Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Широкополосные высокостабильные терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

разрешение приемника. Хотя в отсутствие 1/f шума переход

()

21 .

R ref ref

TT TT

TT GTT



+−

  

τ∆



∆= + +

  

  





от белого шума к 1/f шуму и дрейфу довольно четкий, большинство графиков дисперсии Аллана имеют широкое плато, редко с хорошо выраженным минимумом.

Существуют два способа минимизировать вклад неста-

бильности коэффициента усиления приемника в температурное разрешение. Одно решение было предложено Р. Х. Дике [80] и называется модуляционный приемник (или приемник Дике) [83]. Как показано на рис. 5, б, вход приемника переключается регулярно между терминалами антенны при температуре антенны T

P k BG T T

и согласованной нагрузкой при температуре T

, давая на выходе

(35)

(например,

ref

ванна из жидкого азота при 77 K), давая на выходе

P k BG T T

ref B ref R

Разница между (35) и (36) измеряется фазочувствитель-

ным детектором или локином и равна

P P k BG T T−= − (37)

ref B ref

Если изменение коэффициента усиления приемника не-

верно интерпретируется как увеличение температуры антенны, то

( )( ) ( ),

kBG G T T kBGT T T+∆ − = +∆ − (38)

B ref B ref

A AA

откуда

∆= − (39)

∆

T TT

и полное температурное разрешение приемника Дике есть

Следует отметить, что (40) справедливо только, если частота

переключения выше, чем характерная чатота изменения G. Из последней формулы немедленно следует, что если T флуктуации коэффициента усиления не влияют на темпера-

( ).

( ),

(36)

ref

(40)

= T

ref

турное разрешение приемника. Такой приемник называется

()

ττ

балансным. На практике переключение можно осуществлять, например, путем поворота антенны или при помощи нутирующего вторичного зеркала, или же чоппера. В любой установке существует некоторе «мертвое время» между двумя переключаемыми позициями. В случае механического поворота всей антенны непродуктивное время может составлять секунды [84]. Ясно, что для эффективного наблюдения приемник должен смотреть на исследуемый объект или опору в течение времени, существенно превышающем мертвое время. Если время Аллана того же порядка, что и непродуктивное время, наблюдение становится крайне неэффективным и не даст лучшее возможное температурное разрешение. В случае нутирующего зеркала или чоппера мертвое время может быть существенно короче, и наблюдение может быть сделано более эффективным. Таким образом, оптимальное время интегрирования определяется: а) – верхним пределом температурного разрешения приемника, то есть его максимально допустимым значением; и б) – скоростью переключения, и, следовательно, мертвым временем приемника.

Недавние эксперименты с HEB приемниками показали, что время Аллана для них составляет типично 1 с [85], что, очевидно, слишком мало для эффективного наблюдения, когда необходимо двигать большие структуры.

Выражение (40) для температурного разрешения приемника можно обобщить следующим образом [86]:



()

∆=

где t

– время интегрирования сигнала объекта, t

 



A+−

() ,

ref

Rref

∆

 



тегрирования опорного сигнала. Скважности d

  



(41)

время ин-

ref

и d

опре-

ref

 



деляют долю времени наблюдения, когда переключатель подключен к терминалам антенны и опоре соответственно.

Другое решение проблемы нестабильности коэффициента усиления дается корреляционным приемником (рис. 5, в)

[83]. Сигналы антенны и опоры подаются на 3-дБ гибрид,



+−





4-портное устройство с двумя входными портами и двумя выходными. Если на входах имеются сигналы A и B, гибрид произведет (A + B) и

/2(A – B) на выходах. Анализ такого приемника довольно прост, и поэтому только окончательный результат приводится для случая, когда плечи одинаковые (на практике можно сделать так, чтобы T

TT TT

()

∆= + +

  

R ref ref

  

TT GTT

  

τ∆

≈ TR2 и G1 ≈ G2):

(42)

что в

2 лучше, чем разрешение приемника Дике, так как те-

перь все время наблюдения отведено исследуемому объекту.

Среди факторов, дающих вклад в дрейф на выходе HEB приемника, наиболее существенным является изменение мощности ПЧ как функции мощности гетеродина. В отличие от SIS приемников, которые работают на пике мощности гетеродина, где выход ПЧ не чувствителен к флуктуациям мощности гетеродина, мощность ПЧ HEB приемников в точке с минимальной шумовой температурой сильно зависит от мощности гетеродина. При более высоком уровне мощности гетеродина выходная мощность менее чувствительна к флуктуациям накачки, но при этом ухудшается шумовая температура. К тому же, достаточное количество мощности гетеродина не всегда доступно в терагерцовой области, поэтому HEB приемники обычно работают с очень тонко настроенной оптической схемой, включающей несколько каскадов умножения частоты гетеродина, и интерферометр Мартина-Паплетта (МПИ).

