Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Широкополосные высокостабильные терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN. Монография
.pdf
LD
=π τ (2)
th
где D – коэффициент дифузии материала; t
,
Θ
– время релак-
Q
сации электронной температуры.
Тогда горячие электроны будут уходить из смесителя в нор-
мальные контакты до рассеивания на фононах. Ширина полосы преобразования смесителя с диффузионным каналом
охлаждения обратно пропорциональна квадрату длины мостика и может достигать 9 ГГц [33]. Однако здесь имеется ряд
трудностей, ограничивающих применение смесителя с диффузионным каналом охлаждения в практических приборах.
Как было отмечено, для обеспечения широкой полосы преобразования длина смесительного элемента должна быть много
меньше тепловой длины. Это значит, что тепловой домен, образующийся, например, при поглощении пленкой электромагнитного излучения или при выделении джоулева тепла,
будет быстро схлопываться, что приведет к тому, что вольтамперная характеристика такого смесителя будет срывной.
Оптимальная же по шумовой температуре область на вольтамперной характеристике находится очень близко к точке
срыва, а это означает, что приемник будет нестабилен. Далее,
малость размеров смесительного элемента делает его весьма
чувствительным к статическому электричеству.
HEB может быть использован как смеситель благодаря
тому факту, что изменение электронной температуры пропорционально поглощенной мощности, а она, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды излучения –
отсюда возможность смешения. Таким образом, HEB смеситель осуществляет нелинейное инерционное преобразование
частоты [34–36]. Высокая чувствительность такого смесителя
обусловлена большой температурной крутизной сверхпроводящего перехода. Эффективность преобразования не зависит
от объема смесительного элемента, который определяет лишь
оптимальный уровень поглощенной мощности гетеродина.
В силу того, что выходная мощность существующих твердотельных источников (лампы обратной волны и газоразрядные
лазеры применяются в основном лишь в лабораторном эксперименте) составляет несколько микроватт [37], представляется разумным уменьшать объем смесительного элемента.
11
Большим достоинством HEB смесителей является то, что
отклик сверхпроводящей пленки на падающее электромагнитное излучение является неселективным [16, 17], другими
словами, смесители на электронном разогреве не имеют
ограничений по спектральному интервалу. Кроме того, на
частотах терагерцового диапазона импеданс смесителя является частотно независимым и чисто активным, что облегчает
задачу согласования смесительного элемента с различными
типами квазиоптических антенн.
Расширение полосы преобразования НЕВ смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто либо путем уменьшения толщины пленки [21], либо же путем использования подслоев для улучшения акустического согласования
пленки и подложки [20]. В обоих случаях расширение полосы
преобразования происходит за счет уменьшения времени ухода неравновесных фононов в подложку.
Существует два способа согласования HEB смесителя
с входным электромагнитным излучением: волноводный
[38] и квазиоптический [39]. В случае волноводного согласования смесительный чип зажимается между двумя секциями волноводного смесительного блока. Фронтальная
секция несет гофрированный рупор. Длина волновода
в задней секции выбирается таким образом, чтобы обеспечить как можно лучшее согласование смесительного элемента с излучением. К сожалению, на частотах выше 1 ТГц
изготовление смесительных блоков представляется очень
трудной задачей, поэтому приходится использовать квазиоптическую схему согласования. В этом случае смесительный элемент интегрируется с планарной антенной (логоспиральной, логопериодической, двухщелевой), расположенной в фокусе вытянутой полусферической или
эллиптической линзы.
Основные вопросы, которые обсуждаются в представленной работе, перечислены ниже:
1. Возможно ли расширить полосу преобразования HEB
смесителей с фононным каналом охлаждения путем открытия дополнительного диффузионного канала;
2. Возможно ли улучшение стабильности HEB приемника на основе смесителя с фононным каналом охлажде-
12
ния путем контролируемого инжектированя СВЧ излучения
одновременно с излучением гетеродина;
3. Как провести прямые измерения температурного раз-
решения HEB приемника на основе смесителя с фононным
каналом охлаждения в радиометрическом и спектроскопическом режимах.
В монографии собраны результаты исследований квази-
оптических смесителей, изготовленных из пленок NbN толщиной 3,5 нм, напыленных на подложки из высокоомного
Si, а также волноводных смесителей, рассчитанных на частоту гетеродина 0,8 ТГц и изготовленных из пленок NbN толщиной 3,5 нм, напыленных на подложки из кристаллического кварца Z-ориентации с подслоем MgO.
