CC BY
15
УДК 538.945
А.В. Масленникова, С.А. Рябчун, М.И. Финкель, Н.С. Каурова, А.А. Исупова,
Б.М. Воронов, Г.Н. Гольцман Московский педагогический государственный университет
Широкополосные смесители на горячих электронах на основе NbN
наноструктур
Мы приводим данные исследования полосы преобразования смесителей на горячих электронах (hot-electron bolometer, НЕВ), изготовленных на основе тонких пленок NbN. Зависимость полосы преобразования от длины смесительного элемента находится в хорошем согласии с результатами теоретической модели HEB-смесителя, в котором энергетическая релаксация электронов одновременно происходит по двум каналам: фононному и диффузионному.
Ключевые слова: физика наноструктур, миллиметровые и субмиллиметровые волны, сверхпроводники, сверхпроводниковые пленки NbN, полоса преобразования, НЕВ-смесители, терагерцовый диапазон, радиоастрономия.
Последние данные, полученные в рамках проекта NASA Cosmic Background Explorer (COBE), показали, что половина излучения, приходящего на землю из космоса, находится в терагерцо-вой области электромагнитного спектра [1]. В 2009 году был запущен космический телескоп Herschel, на борту которого находится гетеродинный инструмент HIFI. Для работы в диапазоне 1,41-1,91 ТГц в HIFI используется технология смесителей на горячих электронах (НЕВ-смеси-телей). Именно НЕВ-смесители являются наиболее практичными в использовании приемниками терагерцовых частот благодаря хорошим шумовым показателям и низкой требуемой мощности гетеродина [2].
Несмотря на очевидные преимущества перед другими типами гетеродинных детекторов на частотах выше 1 ТГц, полоса преобразования практических HEB-смесителей с фононным каналом охлаждения не превышает 3-4 ГГц [3]. Это может налагать определенные ограничения на научные задачи будущих гетеродинных проектов [4].
Узким местом процесса релаксации энергии в НЕВ-смесителях с фононным каналом охлаждения является время ухода фононов в подложку [5]. Можно сократить это время и тем самым увеличить полосу преобразования либо уменьшением толщины пленки, либо с помощью буферного слоя, уменьшающего акустическое рассогласование между кристаллическими решетками сверхпроводящей пленки и подложки [6, 7]. Также было показано, что очистка поверхности между пленкой NbN и контактными площадками приводит к увеличению полосы преобразования до 6 ГГц и в то же время снижает шумовую температуру за счет снижения потерь на границе между пленкой и площадками [8, 9]. К сожалению, авторы не дают каких-либо объяснений увеличения полосы преобразования.
Когда длина смесителя коротка по сравнению с длиной термализации:
Lth = ^л/Drth
(где D — коэффициент электронной диффузии, а Tth — время релаксации электронной температуры для бесконечно длинного смесителя), горячие электроны диффундируют в контактные площадки, прежде чем рассеиваются фононами [10]. В этом процессе качество поверхности между пленкой и контактами имеет большое значение. Ширина полосы преобразования Nb HEB-смесителя с диффузионным охлаждением может достигать 9 ГГц [11], но, к сожалению, имеются определенные трудности согласования этого результата со стабильностью рабочей точки и низким шумом в ней.
Работа посвящена демонстрации возможности расширения полосы преобразования HEB-смесителей путем включения диффузионного канала охлаждения электронной подсистемы сверхпроводящей пленки, что было достигнуто уменьшением длины НЕВ-смесителя до длины терма-лизации. Это позволило нам создать смесители, в которых фононный и диффузионный каналы
вносят примерно одинаковые вклады в механизм охлаждения электронной подсистемы сверхпроводящей пленки, чем достигается широкая полоса преобразования в сочетании с термической стабильностью рабочей точкп. Этот новый впд HEB-смесителя с большой вероятностью может стать в будущем самым популярным детектором среди других терагерцовых гетеродинных при-емнпков [12].
Нашп НЕВ-смесптелп были изготовлены пз NbN пленок толщиной 3,Б нм, осажденных на Si подложке. После осажденпя NbN без нарушения вакуума (in situ) осаждался слой Au толщиной 1Б нм, который затем подвергался ионному и химическому травлению через окно в электронном резпсте для формирования болометрических элементов с длиной 0,1-0,4 нм. Поверхностное сопротивление NbN пленок составляло около Б00 Ом/П. Учитывая это, соотношение длины к ширине смесителя было выбрано равным 0,1 для обеспечения хорошего согласования между болометром и логоспиральной антенной с сопротивлением ТБ Ом на радиочастотах. На рис. 1 представлен снпмок частп НЕВ-смесптеля, сделанный на сканирующем электронном микроскопе. Типичный график зависимости сопротивления НЕВ-смесптеля от температуры представлен на рис. 2. Первый сверхпроводящий переход болометра приходится на 9 К. Другие два перехода при б,Б К п Б,Б К обусловлены эффектом близости на поверхности соприкосновения слоев NbN п Au пленки NbN под антенной и контактными площадками. Плотность критического тока наших НЕВ-смесптелей составляет примерно 4,Б ■ 106 А ■ см-2.
Рис. 1. Снимок части НЕВ смесителя, сделанный на сканирующем электронном микроскопе (показаны: внутренняя часть спиральной антенны и болометрический элемент в ее центре)
Температура [К]
Рис. 2. Типичный график зависимости сопротивления НЕВ-смесителя от температуры
Промежуточная частота Рис. 3. Результаты измерений полосы преобразования двух НЕВ-смесителей с длинами 0,12 мкм (А) и 0,35 мкм (□). Сплошные линии соответствуют аппроксимирующей функции (1), где Бс = 6,5 ГГц и Бс = 3,5 ГГц
Длина смесителя [мкм]
Рис. 4. Зависимость полосы преобразования НЕВ-смесителя от его длины. Сплошная линия соответствует теоретической зависимости, построенной по формулам (2), (•) — экспериментально полученные значения
Поскольку модель однородного электронного разогрева, описывающая работу НЕВ-смесите-ля, применима только вблизи сверхпроводящего перехода, мы проводили измерения полосы преобразования при критической температуре Тс. В этом случае энергетическая щель практически подавлена, и смеситель поглощает энергию падающего излучения почти одинаково при любых частотах. В качестве гетеродинного и сигнального источников мы выбрали две лампы обратной волны (ЛОВ), работающие на частоте 300 ГГц. Частота сигнальной ЛОВ была неизменна в течение эксперимента, в то время как частота гетеродинной ЛОВ перестраивалась таким образом, чтобы промежуточная частота (ПЧ) принимала значения от 0,1 ГГц до 8 ГГц с шагом примерно 0,2 ГГц. Выходящий сигнал проходил по тракту ПЧ с полосой пропускания ~ 36 дБ в диапазоне
0,1-12 ГГц и попадал в анализатор спектра.
На рис. 3 представлены результаты измерения полосы преобразования для двух устройств с длинами 0,12 мкм и 0,35 мкм. Данные аппроксимированы функцией
Р (/) =----р(0----- (1)
(/) 1 + (//Бс)2, ()
где Бс = 6,5 ГГц и Бс = 3,5 ГГц для длин 0,12 мкм и 0,35 мкм соответственно. Значение 3,5 ГГц характерно для НЕВ-смесителей с фононным каналом охлаждения на Бі-подложках без дополнительного промежуточного слоя. Мы провели аналогичные измерения для ряда НЕВ-смесителей с длинами от 0,12 мкм до 0,35 мкм. Результаты представлены на рис. 4.
Точные уравнения, описывающие динамику НЕВ-смесителей с фононным каналом охлаждения, могут быть решены только численно [13]. В частности, для решения этих уравнений для
диффузионного охлаждения приходится решать систему нелинейных уравнений диффузии. Только когда болометр нагревается до своей критической температуры, эти уравнения становятся линейными и могут быть решены аналитически. Мы начинаем с уравнений теплового баланса, аналогичных уравнениям, полученным в [14], для НЕВ-смесителя с двумя каналами охлаждения:
_ Те — ТрН Те — Ть .2 , , ЛТрь _ Се Те — ТрН Тр^ — Т,,
+ ,?2р + р(*), = — --^ ь. (2)
^ те-рк тdif f ^ срН те-рк тевс
Здесь Те и Трь — электронная и фононная температуры, усредненные по длине смесителя, Ть — температура ванны (в нашем случае Ть = 9 К), те-р^ = 500 ■ Те-1,6 пс ■ К1,6 [15] и тезс = 10,9 ■ ^ пс ■ нм-1 [16] — время электрон-фононного взаимодействия и время ухода фононов в подложку, и Tdiff — эффективное время диффузии электронов [17]. Теплоемкости определены как се = 1,85 ■ 10-4 ■ Те Дж ■ см-3 ■ К-2 [16] и сри = 9,7 ■ 10-6 ■ Те3 Дж ■ см-3 ■ К-4 [18]; коэффициент диффузии в = 0,45 см2 ■ с-1 [19]. Для р(£) ~ ешЬ получены частотная зависимость
коэффициента преобразования и зависимость длины от 3 дБ спада. Эта зависимость также приведена на рис. 3 наряду с экспериментальными результатами. Как видно, экспериментальные данные хорошо согласуются с моделью. Необходимо подчеркнуть два момента. Во-первых, модель не содержит подгоночных параметров, а во-вторых, можно пренебречь несущественным при Тс саморазогревом.
Таким образом, наши измерения полосы преобразования, проведенные в области сверхпроводящего перехода, показывают, что зависимость частоты полосы преобразования от длины смесителя согласуется с предсказаниями модели НЕВ-смесителя, в которых диффузионный канал охлаждения электронов существует одновременно с фононным каналом. Измеренная полоса преобразования смесителя с длиной 0,12 мкм оказалась равной Бс = 6,5 ГГц, что является практически важным результатом для исследуемых НЕВ-смесителей.