Подробное исследование стабильности HEB приемников было проведено Kooi et al, которые провели измерения с квазиоптическими HEB смесителями с фононным каналом охлаждения на частотах гетеродина 0,673 ТГц, 1,462 ТГц, 1,630 ТГц и 2,814 ТГц. Было обнаружено, что стабильность HEB приемников, работающих в радиометрическом режиме, ограничена флуктуациями коэффициента преобразования HEB смесителя в полосе 80 МГц. При увеличении частоты гетеродина вклад 1/f шума уменьшался. Полезное

время интегрирования составило примерно 0,3 с. Хотя про-

исхождение флуктуаций коэффициента преобразования

осталось неясным, было предположено, что они могут быть

вызваны тепловыми или квантовыми процессами в области

горячего пятна смесителя. Спектроскопическая дисперсия

Аллана (дисперсия Аллана разности выходной мощности

с двух некоррелированных каналов ПЧ [87]) оказалась

в 10–15 раз лучше дисперсии Аллана для радиометрическо-

го режима, что свидетельствовало о том, что 1/f шум силь-

но коррелирован в полосе тракта ПЧ. Исследования механи-

ческих, температурных и атмосферных нестабильностей по-

казали важность работы HEB смесителей на пике стоячей

волны сигнала гетеродина. В этом случае флуктуации мощ-

ности гетеродина пропорциональны квадрату относительных

изменений в длине оптического пути.

Таким образом, можно сделать следующие выводы относительно современного состояния гетеродинных приемников терагерцового диапазона.

1. В терагерцовом диапазоне спектра, особенно на частотах выше 1 ТГц, как ДБШ, так и СИС приемники имеют ряд недостатков, ограничивающих область их применимости. Например, чувствительность СИС смесителей, изготавливаемых из сверхпроводников с шириной энергетической щели, соответствующей по порядку величины 1 ТГц, резко падает, когда частота падающего излучения начинает превышать эту частоту. ДБШ смесители также обладают плохой чувствительностью в этой части спектра и к тому же требуют значительной оптимальной мощности гетеродина. Смеситель на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников (HEB смеситель) свободен от этих недостатков и поэтому является весьма перспективным типом в терагерцовом диапазоне спектра.

2. Несмотря на отсутствие указанных выше недостатков, как волноводные, так и квазиоптические HEB смесители с фононным каналом охлаждения отличаются довольно узкой полосой промежуточных частот (не более ~3 ГГц для волноводных смесителей с буферным слоем и не более ~5ГГц для квазиоптических).

3. Исследования показали, что стабильность HEB при-

емников, работающих в радиометрическом режиме, ограничена флуктуациями коэффициента преобразования HEB смесителя. Время Аллана составляет типично 1 с, что, очевидно, слишком мало для эффективного наблюдения, когда необходимо двигать большие структуры. Одной из причин флуктуаций коэффициента преобразования могут быть флуктуации мощности гетеродина.

4. Хотя измерения дисперсии Аллана позволяют оценить

температурное разрешение приемника, на момент исследования не было проведено прямых измерений температурного разрешения HEB приемников ни в радиометрическом, ни в спектроскопическом режимах.

ГЛАВА 2.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ HEB СМЕСИТЕЛЕЙ

И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Изготовление HEB смесителей

2.1.1. Квазиоптические HEB смесители

В табл. 2 приведены основные этапы процесса изготовления квазиоптических HEB смесителей. HEB смесители, обсуждаемые в этой монографии, изготавливаются из пленок NbN толщиной 3,5 нм, наносимых при помощи реактивного магнетронного распыления Nb мишени в смеси аргона и азота на поверхность высокоомных Si подложек, нагретых до температуры 830°C. Соответствующие парциальные давления Ar и N За нанесением NbN следует in situ нанесение слоя Au толщиной 15 нм. Это важный шаг во всем процессе изготовления, так как in situ золото служит как контактные площадки. Знаки совмещения, необходимые для правильного совмещения, формируются методом фотолитографии. Следующий шаг процесса изготовления включает нанесение электронного резиста и формирования медотом электронной литографии «окна» для последующего ионного и химического травления in situ золота и формирования длины смесительного элемента. Затем следует изготовление внутренней части спиральной антенны методом электронной литографии. Внутренняя часть антенны представляет собой трехслойную структуру Cr(3 нм)– Au (70 нм)–Ti (8 нм) (снизу вверх), где Cr необходим для обеспечения хорошей адгезии, а Ti служит как защитный слой на окончательной стадии процесса изготовления. Внешняя часть спиральной антенны и внешние контактные площадки изго-

при этом составляют 5 × 10–3 мбар и 8÷12 ×10–5 мбар.

