Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Энергетическое разрешение интегрированного с антенной терагерцового NbN микроболометра на горячих электронах. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Московский педагогический государственный университет»

С. В.

Селиверстов, А. А. Русова, Г. Н. Гольцман

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

ИНТЕГРИРОВАННОГО С АНТЕННОЙ

ТЕРАГЕРЦОВОГО NBN МИКРОБОЛОМЕТРА

НА ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНАХ

Монография

2-е издание, стереотипное

электронное

МПГУ

Москва • 2024

УДК 538.945 ББК 22.268.3

С291

Рецензенты:

М. Чулкова, доктор физико-математических наук, профессор

Г.

кафедры общей и экспериментальной физики факультета физики

и информационных технологий МПГУ

В. А. Ильин, доктор физико-математических наук, профессор кафедры

общей и экспериментальной физики факультета физики

и информационных технологий МПГУ

Селиверстов, Сергей Валерьевич.

С291 Энергетическое разрешение интегрированного с антенной тера-

цового NbN микроболометра на горячих электронах: монография /

гер С. В. Селиверстов, А. А. Русова, Г. Н. Гольцман. – 2-е изд., стер. электрон. – Москва: МПГУ, 2024. – 80 с. – Текст: электронный.

ISBN 978-5-4263-0571-7

Монография посвящена результатам исследования физики работы болометра на эффекте электронного разогрева в режиме детектирования коротких импульсов излучения терагерцового и инфракрасного диапазонов. Исследованный чувствительный и быстродействующий детектор с аттоджоулевым энергетическим разрешением, работающий при температуре около 10 К имеет потенциал широкого практического применения в ряде востребованных практических приложений, связанных с медициной и системами обнаружения наркотических и взрывчатых веществ, где требуется использование импульсного терагерцового излучения.

Монография предназначена для студентов старших курсов, аспирантов и начинающих исследователей, работающих в области сверхпроводниковой наноэлектроники и радиофизики.

УДК 538.945 ББК 22.268.3

ISBN 978-5-4263-0571-7 © МПГУ, 2017

Îãлавление

Введение 5

Ãëàâà 1. Обзор литературы è ïîñòановкà çàäà÷è исследова-

íèÿ 17

1.1 Эффект электронного разогрева â ñâåðхпровоäíèêàõ . . . 17

1.2 Болометр íà эффекте электронного разогрева êàê смеситель 21

1.3 Электронно - разогревной болометр êàê ïðÿìîé детектор . 23

Ãëàâà 2. Òехнология èçãîòîвления терагерцовых детекторов

íà эффекте электронного разогрева, интегрированных â планарную ëîãарифмическую спиральную антенну 26

2.1 Обзор современных технологий изготовления микро - è íà-

норазмерных óстройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.1 Напыление пленоê: íåãативное магнетронное ðàñ-

пыление è термическîå испарение . . . . . . . . . . 26

2.1.2 Фотолитография, электроннолучевая литография è

травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Òехнология изготовления образцов детекторов . . . . . . . 28

2.2.1 Магнетронное напылåíèå äâóслойной структуры

NbN/Au íà Si ïîäëîæêó . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.2 Формирование чувствительного элементà детектора 31

2.2.3 Последующие технологическиå ýòàïû изготовления

образцов детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Первичные исследования изготовленных îáразцов íà ïî-

ñòîянном òîêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3.1 Исследование температурной çàâèñèìîñòè сопро-

тивления образцов детекторов . . . . . . . . . . . . 34

2.3.2 Исследование âîëüò - амперных õарактеристик èç-

готовленных образцов детекторов ïðè различных

çíàчениях температуры тепловой ванны . . . . . . . 36

Ãëàâà 3. Исследование âîëüò - ваттной чувствительности,

оптическîé эквивалентной мощности øóìà è энергети-

÷åñêîãî разрешения болометра íà основе эффектà ýëåê- тронного разогрева 40

3.1 Ìîделирование âîëüò - ваттной чувствительнîñòè боломеò-

ðà ïðè температуре áëèçêîé ê критическîé . . . . . . . . . 40

3.1.1 Ìîäåëü болометра êàê сосредоточного элементà ïî

Мазеру . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.2 Ìîäåëü болометра êàê распределеннîãî элементà . 42

3.2 Исследование âîëüò - ваттной чувствительности è îïòè÷å- ñêîé эквивалентной мощности øóìà ïî îïòèìèзированной

ìåòîäèêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3 Òеоретический ðàñ÷¼ò эквивалентной мощности øóìà äå-

тектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4 Ïðÿìîå ýêспериментальное измерение энергетическîãî

разрешения детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Ãëàâà 4. Применение детекторной системы äëÿ регистрации

êîðотких èìïóльсов терагерцового излучения 57

4.1 Ðегистрации ÒÃö èìïóльсов наносекундной длительноñòè, сгенерированных ìåòîäîì оптическîãî âûïðямления . . . 57

4.2 Детектирование êîðîòêèõ èìïóльсов ÒÃö излучения, ïîëó- ченных ìåòîäîì генерации íà разностной частоте â íåëè-

нейной оптическîé среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3 Исследование êоэффициентà отражåíèÿ роговицы è ñêëå-

ðû â субтерагерцовом диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . 61

Заключение 65

Литература 67

Введение

Â настоÿùåå время активно развиваютсÿ различные направления íàó÷íî - практических исследований è разработок, связанных ñ детекти- рованием терагерцового излучения. Â ðÿäå çàäà÷, ãäå íåîáõîäèìî âûñî- êîå спектральное разрешение, используåòñÿ êогерентное (гетеродинное) детектирование излучения, è äëÿ реализации ìàêсимального эффектà â ýòèõ системах íåîáõîäèìî использовать смесители ñ íèçêîé шумовой температурой, широкîé полосой преобразования è малой мощностью ãå- òåðîäèíà. Â других çàäà÷àõ, ãäå íå требуåòñÿ âûñîêîå спектральное ðàç- решение, используåòñÿ íåêогерентное (ïðÿìîå) äåòåêтирование, è наибо- ëåå важными õарактеристикàìè прибора являютсÿ эквивалентная ìîù- ность øóìà, быстродействие, êомпактность îдного äåòåêòîðà, особенно â случае использования больших матриц äëÿ получения изображåíèé. Ïðè÷¼ì çàчастую äëÿ реальных ïðактических применений требуåòñÿ ñî- ÷åòàíèå îдновременно íèçêîé эквивалентной мощности øóìà è высокî- ãî быстродействия. Â радиометрах, â простейшем случае, температурное разрешение обратно пропорционально квадратному êîðíþ èç полосы äå- тектирования è óлучшаетсÿ ïðè уменьшении эквивалентной мощности øóìà. Òàêèì образом, увеличенèå полосы детектирования è уменьше- íèå эквивалентной мощности øóìà являютсÿ важными практическими çàäà÷àìè. Требования, предъявляемые ê чувствительности è быстроäåé- ствию приемникîâ терагерцового диапазона, определили íåîáõîдимость перехîäà ê êðèîãåííûì температурам, ãäå достигàåòñÿ наименьший øóì тепловых флуктуàöèé, è íàíîìетровûì размерам рабочих структур, ÷òî обеспечивает высокую чувствительность è быстродействие. Ïðè ýòîì çà последние íåñêîëüêî ëåò áûë достигнут существенный прогресс â ðàç- работкå è производстве дешевых è êомпактных îхлаждающих систем замкнутого цикла, íå требующих æèäêîãî гелия äëÿ достижåíèÿ темпе- ратур ïîðÿäêà íåñêольких êельвинов.

Обнаруженный ранее эффект электронного разогрева â тонких ñâåðхпровоäíèêîâûõ пленкàõ позволил разработàòü óíèêальные детек- òîðû электромагнитного излучения, обладающие ðåêîðäíîé чувстви- тельностью è быстродействием, à именно,

тронного ðазогрева electron - bolometer, HEB

â ñâåðхпровоäíèêîâûõ наноструктурах (àíãë.:

) [1, 2]. История данных болометров íàчалась

áîëîметры íà ýôфекте ýëåê-

hot -

â 80 - õ ãîäàõ XX âåêà, êîãäà возник большой интерес íàучного ñîîá- щества ê изучению неравеновесной ñâåðхпроводимости. Ïîä ãîðячими электронами понимаютсÿ носители çàðÿäà, энергетическîå распределе- íèå êоторых смещено относительно равновесного ïðè данной òåìïåðà- òóðå â ñòîðîíó больших энергий [3]. Исторически эффект электронного разогрева изучалсÿ сперва â ìåòаллах [4] è полупровоäíèêàõ [5]. Впервые эффект разогрева электронов â тонких ñâåðхпровоäíèêîâûõ ïë¼íêàõ, íà- õîдящихñÿ â резистивнîì состоÿíèè, áûë обнаружåí группой Å.Ì. Ãåð- шензона èç Ìîñêîâñêîãî ãîñóдарственного педагогическîãî èíñòèòóòà èì. Â.È. Ленина, íûíå Ìîñêîâñêîãî педагогическîãî ãîñóдарственного университетà [6, 7]. Прироäà открытого явления áûëà ïîдтверждена è более ãлубокî теоретически è ýêспериментально исследована ïîçæå â ðà- áîòàõ [810]. Â ýòèõ работàõ áûë представлен äåòальный теоретический анализ ìåõанизма электронного разогрева, à òàêæå проведено сравне- íèå теоретических данных ñ ýêспериментом. Áûëî исследовано влияние излучения миллиметрового è субмиллиметрового диапазона íà физиче- ñêèå свойства узких Nb полосок, íàõîдящихñÿ â резистивном состоÿíèè. Áûëî ïîêазано, ÷òî ïîä воздействием излучения возниêàåò дополнитель- íîå сопротивление полоски. Ïðè ýòîì áûëî ïîêазано, ÷òî зависимость времени релаксации этого сопротивления îò мощности падающего èçëó- чения è òîêà смещения ìîæåò áûòü объяснена эффектом электронного разогрева. Èñïользованная авторами ìîäåëü, предполагающая îднороä- íîå распределение электронной температуры полоски ïîä действием ïà- дающего излучения, позволила получить êоличественное ñîãласование ñ ýêспериментальными данными.

Базовый принцип работы детекторов íà основе боломеòðîâ íà ýô- фекте электронного разогрева ñâîäèòñÿ ê следующему. Электронная ïîä- система ñâåðхпровоäíèêà нагреваетсÿ ïîä действием падающего электро- магнитного излучения äî температуры, çíàчение êоторой существенно âûøå температуры решетки (фононной температуры). Возникновение данного эффектà возмоæíî толькî ïðè êриогенных температурах, ïî- ñêольку ïðè êомнатной температуре электронная è фононная ïîдсисте- ìû â ìåòаллах сильно связаны [11]. Ðазогрев электронной ïîдсистемы ñâåðхпровоäíèêà ñòановитсÿ причиной изменения сопротивлåíèÿ áîëî- метра. Ïî величине этого изменения ñ использованием известной зависи- мости сопротивления болометра îò температуры определяетсÿ мощность падающего излучения. Ïðè ýòîì â êàчестве ïîãлотителя è собственно

болометрическîãî элементà (элементà ñ известной температурной çàâè- симостью сопротивления) могут выступать äâà различных физических объектà, èëè æå îäèí единственный объект, ñîâìещающий â ñåáå îáà óêазанных свойства. Â изучаемых â работе болометрах íà эффекте ýëåê- тронного разогрева òàêèì объектом являетсÿ электронная ïîдсистема óëüтратонкîé пленки ñâåðхпровоäíèêà. Ìåõанизм îхлаждения электрон- íîé ïîдсистемы болометра связан ñ электрон - фононным взаимоäåé- ствием è óõîäîì неравновесных фононов èç пленки â ïîäëîæêó [10], à òàêæå óõîäîì неравновесных электронов â ìåòаллические êîíòàêòû çà ñ÷åò диффузии [1215] äëÿ болометров ñ длиной чувствительного ýëå- ìåíòà меньше диффузионной длины.

Óспехи â понимании физики происõîдящих процессов â тонких ñâåðхпровоäíèêîâûõ ïë¼íêàõ ïîä воздействием излучения миллиметро- âîãî è субмиллиметрового диапазона стимулировали создание практи- ческих óстройств (áîëîìåòðîâ), работающих íà ýòîì принципе. Ãëàâ- íûì ñòàë вопрос ñîãласования чувствительного элементà болометра ñ падающим излучением. Â ýòîì íàïðавлении ñòàëè активно развивать- ñÿ äâà ïîäõîäà: волновоäíûé è квазиоптический. Â случае волноводного ñîãласования болометр зажимаетсÿ между двумя секциями волновоä- íîãî áëîêà. Передняя секция несет гофрированный рупор. Длина âîë- íîâîäà â задней секциè ïîдбираетсÿ òàêèì образом, чтобы обеспечить оптимальное ñîãласование áîëîìåòðà ñ излучением [16]. Íà частотàõ âû- øå 1 ÒÃö традиционно используåòñÿ квазиоптическàÿ ñõåìà ñîãласова- íèÿ, ïîñêольку изготовление рупора íà ýòè частоты представляет ñîáîé ñëîæíóþ техническую çàäà÷ó. Â случае квазиоптическîãî ñîãласования болометр интегрируåòñÿ ñ планарной антенной, располоæенной â ôîêóñå âûòянутой ïîëóсферическîé èëè эллиптическîé линзы [1719].

