КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ СМЕСИТЕЛИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА ЭФФЕКТЕ РАЗОГРЕВА ЭЛЕКТРОНОВ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ NbN

February 25, 2013 by admin Комментировать »

Вахтомин Ю.Б., Антипов С.В., Масленников С.Н., Смирнов К.В., Поляков С.Л., Чжан В., Свечников С.И., Каурова Н.С., Гришина Е.В., Воронов Б.М. и ГН. Гольцман Г.Н. Московский педагогический государственный университет ул. М. Пироговская, д. 1, г. Москва, 119992, Россия тел.: 495-2461202, e-mail: vachtomin@mail.ru

Аннотация – Представлены результаты измерения характеристик смесителей на эффекте разогрева электронов в тонких сверхпроводниковых пленках NbN. Смесители были изготовлены на основе пленок NbN толщиной 2-3.5 нм осажденных на кремниевую подложку с буферным подслоем МдО. Смесительный элемент согласовывался с планарной логопериодической спиральной антенной. Лучшее значение шумовой температуры приемника на основе NbN смесителя составило 1300 К и 3100 К на частотах гетеродина 2.5 ТГц и 3.8 ТГц, соответственно. Максимальное значение полосы преобразования, измеренной на частоте 900 ГГц, достигло значения 5.2 ГГц для смесителя изготовленного из NbN пленки толщиной 2 нм. Оптимальная мощность гетеродинного источника составила 1-3 мкВт для смесителей с различным объемом смесительного элемента.

I.                                       Введение

Интенсивность и спектральный состав излучения областей вселенной, в которых протекают процессы звездообразования содержит в себе информацию о процессах, происходящих при образовании новых звезд И галактик. Излучение, приходящееся на субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазон, обеспечивает около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный Путь.

Создание чувствительных радиоастрономических инструментов высокого разрешения для терагерцового диапазона частот представляет собой актуальную задачу. В настоящее время существует ряд международных радиоастрономических проектов, а так же проектов направленных на исследование атмосферы Земли, которые ориентированы на терагерцовый диапазон частот. Те из них, которые направлены на исследования частотного диапазона выше 1.2 ТГц, применяют смесители на эффекте электронного разогрева в сверхпроводнике (Hot Electron Bolometer), поскольку в этом диапазоне эти смесители не имеют конкурентоспособных аналогов. В частности, такие проекты как TELIS [1] и HERSCHEL [2] ориентированны на разработку гетеродинного приемника с каналом 1.8 ТГц и спектрометра с двумя каналами, перекрывающими диапазон частот 1.41-1.91 ТГц, соответственно.

На частотах до 2.5 ТГц шумовая температура приемников на основе НЕВ находится в соответствии со значением 101пш/к. Однако некоторые исследовательские проекты связаны с разработкой смесителей оптимизированных на более высокие частоты, например, в рамках проекта SOFIA [3] создается гетеродинный приемник на 4.8 ТГц. Результаты измерений на частотах гетеродина выше

2.5   ТГц показали значительное отклонение от уровня 101пш/к[4]. Поэтому разработка смесителей оптимизированных на высокие частоты является актуальной задачей.

Полоса преобразования является не менее важной характеристикой, чем чувствительность гетеродинного приемка. Это связано с тем, что в терагерцовом диапазоне частот не существует перестраиваемых гетеродинных приемников, что усложняет обнаружение линий на частотах далеко ОТСТОЯЩИХ от частоты гетеродина.

В радиоастрономических инструментах предпочтение отдается твердотельным гетеродинным источникам терагерцового диапазона в силу их компактности, малой массы и мощности потребления, несмотря на небольшую величину выходной МОЩНОСТИ. Выходная мощность таких источников на частоте 2 ТГц не превышает 1 мкВт. С силу этой причины при создании смесителей актуальной является задача снижения требуемой мощности гетеродинного источника.