Поисковая научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, ГК №№ П144, П1287, НШ-3265.2010.2, 02.740.11.0251, 02.740.11.0228, 16.740.11.0378.
Литература
1. Leisawitz D.T. [et al.] Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers // Proc. SPIE. — 2000. — V. 4013. — P. 36-46.
2. Cherednichenko S., Drakinskiy V., Berg T., Khosropanah P., Kollberg E. Hot-electron bolometer terahertz mixers for the Herschel Space Observatory// Rev. Sci. Instrum. — 2008. — V. 79. — P. 034501-034511.
3. Cherednichenko S., Drakinskiy V., Baubert J., Krieg J.-M., Voronov B., Gol’tsman G., Desmaris V. Gain bandwidth of NbN hot-electron bolometer terahertz mixers on 1,5^mSi3N4/SiO2 membranes // J. Appl. Phys. — 2007. — V. 101. — P. 124508-124514.
4. Malo I., Gallego J.D., Diez C., Lopez-Fernandez I., Briso C. Improved Multi-octave 3 dB IF Hybrid for Radio Astronomy Cryogenic Receivers // The Proc. 20th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — 2009. — P. 300--307.
5. Semenov A.D., Gol’tsman G.N., Sobolewski R. Hot-electron effect in superconductors and its applications for radiation sensors // Supercond. Sci. Technol. — 2002. — V. 15. — P. R1-R16.
6. Cherednichenko S., Drakinskiy V.J. Low Noise Hot-Electron Bolometer Mixers for Terahertz Frequencies // J. Low Temp. Phys. — 2008. — V. 151. — P. 575-579.
7. Vachtomin Yu., Finkel M., Antipov S., Voronov B., Smirnov K., Kaurova N., Drakinski V., Goltsman G. Gain bandwidth of Photon-Cooled HEB Mixer made of NbN Thin Film with MgO Buffer Layer on Si // Proc. of the 13th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — 2002. — P. 259-270.
8. Baselmans J.J.A., Hajenius M., Gao J.R., Klapwijk T.M., de Korte P.A.J., Voronov B.,
Gol’tsman G. Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett. — 2004. — V. 84. — P. 1958-1961.
9. Khosropanah P., Gao J.R., Laauwen W.M., Hajenius M., Klapwijk T.M. Low noise NbN hot
electron bolometer mixer at 4.3 THz // Appl. Phys. Lett. — 2007. — V. 91. — P. 221111-221114.
10. Prober D.E. Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer // Appl. Phys. Lett. — 1993. — V. 62. — P. 2119-2122.
11. Wyss R.A., Karasik B.S., Mc Grath W.R., Bumble B., Le Duc H. Noise and bandwidth
measurements of diffusion-cooled Nb hot electron bolometer mixers at frequencies above the
superconductive energy gap // The Proc. 10th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — 1999. — P. 215-228.
12. Ryabchun S.A., Tretyakov I.V., Finkel M.I., Maslennikov S.N., Kaurova N.S., Seleznev V.A., Voronov B.M., Gol’tsman G.N. NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixer with Additional Diffusion Cooling // The Proc. 20th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — 2009. — P. 151-154.
13. Kaganov M.L., Lifshitz I.M., Tanatarov L.V. Relaxation between electrons and the crystalline lattice // Sov. Phys.-JETP. — 1957. — V. 4. — P. 173-178.
14. Perrin N., Vanneste C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation // Phys. Rev. B. — 1983. — V. 28. — P. 5150-5159.
15. Gousev Yu. P., Goil’tsman G.N., Semenov A.D., Gershenzon E.M., Nebosis R.S., Heusinger M.A., Renk K.F. Broadband ultrafast superconducting NbN detector for electromagnetic radiation // J. Appl. Phys. — 1994. — V. 75. — P. 3695-3698.
16. Il’in K.S., Lindgren M., Currie M., Semenov A.D., Gol’tsman G.N., Sobolewski R. Picosecond hot-electron energy relaxation in NbN superconducting photodetectors // Appl. Phys. Lett. — 2000. — V. 76. — P. 2752-2755.
17. Burke P.J., Schoelkopf R.J., Prober D.E., Skalare A., Karasik B.S., Gaidis M.C., Mc Grath W.R., Bumble B., and Le Duc H.G. J. Mixing and noise in diffusion and phonon cooled superconducting hot-electron bolometers // J. Appl. Phys. — 1999. — V. 85. — P. 1644--1654.
18. Semenov A.D., Nebosis R.S., Gousev Yu., Heusinger M.A., Renk K.F. Analysis of the nonequilibrium photoresponse of superconducting films to pulsed radiation by use of a two-temperature model // Phys. Rev. B. — 1995. — V. 52. — P. 581-590.
19. Semenov A.D., Goltsman G.N., Korneev A.A. Quantum detection by current carrying superconducting film // Physica C. — 2001. — V. 351. — P. 349-356.
Поступила в редакцию 27.04-2011.
