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
+
Si n GaAs
нелегированный AlGaAs
нелегированный GaAs
Омические
контакты
+
Si n AlGaAs
+
Si n GaAs
2DEG
подложка GaAs
Рис. 5. Схематическое изображение разреза исследованной в работе
гетероструктуры AlGaAs/GaAs
Подвижность носителей
характеристики
где
ρ(Т) – удельное сопротивление, ns – поверхностная концентрация
R(T), определялась как:
согласно соотношению (38) и, используя
()
,
1
e
(T) n
, (38)
(T)
s
электронов, найденная из измерений периода осцилляций
магнитосопротивления (осцилляций Шубникова-де-Гааза) при температуре
жидкого гелия 4.2 К и пересчитанная для температуры
Т=77 К. Для
исследуемых структур при температуре 77 К, были рассчитаны значения
коэффициента диффузии
фононного пробега
использовали среднее значение
D и получены оценки для длины электрон-
l
. Хотелось бы отметить, что для оценки l
e-ph
τ
≈ 40 пс, которое было получено нами в
e-ph
e-ph
мы
измерениях и подтверждается другими работами по данной теме [27].
Полученные характеристики электронного газа, приведенные в таблице 3, и
размер активной части детекторов определялись размерами меза-структуры
(рис. 11).
Таблица 3. Параметры 2D газа в смесителях при Т=77 К
№
,×105 см2/В·с
1 2.3
ns ,×1011 см
-2
l, мкм w, мкм D, см
3 1600 300 1527 7.7
2
/с l
e-ph
, мкм
5 1.1 3.5 190 60 730 5.3
51
15 0.24
760 0.77
2.5 35 100 159 2.5
7.5 1000 500 511 4.4
Для согласования с излучением смесители сопрягались с планарной
логарифмической спиральной антенной, оптимизированной для работы в
полосе частот 100 – 600 ГГц. Фотографии смесителя с интегрированной
антенной, полученные с помощью оптического микроскопа и сканирующего
электронного микроскопа, представлены на рис. 12.
Рис. 6. Конфигурация центральной части смесителя
Рис. 7. Фотографии центральной части смесителя интегрированного со спиральной
антенной (слева – снимок, сделанный с помощью оптического микроскопа, справа –
снимок, сделанный с помощью сканирующего электронного микроскопа)
52
§2.4 Методики измерения и описание экспериментальных уста-
B
новок для исследования смесителей на основе гетероструктуры
AlGaAs/GaAs при температуре 77 К
§2.4.1 Поверхностная концентрация носителей ns, вольт-
амперные характеристики и температурная зависимость сопротивления
Осцилляции Шубникова-де-Гааза являются основой как при изучении
явлений протекающих в гетероструктурах, так и при определении основных
характеристических параметров 2D газа. Если перпендикулярно слою с 2D
газом приложить достаточно сильное магнитное поле, то энергетический
спектр электронов становиться полностью дискретным и их движение
описывается уровнями Ландау. При изменении магнитного поля E
Ферми последовательно пересекает уровни Ландау, создавая при этом
осцилляции в продольной компоненте сопротивления структуры.
Концентрация 2D электронов при этом определяется из выражения:
e
s
, (39)
1
где
B1 B
n
1
1
B
(n – натуральное число 1,2,3,…) разница обратных величин
n1
n
напряженности магнитного поля B, соответствующая двум соседним
экстремумам сопротивления R.
Для измерения осцилляций образец помещался в центр
сверхпроводящего соленоида перпендикулярно его оси. Затем соленоид
вместе с образцом помещался в транспортный сосуд Дьюара с жидким гелием
при температуре 4.2 К. При помощи источника питания «СТС-60» через
сверхпроводящий соленоид пропускался постоянный ток величиной до 60 А,
что обеспечивало в центре соленоида однородное магнитное поле с
индукцией В=4 Тл. Величина магнитного поля контролировалась нами по
– энергия
F
53
силе тока, протекающего через соленоид. Для записи осцилляций
использовался двухкоординатный графопостроитель «Н307/1». Питание
образца осуществлялось с помощью источника постоянного тока Keithley
224. Чтобы ток, текущий через образец, не подавлял осцилляции
магнитосопротивления, его значение было достаточно малым в пределах 1-
10 мкА. Типичная картина осцилляций образцов с 2D газом приведена на рис.
13.
Измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) и температурных
зависимостей сопротивления (R(T)) проводились нами как на постоянном
токе, так и на переменном токе малой частоты (100 Гц), с использованием
фазочувствительного усилителя «Lock-in Amplifier SRS 810 DSP», чтобы
избавиться от нелинейности сопротивления контактов.
Рис. 8. Зависимость сопротивления структуры AlGaAs/GaAs от величины
магнитного поля
54
§2.4.2 Методика измерения полосы преобразования смесителей
на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77К
Для измерения полосы преобразования смесителя на основе
AlGaAs/GaAs нами применялся метод миллиметровой спектроскопии с
высоким временным разрешением. Данный метод получил широкое
распространение при изучении сверхпроводниковых и полупроводниковых
структур. В нашем эксперименте мы измеряли времена энергетической
релаксации τ
~ 4 ГГц.
Схематическое изображение экспериментальной установки для
измерения полосы преобразования смесителя приведено на рис. 14. Мы
использовали высокочастотные генераторы Г4-161, основой которых
являются лампы обратной волны, имеющие рабочий диапазон частот 126.5 –
146 ГГц. Стабильность разностной частоты генераторов составляет 1 МГц ,а
шаг перестройки частоты 10 МГц. Частота сигнального генератора
устанавливалась равной fS = 129.2 ГГц, а частота гетеродинного fLO менялась в
пределах 129.2-139.2 ГГц, что обеспечивало в эксперименте диапазон
промежуточных частот f
квазиоптическому тракту, содержащему делитель луча, через тефлоновое
окно криостата и кремниевую линзу в форме вытянутой полусферы,
закрепленную в смесительном блоке, подводилось к смесителю. Образец был
установлен в фокус линзы, выполненной из высокоомного кремния, что
обеспечивало согласование смесительного элемента с принимаемым
электромагнитным излучением. При этом мощность гетеродина на ≈ 7 dB
превышала мощность сигнального генератора, что контролировалось
термисторным измерителем мощности. Уровень мощности на выходе
каждого из генераторов можно было независимо регулировать с помощью
квазиоптических аттенюаторов установленных в тракте. Сигнал
промежуточной частоты (ПЧ) снимался при помощи микрополосковой линии
-8
<10
с, которые соответствуют промежуточной частоте сигнала
е
IF=fLO-fS
≈ 0.01 – 10 ГГц. Излучение генераторов по
55
с планарно-коаксиальным переходом и отрезка полужесткой коаксиальной
линии. Фотография смесительного блока представлена на рис. 15. Один из
контактов смесителя соединялся со смесительным блоком, обеспечивая при
этом достаточно хороший тепловой контакт образца, что гарантировало в
экспериментах температуру кристаллической решетки TL=77 K. Сигнал ПЧ
выводился из криостата и через широкополосный адаптер смещения поступал
на цепочку широкополосных усилителей ПЧ. Посредством этого же
адаптера постоянный ток смещения подавался на смеситель. В качестве
источника постоянного тока смещения использовался цифровой
программируемый источник Keithley 224, позволяющий осуществлять
развертку тока во времени и тем самым автоматизировать процесс измерения
ВАХ. Цепочка широкополосных усилителей ПЧ обеспечивала коэффициент
усиления сигнала ≈ 50 dB в диапазоне частот 0.1 – 10 ГГц. Усиленный сигнал
регистрировался с помощью термисторного измерителя мощности М3-22А с
термисторной головкой с рабочим диапазоном частот 0.1 – 12 ГГц.
Рис. 9. Схема экспериментальной установки для измерения полосы преобразования
смесителей на основе 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при Т=77 К
56
Полоса ПЧ смесителя (f
P
f
сти мощности сигнала смесителя
) определялась нами из частотной зависимо-
3dB
P
(при фиксированной мощности как сиг-
IF
нального, так и гетеродинного источников) в соответствии с [92]:
(
IF
P
IF
где P
(0) – мощность ПЧ сигнала на частоте f
IF
(0)
)
IF
1
1
( fIFf
, (40)
2
)
3dB
=0.