II.                               Основная часть

Смесители на эффекте электронного разогрева были изготовлены из тонкой сверхпроводящей пленки NbN осажденной на кремниевую подложку с буферным подслоем МдО. Ультратонкие пленки NbN были получены методом реактивного магнетронного распыления ниобиевой мишени. Квазиоптические смесители с чувствительным элементом субмикронных размеров были изготовлены при помощи электронной и фотолитографий. Фотография центральной части смесителя полученная на электронном сканирующем микроскопе представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Изображение спиральной антенны (слева) и центральной части спиральной антенны с NbN мостиком (справа) полученное на электронном сканирующем микроскопе.

Fig. 1. SEM micrograph of the spiral antenna (left) and central part of spiral antenna with NbN bridge (right)

Смесители были изготовлены из пленок NbN ТОЛЩИНОЙ 2-3.5 нм на кремниевой подложке с буферным подслоем МдО и имели температуру сверхпроводящего перехода 9-11 К.

Шумовая температура приемника определялась при ПОМОЩИ стандартной методики «холодной» (77 К) И «горячей» (300 К) нагрузки. В качестве гетеродинного источника использовался газоразрядный лазер на парах воды с линиями генерации вблизи 2.5 И 3,8 ТГц.

Лучшее значение шумовой температуры приемника на основе электронно – разогревного смесителя составило 1300 К и 3100 К на частотах гетеродина

2.5   И 3.8 ТГц, соответственно.

Полоса преобразования смесителя на эффекте электронного разогрева определяется временем электрон-фононного взаимодействия Хэл-фон и временем выхода неравновесных фононов в подложку Твых[5]. Время выхода Хвых зависит от толщины пленки d и коэффициента акустического согласования между NbN пленкой и подложкой а следующим образом: Хвых = Ad/au, где и – скорость звука в нитриде ниобия.

Время электрон-фононного взаимодействия Хэл<рон для тонких NbN пленок определяется температурой сверхпроводящего перехода следующим образом[6]: Хэл-фон “500’7~

Исследования полосы преобразования смесителей на электронном разогреве проводились на частоте гетеродина 900 ГГц.

Табл. 1. Полоса преобразования NbN смесителей Table 1. Gain bandwidth of NbN mixers

Толщина пленки NbN,HM

Критическая температура, К

Полоса преобразования, ГГц

3.5

9.5-10

4.6-4.7

2.5

9-9.2

4.8-5

2

8-8.2

5.1 -5.2

При исследовании полосы преобразования смесителей использовалась традиционная схема измерения с двумя монохроматическими источниками в качестве сигнала и гетеродина.

Исследовались зависимости выходной мощности от промежуточной частоты в оптимальной по шумовым характеристикам рабочей точке на ВАХ для смесителей с различной толщиной пленки NbN.

Уменьшение толщины пленки приводит к уменьшению Хвых- Несмотря на то, что с уменьшением толщины пленки понижалась критическая температура, которая определяет Хэл<рон, нам удалось достичь заметного расширения полосы преобразования NbN. Как видно из таблицы 1, полоса преобразования в оптимальной рабочей точке для смесителя на основе пленки NbN толщиной 2 нм достигла значения 5.2 ГГц Заметим, что использование буферного подслоя МдО впервые позволило получить сверхпроводящую пленку NbN такой толщины с приемлемой температурой сверхпроводящего перехода. Например, 2 нм пленка NbN осажденная на кремниевую подложку имеет сверхпроводящий переход при температуре 7 К, а пленка такой же толщины на МдО подложке вообще не имеет сверхпроводящего перехода до температуры 4.2 К.

Оптимальная поглощенная мощность излучения гетеродинного источника для смесителей с различным объемом чувствительного элемента измеренная при помощи метода изотерм составила 200-500 нВт. При условии потерь во входном оптическом тракте порядка 6.5-7.5 дБ, мощность достаточная для работы приемника составляем 1-3 мкВт, что вполне достижимо при использовании твердотельных гетеродинных источников.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ:

5-                     02-08207 и 04-02-39016.