Существенным преимуществом болометра íà эффекте электронно- ãî разогрева являетсÿ òî, ÷òî îí ìîæåò работàòü êàê â режиме ïðямого детектора, òàê è â режиме смесителя. Â òîì случае, åñëè требуåòñÿ ïî- лучить предельно высокîå спектральное разрешение, èëè æå требуåòñÿ получить фазовую информацию î сигнале относительно известного èñ- точникà (гетероäèíà), болометр ìîæåò áûòü использован â êогерентном (гетеродинном) режиме работы.

Â ýòîì случае íà болометр îäновременно ïîдаетсÿ сигнал гетероäè- íà известной частоты

ωLOè мощности:

ELOcos (ωLOt) .

(1)

À òàêæå сигнальное излучение, частоту êоторого требуåòñÿ определить:

ωRF, ôàçó

è мощность

Â формуëàõ 1 è 2

ERFcos (ωRFt + ϕRF) .

- амплитуäíûå çíàчения íàïðÿæенностей

(2)

полей излучения гетероäèíà è сигнального источникà, соответственно. Êàê óæå говорилось ранее, болометр регистрируåò мощность ïîãлощен- íîãî излучения, êоторая пропорциональна квадрату амплитуäû êолеба- íèé íàïðÿæенности суммарного ïîëÿ. Èç - çà ýòîé нелинейности è возни- êàåò возможность работы болометра â ðåæèìå ñìåñèòåëÿ, êîãäà сигнал формируåòñÿ íà разностной частоте между частотой сигнала è гетеро- äèíà. Поэтому â случае

ωRF≈ ωLOполучаем:

VS(t) ∝ [ERFcos (ωRFt + ϕRF) + ELOcos (ωLOt)]2=

(3)

= ERFELOcos (ωIFt + ϕRF) + H(t),

ãäå òåëÿ,

VS(t)

H(t)

- временная зависиìîñòü íàïðÿæåíèÿ сигнала ñî ñìåñè-

- âðåìåííàÿ зависимость âûñîêочастотной ñîñòавляющей ñèã- íàëà, êоторая отфильтровываетсÿ â êомпонентàõ гетеродинной системы. Òàêèì образом сигнал формируåòñÿ íà ò. í. разностной èëè промежуточ- íîé частоте:

ωIF= |ωRF− ωLO|.

(4)

Â ýòîì сигнале ñîäåðæèòñÿ фазовая è амплитуäíàÿ информация îá излучении сигнального источникà. Íà практикå предельное çíàчение спектрального разрешения, получаемого â данном режиме работы áîëî- метра, определяетсÿ шириной линии генерации гетероäèíà è ñòàáèëüíî- ñòüþ åãî работы. Фундаментальный предел ñî стороны болометра îãðà- ничен åãî временем Аллана è ìîæåò достигàòü единиц ãåðö.

Â режиме ïðямого детектирования, êоторый òàêæå называют íåêî- герентным режимом работы, болометр регистрирóåò величину ïîãлощен- íîé мощности излучения, ïðèõîдящего âî âõîäíîé полосе. Ïðè ýòîì äëÿ получения ñïåêтрального разрешения могут áûòü использованы различ- íûå óçêополосные ôèëüòðû, ïðèçìû, дифракционные решетки è ò. ï. Принципиальная áëîê - ñõåìà работы любого болометра â режиме ïðÿ- ìîãî детектора представлена íà ðèñ. 1. Особенностью исследуåìûõ â ðà- áîòå болометров íà эффекте электронного ðàçîãðåâà являетсÿ òî, ÷òî

Ðèñ. 1.Принципиальная ñõåìà боломеòðà. Â случае исследуåìûõ â ðàáîòå áîëî-

метров íà эффекте ýлектронного разогревà ïîãлотитель è термометр объединены â îäíîì физическîì объекте  электронной ïîдсистеме óëüтратонкîé пленки ñâåðõ- провоäíèêà.

ïîãлотитель è термометр объединены â îäíîì физическîì объекте  электронной ïîдсистеме óëüтратонкîé ñâåðхпровоäíèêîâîé пленки.