13
ГЛАВА 1.
ГЕТЕРОДИННЫЕ ПРИЕМНИКИ
ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
1.1. Гетеродинные приемники
на основе ДБШ и СИС
Новые концепции приемников вместе с улучшением технологических возможностей их изготовления закономерно
привели к значительному улучшению характеристик детекторов, удовлетворяя требованиям работы в терагерцовом
диапазоне частот.
Преобразование частоты принимаемого излучения в гетеродинных приемниках осуществляется за счет их нелинейности. Однако нелинейность сама по себе еще не является
достаточным условием успешной работы приемника, и различные классы детекторов имеют определенные ограничения. В терагерцовой радиоастрономии, практическое применение для гетеродинных приемников в настоящее время
нашли три типа смесителей: диоды на барьерах Шоттки
(ДБШ смесители) и смесители на основе перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС смесители) и смесители на основе эффекта электронного разогрева в сверхпроводниках (НЕВ смесители).
1.1.1. ДБШ смесители
В случае ДБШ смесителей, нелинейность вольт-амперной
характеристики обусловлена барьером Шоттки на границе
между металлом и полупроводником [18–20, 40]. По началу,
туннельный переход в ДБШ смесителе создавался при помощи точечного контакта между заостренным металлическим вискером и полупроводником. Технологическая слож-
14
ность такой конструкции привела к применению фотолитографической техники для прецизионного нанесения металла
на полупроводник. Основное преимущество ДБШ смесителей состоит в возможности работы при комнатной температуре. Однако большая требуемая мощность гетеродина
(~5 мВт) делает необходимым использование громоздких
газовых лазеров с оптической накачкой в ТГц диапазоне частот [19, 41], что не всегда приемлемо в условиях работы на
борту спутника или самолета. Кроме того, чувствительность
таких ДБШ приемников на порядок хуже СИС приемников
[19]: шумовая температура (T
) ДБШ приемника при ком-
R
натной температуре на частоте гетеродина 585 ГГц составляла 1684 К при оптимальной поглощенной мощности гетеродина 1,6 мВт [18]; ДБШ приемник, работающий на частоте
гетеродина 2,5 ТГц, имел T
~ 9000 К при комнатной темпе-
R
ратуре. Улучшение чувствительности ДБШ смесителей может
быть получено при их охлаждении (до Т ~ 30 К) [42].
1.1.2. СИС смесители
Квантовая теория СИС смесителей была подробно раз-
работана в работах [43, 44]. Как было показано, чувствительность СИС смесителей ограничена лишь нулевыми квантовыми флуктуациями, а значит, нижний предел шумовой
температуры составляет hν/k
является предельно чувствительным и быстродействующим,
и не требует большой мощности гетеродина. Ширина полосы
преобразования смесителя составляет несколько десятков
ГГц [44], и на практике ширина полосы преобразования приемника на основе СИС смесителя ограничивается лишь усилителем промежуточной частоты, обычно работающим в полосе 4–8 ГГц [45]. Практические СИС приемники имеют
шумовую температуру, равную 3–5 квантовым пределам
(hν/k
) в диапазоне частот от 50 до 800 ГГц [45–48]. При
B
такой высокой чувствительности приемника даже незначительные потери в оптике (входном окне криостата, делителе луча и фокусирующих линзах) приводят к резкой деградации их шумовой температуры и требуют дальнейшей проработки конструкции. Существующий в СИС смесителях
≈ 48 К/ТГц. СИС смеситель
B
15
джозефсоновский ток, создает избыточный шум, понижающий чувствительность смесителя, поэтому для подавления
джозефсоновского эффекта всегда используется постоянное
магнитное поле [49].
