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
Рис. 7. Схемы экспериментальных установок для измерения
полосы преобразования
HEB смеситель согласовывался по ПЧ с 3-сантиметровой
копланарной линией с последующим переходом на коаксиальный кабель, который выводил сигнал ПЧ из криостата к теплому адаптеру смещения Picosecond Pulse Labs с полосой 18 ГГц
и затем к усилителю MITEQ с полосой 0,1–12 ГГц и коэффициентом усиления 36 дБ. Частотный диапазон от 0,1 ГГц до
6 ГГц обрабатывался анализатором спектра Rohde & Schwartz
(частотный диапазон от 100 кГц до 6 ГГц) (см. рис. 7, a). Чтобы
покрыть диапазон выше 6 ГГц, экспериментальная установка
была модифицирована путем включения чоппера на выходе
сигнальной лампы, и анализатор спектра был заменен квадратичным детектором и селективным вольтметром (см. рис. 7, б).
Перестраиваемый полосовой фильтр с центральной частотой
от 2 ГГц до 8 ГГц и полосой 50 МГц был включен в тракт ПЧ
для уменьшения шумов и предотвращения насыщения второго усилителя MITEQ.
Модель HEB смесителя, представленная в главе 1, пред-
полагает, что электронная и фононная температуры однородны по всей пленке, что, строго говоря, возможно только,
если температура ванны равна критической температуре.
В этом случае энергетическая щель почти полностью подавлена, что позволяет использовать в измерениях две ЛОВ, работающие в диапазоне 270–320 ГГц.
Хотя термометр, установленный на смесительном блоке,
мог быть использован для контродя температуры смесителя,
41
была найдена более эффективная процедура. Зависимость
,.
R(T) следует измерять при как можно меньших токах смещения (в режиме генератора тока), чтобы избежать нежелательных эффектов, таких как распаривание током и допольнительный джоулев нагрев вблизи сверхпроводящего перехода.
Поэтому, если построить семейство вольт-амперных кривых
для устройства при разных температурах ванны, наклон в начале координат (dV/dI)
для кривой, взятой при температуре
0
T, будет равет R(T). Поскольку критическая температура
обычно определяется как температура, при которой сопротвление образца примерно равно половине сопротивления над
сверхпроводящим переходом
пература условно определяется условием R(T
это означает, что когда (dV/dI)0 =
1
/2RN (для NbN критическая тем-
) = 1/2R(20 K)),
1
/2RN, температура смесите-
c
ля примерно равна Tc, энергетичекая щель практически полностью подавлена, и ВЧ сигнал может быть равномерно поглощен смесителем. Это простое замечание позволяет избежать
использования термометра и связанных с этим неточностей
при установке рабочей температуры HEB смесителя.
Еще одно требование модели однородного разогрева состоит в том, что уровни мощности сигнала и гетеродина должны быть малыми. Это означает, что ток смесителя при некотором фиксированном значении напряжения смещения не
должен меняться существенным образом, когда помимо нагрева смеситель подвергается действию ВЧ сигнала. В идеале
следует иметь dI
mixer/Imixer
<< 1 (dI
– изменение тока смеси-
mixer
теля, вызванное включением ВЧ сигнала); на практике это
обычно ведет к тому, что ПЧ сигнал очень мал. В экспериментах было установлено значение dI
mixer/Imixer
= 0,05. Теперь, когда рабочая вольт-амперная кривая была установлена, необходимо было выбрать на ней рабочую точку. При вычислении
импеданса HEB смесителя формально получается
T
e
∂
e
(43)
dV d R R
Z IR I T R I I
≡ = =+ +
dI dI I T I
( )
e
∂∂
∂ ∂∂
Второй член в крайней правой части (43) описывает нетермические эффекты тока, такие как вихри и центры проскальзывания фазы [64] (ток при этом не обязательно должен
быть близок к критическому). Эти эффекты нежелательны
42
при последовательном применении модели однородного
RR
II
∂∂
∂∂
разогрева, поэтому следует обеспечить, чтобы с хорошей
точностью
RI R I
+ ≈⇔ ≈
чего можно добиться путем выставления как можно более
низкого значения напряжения смещения (следовательно,
ток смесителя будет мал), возможно, за счет хорошего отношения сигнал-шум. Поэтому выбор рабочей точки есть
компромис между последовательностью и хорошим отношением сигнал-шум. Также, устанавливая низкое значение
напряжения смещения, можно сделать вклад саморазогрева
несущественным.
0,
(44)
2.4. Стабильность HEB приемника
Эксперименты по измерению стабильности проводились
с HEB смесителями волноводного типа на частоте гетеродина
810 ГГц. Схема экспериментальной установки, разработанной
авторами, приведена на рис. 8. Чип с HEB смесителем устанавливается в волноводный смесительный блок, смонтированный на холодной плате криостата. Каскад двух твердотельных утроителей частоты вместе с осциллятором Ганна с частотой 90 ГГц образуют гетеродин с частотой 0,81 ТГц.
Вакуумное окно криостата сделано из кристаллического
кварца z-ориентации толщиной ~2,7 мм, покрытого с обеих
сторон полиэтиленом низкой плотности толщиной ~60 мкм.
Основное преимущество такого окна по сравнению с тефлоновым состоит в том, что теплопроводность кварца хуже, чем
тефлона, вследствие чего окно не запотевает даже при высокой влажности. Сигнал и гетеродин сбиваются в интерферометре Мартина-Паплетта (МПИ), расположенном перед вакуумным окном. Затем они проходят через два холодных ИК
фильтра из материала Zitex G106, смонтированных на 77-K
радиационном экране и холодной плате соответственно, и
заводятся в гофрированный рупор смесительного блока посредством фокусирующего зеркала, смонтированного на холодной плате. Выход ПЧ смесителя проходит через адаптер
43
смещения и криогенный циркулятор с полосой 2,5–4,0 ГГц,
и затем усиливается малошумящим криогенным усилителем
с коэффициентом усиления 30 дБ в полосе 3–8 ГГц.
Теплая часть тракта ПЧ состоит из двух усилителей, каждый с коэффициентом усиления 35 дБ в полосе 1–6 ГГц, разделенных полосовым фильтром 380 МГц с центральной
чаcтотой 3,5 ГГц, и используется для усиления выхода приемника до уровня, требуемого для квадратичного детектора
Agilent 8473D, работающего в квадратичном режиме.
Рис. 8. Схема экспериментальной установки для измерения стабильности
Теплые компоненты помещены на алюминиевую коробку,
которая прикреплена болтами к оптическому столу для лучшей температурной стабильности. Сигнал с детектора подается на DC инструментальный усилитель SR560, работающий с 10-герцовым низкопропускающим фильтром с отсечкой 12 дБ на октаву и усилением по напряжению 23 дБ.
Выход усилителя подается на мультиметр HP34401A, который дистанционно опрашивается с частотой примерно 65 Гц.
Второй HP мультиметр используется для измерения тока
смесителя через 15-герцовый низкопропускающий фильтр
с той же частотой сэмплирования. Низкопропускающие
44
фильтры обеспечивают выполнение условий теоремы о сэмплировании [77–79].
Схема СВЧ инжектирования вводит сигнал на чаcтоте
17,3 ГГц от синтезатора HP83630A в смеситель через третий
порт криогенного циркулятора. Для уменьшения шума синтезатора, а также для подавления 300-К фона третий порт циркулятора имеет 20-децибельный аттенюатор. Сигнал синтезатора поглощается смесителем и используется для поддержания
тока смещения приемника постоянным. Выбор схемы инжектирования обусловлен несколькими факторами. Во-первых,
частота должна быть много меньше частоты главного гетродина, чтобы не возникало паразитных тонов на выходе приемника. Во-вторых, по той же причине, она должна быть значительно выше, чем 3-децибельный ПЧ отсечки, которая составляет примерно 3 ГГц для NbN смесителей, используемых
в эксперименте. Из практических соображений, частота должна быть такой, чтобы иметь возможность ввода через циркулятор, который хотя и расчитан на работу на нескольких ГГц,
все же пропускает некоторые более высокие частоты. Наконец, схема инжектирования должна быть как можно проще.
С учетом всех факторов была выбрана частота 17,3 ГГц.
2.5. Температурное разрешение HEB приемника
Как показано на рис. 9, экспериментальная установка для
измерения температурного разрешения в сущности такая же,
как и установка для измерения стабильности, описанная
в предыдущей главе, за исключением нескольких дополнительных частей. Для спектроскопических измерений, газовая
ячейка длиной 54 см, наполненная карбонил-сульфидом
(OCS) под давлением 5 мбар, была установлена перед сигнальным портом МПИ. OCS имеет 10 линий в диапазоне
частот 790–820 ГГц [88]. Дополнительный проволочный поляризатор был расположен между газовой ячейкой и МПИ
для переключения входа приемника между калибровочным
модулем и газовой ячейкой. Калибровочный модуль включает три нарузки: одну – охлаждаемую жидким азотом, вторую – комнатной температуре, и нагретую нагрузку, температура которой поддерживалась постоянной с точностью до
45
0,02 К при помощи цепи обратной связи. При помощи компьютера каждая нагрузка могла помещаться в луч приемника.
Рис. 9. Схема экспериментальной установки для измерения
температурного разрешения
Два различных ПЧ процессора были использованы
в эксперименте. Для радиометрических измерений полосовой фильтр шириной 380 МГц и центральной частотой
3,5 ГГц определял полосу детектирования приемника. Выход приемника на ПЧ измерялся квадратичным детектором Agilent 8473D, работающим в квадратичном режиме.
Выход детектора подавался на DC инструментальный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 23 дБ
и оснащенный 10-герцовым низкопропускающим фильтром со срезом 12 дБ на октаву. Дистанционно контролируемый цифровой мультиметр регистрировал измеряемую
мощность с частотой примерно 65 Гц. Второй мультиметр
46
использовался для мониторинга тока смесителя через
15-герцовый низкопропускающий фильтр с той же частотой сэмплирования. Фильтры, таким образом, обеспечивали выполнение условий теоремы Найквиста-Котельникова-Шэннона.
Для спектроскопических измерений, сигнал ПЧ в полосе
3,5–4,5 ГГц был конвертирован в сигнал в полосе 50–950 МГц
перед обработкой с помощью FFT спектрометра Acqiris с разрешением 60 кГц.
Для стабилизации рабочей точки HEB смесителя СВЧ
сигнал с частотой 17,3 ГГц инжектировался в HEB элемент
через третий порт криогенного циркулятора, стоящего между смесителем и криогенным ПЧ усилителем. Уровень СВЧ
мощности контролировался компьютером таким образом,
чтобы поддерживать ток смесителя постоянным.
47
ГЛАВА 3.
ПОЛОСА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
КВАЗИОПТИЧЕСКОГО NBN HEB
СМЕСИТЕЛЯ С ДВУМЯ КАНАЛАМИ
ОХЛАЖДЕНИЯ
3.1. Параметры исследуемых HEB смесителей
Для исследования полосы преобразования при температуре
сверхпроводящего перехода авторами были изготовлены партии HEB смесителей по in situ технологии описанной в гл. 2.
При этом длины смесительных элементов варьировались
в пределах от 0,12 мкм до 0,35 мкм с шагом примерно 0,05 мкм.
Ширина смесительных элементов была в 10 раз больше длины.
При этом сопротивление смесителя равнялось 50 Ом (поверхностное сопротивление прленки NbN толщиной 3,5 нм примерно равно 500 Ом). Характеристики некоторых из исследованных смесителей представлены в табл. 3. Следует отметить,
что сопротивления смесительных чипов складываются из сопротивления антенны, которое составляет всего 1–2 Ома, и сопротивления самого смесительного элемента. Таким образом,
из таблицы видно, что сопротивления смесителей довольно
сильно отличаются от значения 50 Ом. Можно указать несколько причин этого отличия.
В колонках табл. 3 указаны (слева направо): номер смесителя; длина смесительного элемента, измеренная при помощи сканирующего электронного микроскопа; ширина смесительного элемента, измеренная при помощи сканирующего электронного микроскопа; критическая температура;
критический ток при 4,2 К; критическая плотность тока при
4,2 К; сопротивление при 300 К; длина смесительного элемента, расчитанная исходя из сопротивления при 300 К, из-
48
меренной ширины, поверхностного сопротивления NbN
500 Ом и сопротивления антенны 2 Ома; измеренное значение ширины полосы преобразования; значение ширины
полосы преобразования, расчитанное по формуле (51)
(см. ниже) с использованием данных колонки 2
Таблица 3
Параметры некоторых исследуемых смесителей
для измерения полосы преобразования
Смеситель l
1126/1#12 0,332 2,4 11,5 554 6,60 92 0.594 3 3,5
1126/1#15 0,347 2,4 11,5 585 6,96 98 0.461 3,5 3,5
1126/1#16 0,157 2,4 11,3 578 6,88 64 0.166 6 5,4
1126/1#17 0,167 2,4 11,5 498 5,93 60 0.197 5 5,2
1306/2#16 0,176 1,9 8,9 175 2,63 76 0.281 4,2 4,9
1306/2#23 0,196 1,9 9,8 200 3,01 85 0.315 4,5 4,6
1306/2#33 0,112 1 9,1 132 3,77 107 0.210 6,5 7,8
1306/1#8 0,216 2 9 106 1,51 99 0,388 3,8 4,3
1306/1#7 0,216 2 8,3 103 1,47 105 0,412 3 4,3
684#6 0,320 4 9 230 1,64 74 0,576 4 3,6
1126/2#4 0,200 1,5 10,6 280 5,33 136 0,402 6,2 4,5
meas
мкм
,
w
,
meas
мкм
Tc, К Ic,
мкА
Jc, ×106,
2
А/см
R
, Омl
,
B
,
B
300
comp
мкм
meas
ГГц
comp
ГГц
,
1) Оценки длины смесительного элемента с использова-
нием значения сопротивления на квадрат для пленок толщиной 3,5 нм и поперечных размеров (ширины) смесителей по
формуле:
R
lw
=
comp meas
300
(45)
R
S
показывают, что, по-видимому, реальная длина смесителей
может быть несколько больше, чем определяемая при помощи электронного микроскопа, что является результатом небольшого подтрава in situ золота при формировании рабочей
области смесителя.
2) Свойства пленки NbN на краях подложки отличаются
от свойств пленки в центре подложки. Пленка на краях
несколько тоньше, поэтому ее поверхностное сопротивление выше:
49
centre
R
S
R
S
edge
d
edge
=
(46)
,
d
centre
где d – толщина пленки. Соотношение (46) предполагает, что
удельное сопротивление пленки одно и то же по всей площади подложки, что, вообще говоря, не так. Поэтому, даже если
толщина одинакова, состав пленки (соотношение Nb и N)
может быть разным для центра подложки и для ее края.
3) Толщина пленки во время нанесения контролируется
по времени и известной скорости нанесения. Поскольку речь
идет о толщинах в несколько атомных слоев, то небольшая
погрешность в определении времени приводит к большой
относительной погрешности в толщине пленки.
4) Поскольку антенна делается в ex situ процессе (см. гл. 2),
возможно наличие остатков резиста между in situ золотом и Ti,
что приводит к увеличению контактного сопротивления.
Как видно из таблицы, критические температуры смесителей в партии 1261/1 выше критических температур сместителей в партии 1306/2 примерно в 1,2 раза; критические
плотности тока отличаются примерно в 2,5 раза. В рамках
теории БКШ, критическая плотность тока и критическая
температура пропорциональны энергетической щели при
нулевой температуре:
(0)
T
∝∆
c
(47)
∝∆
( ) (0) ,
JT f
c
T
T
c
поэтому неудивительно, что они меняются одинаково (различие в коэффициентах 1,2 и 2,5 может быть связано с тем,
что (47) есть в сущности результат модели, поэтому реальная
ситуация может быть несколько другой). Причина же различия температур (и критических плотностей тока) носит,
по-видимому, технологический характер и не может быть
полностью устранена в виду ряда неконтролируемых факторов. Несмотря на различие в критических температурах, результаты, приведенные в табл. 3, не зависят от нее, так как t
в (50) при T
неравновесных фононов в подложку t
50
определяется главным образом временем ухода
c
, поэтому отличие
esc
ph
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]