Важным параметром болометра являетсÿ åãî

íàÿ âðåìåíè

внутренняя постоян-

τ0=

(5)

ãäå

 теплоемкîñòü ïîãлотителя,

 êоэффициент теплопðîâîäíî- ñòè теплоотвоäà, соединяющего ïîãлотитель ñ тепловой ванной. Посто- янная времени õарактеризуåò быстродействие болометра. Чувствитель- ность болометра, работающего â режиме ïðямого детектора, ñ точки çðå- íèÿ возможности регистрации сигналов минимальной мощности õàðàê- теризуåòñÿ

power, NEP

ãäå

 среднее квадратическîå çíàчение øóìà системы â полосе

noise

эквивалентной мощностью øóìà

(àíãë.:

noise - equivalent

noise

√

(6)

NEPRx=

NEPRx эквивалентная мощность øóìà детекторной системû,

Bdðå-

гистрирующего электричåñêèé сигнал приборà (селективного âîëüòìåò- ðà, синхронного óсилителя è ò. ï.),

чувствительность детекторной системы, воздействием падающей мощности

. Очевидно, ÷åì меньше çíàчение

inc

= V

out/Pinc

 íàïðÿæåíèå сигнала ïîä

out

 âîëüò - ваттная

эквивалентной мощности øóìà, òåì более слабые сигналы ìîæåò çàðå- гистрировать детекторная система. Интересно, ÷òî постоянная времени è эквивалентная мощность øóìà детектора âñåãäà íàõîäÿòñÿ â обратной зависимости äðóã îò äðóãà (òàáë. 1). Стремление ê увеличению быстро- действия детектора çà ñ÷¼ò óлучшения теплоотвоäà ïðè ôèêсированной тепло¼мкîñòè непременно привоäèò ê ñíèæåíèþ åãî чувствительности è наоборот.

Çíàÿ эквивалентную мощность è постоянную времени детекторной

системы, ìîæíî оценить åå

энергетическое ðазрешение

(минимальное çíàчение энергии излучения â èìïóëüñå, êоторое способна зарегистриро- âàòü детекторная система):

δE ∼ NEPRx·√τ0. Â данной монографии

исследуåòñÿ работà болометра â режиме ïðямого детектирования, ýêñ- периментально è теоретически õарактеризуåòñÿ åãî постоянная времени, эквивалентная мощность øóìà è энергетическîå разрешение.

Â последнее äåñятилетие наблюдаетсÿ çíàчительный ðîñò заинтерå- сованности исследователей ê терагерцовому диапазону электромагнит- íîãî излучения (100 ÃÃö  10 ÒÃö [20]). Объясняетсÿ ýòîò интерес òåì, ÷òî данное излучение ìîæåò áûòü использовано è используåòñÿ â íà- ñòîÿùåå время âî многих важных практических областÿõ, связанных ñ системами безопасности, биологией, медициной è äð. [21]. Среди ýòèõ прилоæåíèé óêàæåì, ê примеру, êонтроль фармацевтическîé ïðîäóê- öèè ñ помощью терагерцовой спектроскîïèè [22], обнаружåíèå взрывча- òûõ è íàðêотических веществ, диагностикà êîæíûõ болезней [23] è äð. Äëÿ аналитическîé спектроскîïèè òåðàãåðöîâûé диапазон привлекàòå- ëåí òåì, ÷òî â íåì ëåæàò наиболее интенсивные вращательные спектры многих легких молекуë è íèçêочастотные êолебательные спектры ïîãëî- щения òÿæ¼ëûõ îðãанических молекуë [24]. Ðегистрация спектров ïîãëî- щения ãàçîâ â терагерцовом частотном диапазоне ñ высоким (вплоть äî êÃö) разрешеíèåì являетсÿ ñëîæíîé çàäà÷åé. Îíà требуåò êàê íàëè- ÷èÿ ñòабильных (

10−8-

−9

îò несущей частоты) è перестраиваемых â широкîì диапазоне источникîâ, òàê è чувствительных приемникîâ òå- рагерцового излучения, òàêèõ êàê болометры íà эффекте электронного разогрева.

Другим весьма перспективíûì направлением являетсÿ использова- íèå терагерцового излучения äëÿ êонтроля состоÿíèÿ âîдного баланса наружных оболочек ãëàçà [25] äëÿ диагностики ïатологий ãëàçà, связан- íûõ ñ èíâèлидизирующими нарушениями рефракции. Ýòî связано ñ òåì,

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]