Te станет
e
P
2
I
R(Te). Для
b
причиной увеличения его сопротивления. Если же смещать смеситель
постоянным напряжением (режим генератора тока) все происходит с
точностью до наоборот. Следует отметить, что этот эффект влияет на
величину отклика на внешнее излучение и на величину флуктуаций
электронной температуры T
.
e
Внутренними механизмами шумов смесителя на основе разогрева 2D
газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs являются: тепловой шум Джонсона и
фононный шум или шум флуктуаций электронной температуры T
[98, 92,
e
115]. Таким образом, суммарный шум на выходе смесителя будет
определяться как:
N( out)
N( J)
, (32)
N( ph)
44
где T
R
– тепловой шум Джонсона, T
N(J)
– фононный шум. Фононный шум
N(ph)
появляется благодаря квантово-механической природе тепловой связи
электронной подсистемы с кристаллической решеткой смесителя. Вклад
фононного шума может быть записан в следующем виде:
I
(dR / dTe)2T
b
T
N( ph)
В приближении Рэлея-Джинса для теплового шума можем считать T
2
e
. (33)
G
≈ Te.
N(J)
Двухполосная шумовая температура приемника выражается стандартным
выражением [115]:
L
T , (34)
– потери преобразования в однополосном режиме, TIF – шумовая
где L
c
c
DSBN
2
)(
TT
)()( IFoutN
температура усилителя ПЧ, как правило, это криогенный усилитель (при
рабочей температуре 77 К T
≈ 20 К).
IF
§1.7 Смесители с фононным и диффузионным механизмами
охлаждения 2D электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs
В диапазоне температур Te≥77 К наиболее эффективными механизмами
рассеяния горячих 2D электронов являются: рассеяние на оптических
фононах и диффузия в холодные контакты. Механизм диффузии является
доминирующим, когда расстояние между контактами l меньше длинны
свободного пробега электрона без его рассеяния на фононе l
выражается как:
. Величина l
e-ph
e-ph
Dl
, (35)
pheephe
где
De – коэффициент диффузии электронов, τ
– время релаксации путем
e-ph
электрон-фононного взаимодействия [27, 82]. Коэффициент диффузии
вычисляется из отношения Эйнштейна:
Tk
eB
. (36)
D
e
e
45
l
F
Баллистический механизм охлаждения реализуется в том случае, если
электроны с избыточной энергией не испытывают упругих столкновений до
попадания в холодные контакты. Условие его осуществления
– расстояние
между контактами много меньше длинны свободного пробега электрона
l<<l
.
el
m*
F
lel
υF – скорость Ферми, m* – эффективная масса электрона в GaAs. В этом
где
случае полоса ПЧ такого смесителя будет определяться временем
, (37)
e
bol
, за
которое электрон без столкновений преодолевает расстояние между
контактами [28]. Таким образом, от величин таких параметров 2DEG
T
смесителя как:
, l и μ будет зависеть, какой из механизмов энергетической
e
релаксации преобладает в данном смесителе.
Основываясь на результатах исследования электрон-фононного
взаимодействия в AlGaAs/GaAs гетероструктурах [
определена.
, Ошибка! Закладка не определена., 115], было показано, что полоса
Ошибка! Закладка не
преобразования AlGaAs/GaAs смесителя, работающего при температуре
T=77 K, составит ~3 ГГц при фононном канале охлаждения горячих
электронов [113, 114]. Смесители на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs с
диффузионным и баллистическим охлаждением носителей,
продемонстрировали значения полос ПЧ ~20.8 ГГц (на частотах сигнала
115÷140 ГГц) и ~40 ГГц (на частотах сигнала 105÷145 ГГц) [27, 28]. Потери
преобразования
L, для смесителя с диффузионным каналом охлаждения на
основе 2DEG при рабочей температуре 77 К и мощности гетеродина
P
=10 мкВт, составили 191 дБ, для смесителя с баллистическим
LO
охлаждением
L=19 дБ при P
=0.8 мкВт. Теоретическая оценка шумовой
LO
температуры приемника на основе AlGaAs/GaAs смесителя дала значения
T
~1500÷2000 К на частоте гетеродина 1 ТГц [115], что сравнимо с
N
характеристиками сверхпроводниковых HEB смесителей на этой же частоте.
Оценка оптимальной мощности гетеродина (
P
) для AlGaAs/GaAs
LO
46
смесителя, проведенная в этой же работе, позволила найти значение PLO ~
1 мкВт при субмикронных размерах смесителя. Это в свою очередь делает
возможным создание на основе таких смесителей многоэлементных матриц,
что является очень востребованным во многих практических приложениях
для такого рода устройств.
47
Глава 2. Описание исследуемых образцов и методов
измерений
Данная глава посвящена описанию HEB смесителей на основе тонких
пленок NbN, NbZr и на основе 2DEG гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Также в
ней рассматривается методический аспект проведенных экспериментов и
описание используемых экспериментальных установок.
§2.1 Смесители на основе тонких пленок NbN
Типичный размер смесителей на основе NbN составил 2×0.25 мкм2
(ширина×длина). Критическая температура перехода смесителей составила
≈ 7.8 К и сопротивление при комнатной температуре порядка 160 Ом. Для
необходимого согласования болометра с принимаемым электромагнитным
излучением использовалась логопериодическая антенна, оптимизированная
для работы на частоте 2.5 ТГц. На рис. 7 представлена фотография планарной
логопериодической антенны исследуемых смесителей, и фотография ее
центральной части, где находится сам
сканирующего электронного микроскопа.
болометр, полученные с помощью
Рис. 3. Фотография планарной логопериодической антенны и фотография
центральной части антенны (в верхнем правом углу), сделанные с помощью
сканирующего электронного микроскопа
48
§2.2 Смесители на основе тонких пленок NbZr
Методами фотолитографии и травления из пленки NbZr с различной
толщиной (10, 20 и 50 нм) были сформированы мостики. Типичный размер
мостиков составил 10×1 мкм
рис. 8 представлена фотография одного из исследованных мостиков,
сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Рис. 4. Фотография NbZr мостика на подложке из сапфира, сделанная помощью
сканирующего электронного микроскопа
Измерения ВАХ и зависимостей R(T) на постоянном токе
свидетельствуют о том, что полученные NbZr мостики с толщинами 10
50 нм демонстрируют сверхпроводниковые свойства. Результаты этих
измерений представлены в таблице 2.
2
(длина×ширина) и толщиной 10, 20 и 50 нм. На
–
Таблица 2. Характеристики NbZr мостиков различной толщины по постоянному
току
Толщина пленки, d (нм) 8 10 20 50
Критическая температура, Tc (K) 4.3 7.3 7.5 9.1
Ширина сверхпроводящего перехода, ΔTc (K) 0.2 0.09 0.06 0.02
Критическая плотность тока при 4.2K, jc×106 (A/см2) - 1.1 1.5 4
Поверхностное сопротивление, Rs (Ом/кв) 135 90 37 12
49
Сравнительно большая длина сверхпроводящего мостика позволяет
избежать процесса релаксации разогретых электронов путем их диффузии в
холодные контакты и, тем самым, искажения результатов по определению
характеристического времени электрон-фононного взаимодействия и ухода
неравновесных фононов в подложку. Большие размеры активного участка не
позволяют использовать в этом случае высокочастотную планарную
спиральную антенну, поэтому для
изучения временных характеристик
мостиков мы выбрали частоту излучения порядка 130 ГГц.
§2.3 Смесители на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs
Исследуемые структуры были изготовлены на основе одиночного
гетероперехода Al
лучевой эпитаксии на подложке из полуизолирующего нелегированного GaAs
(г. Новосибирск). Молярная доля Al в соединении Al
x=0.28
– 0.3. Разрез структуры представлен на рис. 9; на полуизолирующей
подложке GaAs располагается слой нелегированного буферного слоя GaAs
толщиной 1.5 мкм, спейсерный слой нелегированного AlGaAs толщиной
12 нм и слой однородно легированного кремнием AlGaAs толщиной 60 нм.
Для улучшения омического контакта к 2D газу был использован верхний
сильно легированный Si слой GaAs (концентрация легирующей примеси
18
1×10
см-3) толщиной 50 нм.
Изначально измерялись параметры 2D газа смесителей и проводились
измерения на постоянном токе, к которым относятся ВАХ и зависимости
R(T). Типичные контактные сопротивления структур составили 10
As/GaAs, выращенного методом молекулярно-
xGax-1
As составила
xGax-1
-3
Ом×см2.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]