На частотах близких к частоте, соответствующей энергетической щели сверхпроводника и выше, согласование СИС
элемента с принимаемым излучением представляет определенные трудности, что приводит к ухудшению чувствительности примника [50]. Как и всякий туннельный барьер, СИС
смеситель имеет конечную емкость, которая шунтирует переход на высокой частоте. В зависимости от используемого материала, величина этой паразитной емкости на единицу площади перехода составляет 50–70 фФ/мкм
2
[49]. В волноводных СИС смесителях паразитную емкость перехода можно,
в приципе, компенсировать при помощи короткозамыкающего поршня [51]. Неизбежные потери ВЧ мощности из-за
зазоров между стенками волноводов и поршня инициировали
применение интегральных пленочных структур, выполненных на той же подложке, что и СИС переход, для внесения
компенсирующей индуктивности. Как показано в работе [52],
возможно компенсировать емкости двух СИС переходов путем их последовательного соединения при помощи микрополосковой линии, выполняющей роль дополнительной индуктивности. Уменьшение зависимости входной полосы смесителя от величины емкости возможно путем применения
СИС смесителей с распределенными парамет-рами [53, 54].
Для приемника с таким смесителем измеренное значение шумовой температуры составило 66 К (3 hν/k
родина 455 ГГц и 210 К (7 hν/k
) на частоте 630 ГГц [55].
B
) на частоте гете-
B
Согласование СИС смесителя с принимаемым излучением также затруднено вследствие низкого нормального сопротивления СИС перехода, которое составляет несколько Ом.
Для увеличения сопротивления и тем самым улучшения согласования возможно использование цепочек последовательно соединенных СИС переходов [56]. Однако такая цепочка
работает эффективно, только если параметры всех составляющих цепочки близки, а это технологически непростая задача. Проблема ВЧ и ПЧ согласования может быть решена
путем интегрирования на одном чипе СИС смесителя и ге-
16
теродина [57]. Построение балансного СИС приемника
[58, 59] позволяет минимизировать оптические потери при
пространственном соединении сигнала и гетеродина, а также
исключить шумы гетеродина. Однако приемник будет балансным только в том случае, если параметры смесительных
элементов идентичны, что технологически трудно.
Как предсказывает теория [44], шумовые характеристики
СИС перехода резко ухудшаются, если частота гетеродина превышает fmax = 4D/h (2D – энергетическая щель сверхпроводника), что составляет 1,3–1,4 ТГц для Nb, являющегося основным материалом для туннельных контактов. Повышение
рабочей частоты гетеродина возможно путем использования
материалов с более широкой энергетической щелью, например
NbN (f
= 2,4–2,5 ТГц) или NbTiN (f
max
= 1,5 ТГц) [60]. Для
max
повышения рабочей частоты СИС смесителя также используются интегральные согласующие элементы, изготовленные из
несверхпроводящих материалов, например, Al. Для приемников на основе Nb СИС смесителями с Al согласующей цепью
значение шумовой температуры на частоте гетеродина 1 ТГц
составило 1000 К (21 hν/k
) [61, 62]. Из-за диссипации энергии
B
в таких дополнительных цепях необходимо применение сложных сверхпроводниковых согласующих элементов из NbTiN/
/SiO
/Al с повышенным значением энергетической щели,
2
что позволяет улучшить шумовую температуру приемника.
Перечисленные ограничения применения СИС смесите-
лей на частотах выше 1 ТГц с привлечением дополнительных
элементов согласования могут быть исключены путем развития альтернативной технологии смесителей, например
смесителей на основе эффекта электронного разогрева в
сверхпроводниках (НЕВ смесителей).
1.2. Смесители на горячих электронах
1.2.1. Эффект электронного разогрева
в сверхпроводниках
Болометр на горячих электронах (hot-electron bolometer –
HEB) можно рассматривать как совокупность трех подсистем, взаимодействующих друг с другом (рис. 3, a): электроны
17
и фононы в сверхпроводящей пленке и фононы в под-
ложке [63].
Рис. 3. Схемы:
a) – схема процесса энергетической релаксации в сверхпроводящей пленке;
б) – постоянные времени в NbN
В состоянии равновесия температуры всех подсистем одинаковы. Электромагнитное излучение, поглощенное пленкой, выводит подсистемы из равновесия. В дальнейшем
предполагается, что частота излучения больше частоты щели
в сверхпроводнике в резистивном состоянии. В этом случае
излучение разбивает куперовские пары и равномерно поглощается нормальными электронами по всей пленке [64].
Как только установился стационарный режим, электронная
подсистема может быть описана фермиевским распределением с температурой T
> Tb, где Tb температура ванны. Не-
e
равновесные («горячие») электроны рассеиваются на тепловых колебаниях решетки за время порядка времени электрон-фононного взаимодействия t
, что приводит
eph
к повышению температуру решетки (температуры фононов)
T
. Решетка в свою очередь может либо отдать эту избыточ-
ph
ную энергию обратно электронной подсистеме за время порядка времени фонон-электронного взаимодействия t
phe
или
передать ее подложке за время порядка времени ухода неравновесных фононов в подложку t
. В качестве примера на
esc
рис. 3, б приведена диаграмма энергетической релаксации
для пленки NbN и указаны соответствующие постоянные
времени. Помимо взаимодействия с фононами неравновесные электроны могут диффундировать из пленки в контакты.
18
Это возможно, Однако только в том случае, если материал
4.
LD
=τ
контактов нормальный, в противном случае электроны будут
андреевски отражены [64], и на границе между пленкой
и контактами отсутствует энергетический барьер, созданный,
например, слоем окисла. Если диффузия имеет место, то какой из двух процессов будет доминировать с точки зрения
энергетической релаксации зависит от геометрии устройства.
Рассмотрим сначала сверхпроводящую пленку, которая неограничена в горизонтальном направлении. Ясно, что в этом
случае электронная подсистема может достичь равновесия
только посредством обмена энергией с решеткой. Обозначим
характерное время этого процесса t
t
и t
eph
(c
, а также от удельных электронной (ce) и решеточной
esc
) теплоемкостей. С другой стороны, времени tQ соответ-
p
. Оно будет зависеть от
Q
ствует диффузионная длина
diff
(3)
Θ
Физически, диффузионная длина – это среднеквадратич-
ное расстояние, пройденное частицей за время t
. Реальное
Q
устройство имеет характерные размеры L, и поэтому время,
необходимое частице, чтобы пройти это расстояние есть
2
L
τ∝ (4)
diff
,
D
(коэффициент пропорциональности будет введен ниже). Таким образом, если L < L
велика вероятность (тем выше, чем
diff
сильнее выполняется неравенство), что горячие электроны
диффундируют из пленки раньше, чем рассеются на колебаниях решекти. Этот тип HEB называется HEB с диффузионным каналом охлаждения, или DHEB. В противоположном
случае (L > L
) горячие электроны более вероятно отдадут
diff
избыточную энергию решетке, прежде чем покинут пленку.
Это HEB с фононным каналом охлаждения, или PHEB.
HEB может быть использован как смеситель благодаря
тому факту, что изменение электронной температуры пропорционально поглощенной мощности, а она, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды излучения –
отсюда возможность смешения. Если две монохроматические
19
электромагнитные волны с частотами wLO и wS, поляризо-
( )
(, ) ,
( , ) ( , );
e
e e ph DC RF
ph
ph e ph ph b
dT
c TT P P
dt
dT
c TT T T
dt
Ω = −Ψ + +
Ω =Ψ −Π
−−
ττ
ванные в одной плоскости поглощаются HEB смесителем
с постоянной времени t
, электронная температура будет
b
меняться как
Здесь w
(ПЧ) и P
T PP tδ∝ ω (5)
e LO S IF
= |wLO – wS| называется промежуточной частотой
IF
и PS – среднеквадратичные мощности источников.
LO
cos .
1.2.2. HEB смесители с фононным каналом
охлаждения
Работа смесителя с фононным каналом охлаждения может
быть описана системой двух уравнений теплового баланса
для электронной и фононной подсистем [65–67]:
(6)
где T
и Tph – электронная и фононная температуры соответ-
e
ственно; c
емкости; W – объем болометра, P
и RF мощности соответственно; Y и Π – функции, описывающие поток тепла от электронов к фононам пленки и от
фононов в пленке к фононам в подложке.
В общем случае Y и Π являются нелинейными функциями своих аргументов, и поэтому получить аналитическое
решение системы (6) – безнадежная задача. Однако когда
|T
– Tb| << Tb (что имеет место в случае, когда устройство
e
работет вблизи сверхпроводящего перехода), эти функции
могут быть линеаризованы, и (6) упрощается:
и cph – удельные электронная и фононная тепло-
e
и PRF – поглощенные DC
DC
dT
c c PP
Ω =− Ω + +
e e DC RF
dt
dT T T T T
cc c
Ω =Ω − Ω
20
ph e ph
TT
−
e
ph e ph ph b
dt
e ph
τ
eph
eph esc
,
(7)
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]