IF
Рис. 10. Фотография смесительного блока с полусферической линзой и
микрополосковым съемом сигнала
При полосовых измерениях актуальным вопросом является вопрос од-
нородности частотной характеристики тракта ПЧ, поскольку он имеет собст-
венную частотную зависимость, обусловленную неоднородностями,
возникающими в соединениях. Для устранения такого типа искажений,
вводилась специальная калибровка, получаемая путем измерения частотной
зависимости всего тракта ПЧ. В нашем случае тракт имел свою частотную
характеристику коэффициента усиления
, представленную на рис. 16. Эта
зависимость была получена с помощью панорамных измерителей
комплексных коэффициентов передачи Р4-36, Р4-37, Р4-38, которые
позволяют измерять АЧХ тракта во всем частотном диапазоне (1 МГц
–
12 ГГц). Для устранения возможного влияния на эксперимент со стороны
измерительных приборов и внешних устройств все провода и соединения
входящие в установку тщательным образом экранировались.
57
Рис. 11. Частотная характеристика тракта ПЧ
§2.5 Методика измерения полосы ПЧ HEB смесителей на основе
сверхпроводящих пленок NbZr
Для измерения полосы преобразования смесителя на основе NbZr нами
применялся уже описанный выше метод миллиметровой спектроскопии с
высоким временным разрешением с некоторыми изменениями.
Схематическое изображение экспериментальной установки для
измерения полосы преобразования HEB смесителей на основе тонких пленок
NbZr приведено на рис. 17. Мы использовали высокочастотные генераторы
Г4-161, основой которых являются лампы обратной волны, имеющие рабочий
диапазон частот 126.5
генераторов 1 МГц, а шаг перестройки частоты 10 МГц. Частота сигнального
генератора устанавливалась равной
менялась в пределах 129.2
диапазон промежуточных частот
генераторов по квазиоптическому тракту, содержащему делитель луча,
фокусировалось фторопластовой линзой, тем самым обеспечивая
– 146 ГГц. Стабильность разностной частоты
f
=129.2 ГГц, а частота гетеродинного fLO
S
– 131.2 ГГц, что обеспечивало в эксперименте
fIF=fLO-f
≈ 0.01 – 2 ГГц. Излучение
S
58
согласование смесительного элемента с принимаемым электромагнитным
излучением, и через оптическое окно криостата из фторопласта, подводилось
к смесителю, закрепленному в держателе.
Сигнал ПЧ снимался при помощи микрополосковой линии с планарно-
коаксиальным переходом и отрезка полужесткой коаксиальной линии.
Фотография держателя для смесителей на основе NbZr представлена на рис.
18. Образец прижимался к поверхности держателя
из латуни, что
обеспечивало хороший тепловой контакт образца и холодной платы
гелиевого криостата, а также гарантировало температуру образца порядка
4.5 К. Образец был установлен напротив центра оптического окна криостата.
Мы имели возможность менять температуру держателя и одновременно
отслеживать ее благодаря размещению на держателе нагревателя и
калиброванного термометра (Allen Bradley).
Фторопластовая
линза
Аттен. 2
СВЧ
Нагрузка
Генератор 1
Образец
Окно
криостата
Нагреватель
Держатель
образа
Термометр
Адаптер
смещения
Источник
смещения
Вакуумный
криостат
Усилитель
Источник
питания
4.2К
Измеритель
мощности
Генератор 2
Делитель
Аттен. 1
луча
Рис. 12. Блок-схема экспериментальной установки для измерения полосы
промежуточных частот сверхпроводниковых смесителей на основе NbZr
59
Рис. 13. Фотография держателя для измерения временных характеристик тонких
мостиков из NbZr
Температура нагревателя достаточно легко варьировалась путем
пропускания постоянного тока через нагреватель. Сигнал ПЧ выводился из
криостата и через широкополосный адаптер смещения поступал на цепочку
широкополосного усилителя ПЧ. Посредством этого же адаптера постоянный
ток смещения подавался на смеситель. Значение мощности сигнала на ПЧ
определялось при помощи цифрового измерителя мощности М3-22А с
термисторной головкой с рабочим диапазоном 0.03
– 7.5 ГГц.
Измерения полосы преобразования для смесителей субмикронных
размеров производятся в режиме, оптимальном по чувствительности. Этот
режим достигается при возможно более низкой физической температуре
смесителя, вблизи критического значения температуры
T
. В этом случае
c
работает так называемая модель однородного электронного разогрева, в
рамках которой и проводился анализ работы смесителей. Данная модель
предполагает однородность электронной и фононной температуры по всему
объему пленки, вследствие этого поглощение электромагнитного излучения
высокой частоты происходит равномерно по всей площади мостика. Также
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]