тавливаются подобным образом с небольшими изменениями: вместо электронной используется фотолитография, и трехслойная структура в этом случае Ti(5 нм)–Au (200 нм)–Ti (5 нм) (снизу вверх), где нижний слой Ti необходим для лучшей адгезии, а верхний является защитным.

Таблица 2

Основные шаги процесса изготовления квазиоптических

HEB смесителей

In situ нанесение двуслойной структуры NbN–Au методом реактивного магнетронного распыления

Формирование знаков совмещения под фото- и электронную литографию

Формирование окна в Au с методом электронной литографии, ионного и химического травления

Формирование внутренней части спиральной антенны методом электронной литографии

Формирование внешней части спиральной антенны методом фотолитографии

Формирование защитной маски SiO под ионное и плазмохимическое травление NbN–Au по полю

Ионное и плазмохимическое травление NbN-Au по полю

После этого наносится маска SiO для того, чтобы закрыть

чувствительный элемент и in situ золотые контакты, и структу- ра Au–NbN стравливается с незащищенных участков. Наконец, подложка разделяется на отдельные чипы скрайбером.

Сопротивление на квадрат пленок NbN обычно равно 500 W, поэтому для лучшего согласования по радио и промежуточной частоте (ВЧ и ПЧ) с 74 W антенной отношение длина-ширина выбрается равным 0,1.

2.1.2. Волноводные HEB смесители

Процесс изготовления волноводных HEB смесителей не сильно отличается от процесса для квазиоптических устройств. В случае волноводных HEB смесителей вместо Si используется кварц z-ориентации с подслоем MgO толщиной 200 нм для лучшего акустического согласования между кристаллическими решетками NbN и кварца. Болометрические элементы с типичными размерами 0,12–0,13 мкм в длину и 1,5 мкм в ширину изготавливаются медотом электронной и фотолитогрфии. Подложки, поддерживающие HEB элементы, шлифуются до толщины 30 мкм и распиливаются на отдельные смесительные чипы 2 мм в длину и 126 мкм в ширину (если бы Si был выбран в качестве материала подложки, конечная толщина была бы слишком мала, и с чипами невозможно было бы работать).

2.2. Зависимость сопротивления HEB смесителя от температуры

Тестирование HEB смесителей по постоянному току включает измерение плотности критического тока и зависимости сопротивления от температуры. Как показано на рис. 6, a, смесительный чип устанавливается в держатель на конце штока.

Рис. 6. Схемы:

a) – схема экспериментальной устанровки для измерения R(T);

б) – типичная зависимость сопротивления от температуры для HEB смесителей,

исследованных в работе.

Помимо первого сверхпроводящего перехода можно ви-

деть второй при более низкой температуре из-за эффекта близости между сверхпроводящей пленкой и нормальными контактными площадками

Сопротивление измеряется при помощи стандартной

4-точечной схемы с использованием источника тока Keithley для создания тока в 10 мкА через образец и прецизионный вольтметр Solartron для измерения сопротивления на образце. Угольный термометр монтируется противоположно образцу таким образом, что его температура равна температуре образца. Сопротивление термометра измеряется при помощи мультиметра HP34401A, работающего в режиме измерения сопротивления по 4-й точке. На рис. 6, б показана типичная RT-кривая для HEB смесителей, обсуждаемых в данной монографии. Ширина первого сверхпроводящего перехода при 9 К равна примерно 1 К. Присутствие второго перехода при 7 К связано с эффектом близости между сверхпроводящей пленкой и нормальными Au контактными площадками, что

возможно только в случае отсутствия энергетического барьера на границе NbN-Au, который может препятствовать диффузии куперовских пар их пленки NbN [64]. Плотность критического тока, оцененная из измерений критических токов устройств с различными размерами, составляет порядка 10

A см–2.

2.3. Полоса преобразования HEB смесителя

Схема экспериментальной установки, которую использовали авторы для измерения полосы преобразования смесителей, приведена на рис. 7. Полоса преобразования HEB смесителей была измерена с использованием стандартной процедуры с двумя монохроматическими источниками: двумя лампами обратой волны (ЛОВ), работающими в диапазоне 270–320 ГГц. В течение эксперимента частота одной ЛОВ оставалась фиксированной, а другой – перестраивалась таким образом, чтобы покрыть диапазон ПЧ от 0,1 ГГц до 10 ГГц. Уровни мощности обеих ЛОВ подстраивались при помощи проволочных аттенюаторов. После прохождения через соответствующие аттенюаторы сигналы сбивались при помощи слюдяного делителя луча и заводились в криостат, где они попадали на смеситель, установленный в смесительном блоке, смонтированном на холодной плате криостата. Температура смесителя во время работы могла быть повышена при помощи печки, закрепленной на смесительном блоке, и измерялась калиброванным термометром LakeShore.

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]