III.                           Список литературы

[ 1 ] httpMelis.af.op.dir.de/

[2]  http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Projects/Herschel/

[3]  http//sofia.arc.nasa.gov

[4]  A. Semenov etal., J. App. Phys, vol. 88, № 12

[5]  Gol’tsman G. N. et al, //Supercond.: Sci. and Technol., 1991, Vol.4, P.453

QUASIOPTICAL HOT ELECTRON BOLOMETER MIXERS BASED ON THIN NBN FILMS FOR TERAHERTZ REGION

Vachtomin Yu. B., Antipov S. V., Maslennikov S. N., Smirnov K. V., Polyakov S. L.,

Zhang W., Svechnikov S. I.,

Kaurova N. S., Grishina E. V.,

Voronov B. М., Gol’tsman G. N.

Moscow State Pedagogical University

M. Pirogovskaya str, 1, Moscow, 119992, Russia

Ph.: +7-495-2461202, e-mail: vachtomin@mail.ru

Abstract – Presented in this paper are the performances of HEB mixers based on 2-3.5 nm thick NbN films integrated with log-periodic spiral antenna. Double side-band receiver noise temperature values are 1300 К and 3100 К at 2.5 THz and at 3.8 THz, respectively. Mixer gain bandwidth is 5.2 GHz. Local oscillator power is 1 -3 μνν for mixers with different active area.

I.                                         Introduction

Currently, many terahertz radio astronomy projects and research efforts are aimed at studying the atmosphere of Earth. Generally, if such project is directed to the measurements at frequencies over 1.2 THz then HEB mixers that have no competitive analogues for this frequency range are used.

The measured noise temperature versus frequency dependence is well linearly approximated by 8-10Ьы/к for the frequencies less than 2.5 THz. However, the solution of a series of some scientific tasks, such as 4.8 THz channel of the SOFIA project [3], is concerned to the fabrication ofthe mixers that are optimized to operate at higher frequencies [4]. The sensitivity of the mixer at higher frequencies drops and the noise temperature versus frequency dependence significantly differs from ЮЬы/к. That is why further feasibility studies should be found if performance of heterodyne receivers directed to higher frequencies can be improved.

II.                                        Main Part

HEB mixers were manufactured of 2-3.5 nm thick superconducting NbN film on Si substrates with MgO buffer layer. Ultrathin NbN films have been deposited by reactive dc magnetron sputtering. Quasioptical mixer was made by lift-off e-beam lithography and photolithography. Typically, the mixers based on 2-3.5 nm thick NbN films on silicon substrates with MgO buffer layer have a superconducting transition temperature between 9 К and 11 K.

The measurements of noise temperatures were performed using CW gas discharge water-vapor laser as a local oscillator at frequencies near 2.5 THz and 3.8 THz. DSB receiver noise temperatures were determined using Y-factor technique. The temperature of hot and cold loads was 300K and 77K, respectively. The best value of receiver noise temperature based on NbN mixer with in-plane dimension 3 x 0.2 μίτ\^ we measured 1300 К at 2.5 THz and 3100 К at 3.8 THz. Noise temperature at 2.5 THz for this device depends on bias voltage and absorbed LO power.

We have also measured the gain bandwidths of the mixer NbN at the LO frequency of 0.9 THz. The largest gain bandwidth of 5.2 GHz was achieved for 2 nm thick NbN film based mixer.

The optimal absorbed LO power was determined by isothermal technique for the mixers with various active areas and amounts to 200-500 nW. The optical losses in the cryostat window, IR-filter and from reflection on silicon lens surface at 2.5 THz and 3.8 THz are approximately 6.5-7.5 dB. Hence the LO power required in order to pump the device to optimal for noise performance operating point is about 1-3 μW.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты