Анализ чувствительного сверхпроводящего прямого детектора с интегрированной антенной терагерцового излучения на переменном токе смещения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Терагерцевое излучение -- вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон ТГц частот 3·1011--3·1012 Гц, диапазон длин волн 1--0,1 мм соответственно. Такие волны ещё называются субмиллиметровыми.

ТГц излучение -- не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода -- нет.

Наука и техника ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60--70-х годов XX века, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения. Сейчас это бурно развивающееся направление, имеющее большие перспективы в различных отраслях.

Терагерцовая область лежит по частотам выше вакуумной СВЧ-электроники (клистроны, магнетроны, ЛБВ, ЛОВ), но ниже, чем фотоника (инфракрасные и оптические лазеры). Последние двадцать лет, благодаря развитию методов генерации терагерцового излучения на базе мощных пикосекундных лазеров, твердотельных квантовых каскадных терагерцовых лазеров, источников, основанных на электронных пучках (лампы обратной волны, гиротроны, источники когерентного терагерцового синхротронного излучения, мощные перенастраиваемые терагерцовые лазеры на свободных электронах), интерес к исследованиям в терагерцовой области резко вырос.

Это обусловлено также особыми свойствами терагерцового излучения:

* это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,1-0,001 эВ);

* излучение хорошо проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/л 4);

* это область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков, колебаний твердотельной плазмы;

* атомные спектры высоко возбужденных ридберговских состояний лежат в терагерцовой области;

* это область водородных связей и вандер-ваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия;

* энергия фотонов терагерцового излучения лежит в области энергетической щели сверхпроводников.

Первый раз массовый интерес к этой уникальной частотной области возник, как к приложению для обнаружения контрабанды и распознавания опухоли. ТГц-излучение также может проходить через многие материалы, используемые для упаковки и одежды, что в последние годы вызвало интерес со стороны органов безопасности во всем мире. Используя чувствительные детекторы ТГц, можно измерять эмиссию ТГц излучения от человеческого тела. Скрытые объекты (в отличие от одежды, которая является прозрачной) показывают различную ТГц-излучение, чем остальная часть тела, и поэтому могут быть обнаружены, даже если они находятся под одеждой. Он также интересен для неразрушающего контроля материалов, где измерения пропускания ТГц излучения могут выявлять внутренние включения в материалах. Уже есть группы по всему миру которые применяются специализированные терагерцовые методики для диагностики заболевании, распознавания структурных состоянии протеина, мониторинг связывания с рецептором. Коммерческая система терагерцовой визуализации начала испытания в медицинских учреждениях и новые гетеродинноидные томографы с гораздо более глубоким проникновением в ткани начали появляться.

Терагерцовый диапазон частот является очень привлекательным для применения в ряде прикладных приложении, таких как системы безопасности и медицина. К сожалению, в настоящее время использование ТГц диапазона имеет ряд трудностей, связанных, с источниками ТГц излучения таких, как газоразрядные лазеры, квантово-каскадные лазеры, умножители частот на полупроводниковых сверхрешетках. Эти источники ТГц излучения являются маломощными и имеют низкую стабильность, в сравнении с импульсными источниками ТГц излучения. По этой причине, разработка устройств, основанных на эффективных методах генерации импульсного ТГц излучения является наиболее многообещающими для дальнейшего развития в этой области. Метод оптического выпрямления или метод генерации разностной частоты в оптических нелинейных кристаллах входят в их число. Импульсные источники ТГц излучения являются более надежными, поэтому они являются хорошими кандидатами для практического использования в ТГц системах. В тоже время эти системы требуют быстродействующих и чувствительных детекторов ТГц излучения. Детекторы должны воспроизводить импульсы без искажения их формы.

Всем требованиям отвечает прямой детектор на эффекте электронного разогрева, который демонстрирует хорошую чувствительность с коротким временем отклика и функционирует при доступных гелиевых температурах. Данный детектор может быть использован в ряде востребованных практических приложении, связанных с медициной и системами обнаружения наркотических и взрывчатых веществ, где требуется использование импульсного ТГц излучения.

Другим перспективным направлением использования приемников терагерцового диапазона является разработка систем безопасности: обнаружение скрытых металлических и не металлических объектов в корреспонденции, багаже, а также на теле человека; разработка систем скрытой связи на расстояния в несколько единиц и десятков километров (last mile или последняя миля). Досмотровые системы безопасности могут работать как в активном режиме, т.е. при облучении объектов излучением терагерцового диапазона (проверка корреспонденции, багажа), так и в пассивном режиме (обнаружение скрытых на теле человека предметов), когда источником излучения является сам человек, а контраст в изображении появляется после прохождения излучением скрытого объекта на фоне излучения человеческого тела. В первом случае легко осуществить большую скорость сканирования объекта и реализацию цветного (или спектрального) зрения с осуществлением спектрального анализа и определением вещества спрятанного объекта. В пассивном режиме обнаружения скрытых на теле человека объектов, само обнаружение возможно производить скрытно, ввиду отсутствия источника излучения, но для реализации этого метода необходимы чувствительные и быстродействующие детекторы, например, такие, как сверхпроводниковые смесители и болометры. И если активные системы миллиметрового диапазона волн уже используются в ряде аэропортов, то системы терагерцового пассивного приема еще только находятся в стадии разработки. Для создания систем терагерцового видения потенциально применимы и перспективны и смесители на основе гетеропереходов AlGaAs/GaAs, поскольку, обладая не значительно меньшей чувствительностью, эти приборы работают при азотных температурах, что значительно упрощает реализацию практических устройств.

Мы представляем результаты работы быстрого сверхпроводящего детектора с интегрированной антенной терагерцового диапазона на эффекте горячих электронов (HEB) работающей на переменном токе. Мы экспериментально продемонстрируем что данный подход не приводит к значительным ухудшениям чувствительности HEB по сравнению с такими же детекторами, работающими на постоянном токе. Численное решение одномерного стационарного уравнения теплового баланса для электронов в болометре используется для расчета величины чувствительности HEB. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментом. Мы также обсуждаем возможность реализации технологии многоэлементных матриц с частотным мультиплексированием на переменном токе сменщения.

Многоэлементные матрицы сверхпроводящих болометров, в первую очередь детекторы детекторы на кинетической индуктивности (MKID), разрабатываются для ряда астрономических наблюдений в дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах. Используемые в настоящее время в таких системах детекторы имеют предельную чувствительность, ограниченную фотонным шумом, которая достигается за счет субкельвиновых рабочих температур. Этот частотный диапазон также привлекателен для ряда важных практических приложений, таких как системы безопасности и медицина. Сверхпроводящий болометр на эффекте электронного разогрева (HEB) является одним из хорошо известных устройств, которые потенциально могут использоваться в качестве элементов таких матриц для дальнего инфракрасного диапазона (ТГц). HEB работает с более удобными температурами жидкого гелия и демонстрирует высокую чувствительность и сверхнизкую постоянную времени по отношению к другим современным детекторам ТГц излучения. В то же время в реальной практике мы видим, что разработчики во всем мире предпочитают использовать импульсные ТГц-источники, которые являются надежными, более мощными, стабильными в работе и удобными в использовании, в сравнении с непрерывными источниками ТГц-излучения. По этой причине практические системы ТГц должны быть оборудованы чувствительными и быстрыми дететорами. Обе функции объединены в прямом детекторе на основе HEB.

В традиционном режиме работы это требует повышения температуры ванны до температуры сверхпроводящего перехода и смещения напряжения постоянного тока, как это делается с другим широко известным детектором излучения на основе датчика на границе перехода сверхпроводник-металл (TES). В этом режиме HEB демонстрирует относительно хорошую чувствительность и короткое время отклика в несколько десятков пикосекунд. Практическое применение таких болометров в ТГц требует объединения большого числа болометров в монолитную матрицу. В то же время такая интеграция большого количества смещаемых по постоянному току болометров с матрицей на одном кристалле представляет собой очень сложную задачу из-за экспоненциального роста числа проводов между детекторами и считывающей электроникой с увеличением числа элементов матрице. Одним из очевидных решений этой проблемы является использование тока переменного смещения для детекторов. Этот метод позволяет легко расширять многоэлементные матрицы со стандартной техникой мультиплексирования в частотной области (FDM).

Этот метод был предложен и продемонстрирован ранее для матрицы из более чем нескольких тысяч пикселей. Кроме того, использование высокочастотного метода смещения позволяет устранить влияние низкочастотного шума, что значительно увеличивает чувствительность детекторов по сравнению с традиционным методом смещения постоянного тока.

В данной работе мы представляем результаты исследования быстрого и чувствительного сверхпроводящего прямого детектора с интегрированной антенной ТГц излучения, на основе NbN, на переменном токе смещения. Мы также обсуждаем возможность реализации методики смещения переменного тока для многоэлементных матриц с частотно-доменным мультиплексированием HEB. Мы экспериментально демонстрируем, что этот подход не приводит к значительному ухудшению чувствительности HEB по сравнению с его значением, полученным, когда один и тот же детектор работает на постоянном токе. Численное решение одномерного стационарного уравнения теплового баланса для электронов в болометре используется для расчета величины чувствительности HEB. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментом.

1. Болометрические детекторы для ТГц диапазона

1.1 Основы работы болометров

Болометры - это детекторы излучения, которые широко используются в качестве чувствительных детекторов для теплового излучения с момента их разработки в конце XIX в. Базовая структура классического болометра с тех пор не изменилась. Схематический вид базовых компонентов болометра показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Схематическое представление классического болометра, состоящего из трех компонентов. Поглотитель, чувствительный элемент болометра с теплоемкостью С и термометр. Болометр термически соединен с термостатом с температурой Tb. Тепловая связь описывается коэффициентом тепловой связи G

Болометр состоит из поглощающего материала, который преобразует поступающее излучение Pinc в тепло. Этот поглотитель соединен с чувствительным элементом болометра. Когда излучение поглощается поглотителем, полученное тепло передается в чувствительный элемент болометра. Чувствительный элемент болометра нагревается в зависимости от количества энергии, поглощенной его теплоемкостью C. Изменение температуры болометра производится термометром. Разность температур между необлученным состоянием и облученным состоянием пропорциональна мощности поглощенного излучения. Для возвращения в исходное состояние чувствительный элемент болометра соединен с термальной ванной. Тепловая связь описывается коэффициентом тепловой связи G. Коэффициент тепловой связи определяет время, в течение которого спадает нагрев болометра. Когда поглотитель болометра больше не подвергается облучению, температура болометра Т восстанавливается обратно до температуры термической ванны Tb. Временную зависимость поглощения всех излучении болометром, можно описать уравнением теплового баланса системы:

(1.1)

Скорость этого изменения температуры или его обратно пропорциональное время, в которое болометр может релаксировать до его равновесного состояния, определяется соотношением между коэффициентом тепловой связи G и теплоемкостью C чувствительного элемента болометра. Это время постоянно и может быть вычислено из (1.1):

(1.2)

Когда чувствительный элемент болометра имеет большую теплоемкость, он может хранить больше тепла, чем болометр с небольшой теплоемкостью. Для фиксированной тепловой связи болометр с меньшей теплоемкостью будет гораздо быстрее релаксировать до температуры ванны, чем болометр с большей теплоемкостью. Точно так же для фиксированной теплоемкости, прочность коэффициента тепловой связи определяет, насколько быстро тепло может передаваться от болометра к термальной ванне. Чем больше коэффициент тепловой связи, тем быстрее происходит релаксация в исходное состояние.

Когда болометр облучается источником излучения с амплитудно-модулированной выходной мощностью, изменение температуры болометра зависит от модуляции входящего излучения. Когда мощность входящего излучения Pinc состоит из участка с постоянной мощностью P0 и переменной части ДP, его можно записать в виде:

(1.3)

Где щ - частота модуляции выходной мощности. Используя уравнение (1.1) и (1.3), температурный отклик болометра ДT на мощность входящего излучения ДP можно рассчитать:

(1.4)

где ф берется из уравнения (1.2). Уравнение (1.4) описывает термальную чувствительность Sth болометра для входящего излучения в [K / W]. Величина чувствительности зависит, с одной стороны, от коэффициента тепловой связи между болометром и термальной ванной. С другой стороны, это зависит от ф теплоемкости чувствительного элемента болометра. В зависимости от частоты модуляции щ входящего излучения доминирующим является один из двух факторов. В пределе (щф >> 1) уравнение (1.4) упрощается до:

 (1.5)

Отклик болометра обратно пропорционален его теплоемкости. Кроме того, в этом режиме работы отклик болометра становится зависимым от частоты. Увеличение частоты модуляции приводит к уменьшению чувствительности. Для высокой чувствительности в этом режиме работы теплоемкость должна быть как можно меньше. В пределе (щф << 1) уравнение (1.4) упрощается до:

(1.6)

Это наиболее распространенный режим работы болометров. Отклик увеличивается с уменьшением тепловой связи, но постоянная времени болометра увеличивается. Для оптимальной работы фактор G следует выбирать как можно меньшим. При работе болометра в этом режиме произведение чувствительности и скорости болометра является постоянным.

(1.7)

Единственный способ увеличить температурный отклик болометра без изменения скорости - это изменение теплоемкости чувствительного элемента болометра. Теплоемкость болометра C может быть рассчитана из объемной теплоемкости cV материала болометра и объема чувствительного элемента болометра V до C = cVV. Объемная теплоемкость зависит от выбора материала для чувствительного элемента болометра. Ограничения объема болометра определяются пределами производственного процесса.

Температурный отклик болометра прямо пропорционален мощности входящего излучения. Для измерения этого изменения температуры необходимо использовать термометр. Существует множество различных термометров, в зависимости от их вида отклик болометра может быть измерен разными способами. Наиболее распространенным видом болометра является резистивный болометр, где температура измеряется с помощью резистора, который имеет хорошо известную температурную зависимость R (T). При смещении резистивного болометра с постоянным током Ib сигнал реагирует пропорционально изменению мощности входящего излучения. Его можно измерить, используя изменение напряжения за счет нагрева резистора с постоянным током смещения.

(1.8)

Электрическая чувствительность такого резистивного болометра определяется как изменение напряжения на детекторе ДV в отношении изменения мощности излучения ДP. С учетом (1.8) и (1.4) чувствительность можно записать в виде:

(1.9)

Электрическая чувствительность резистивного болометра имеет тот же вид, что и термочувствительность болометра, и, таким образом, применяются те же зависимости, что и для C, G и t. Уравнение (1.7) можно переписать с учетом электрической чувствительности . Это означает, что чувствительность болометра все же может быть увеличена только за счет скорости.

Введение резистивного термометра дает другой метод увеличения чувствительности болометра без снижения его скорости. Чувствительность резистивного болометра непосредственно зависит от крутизны температурной производной сопротивления. Температурная производная сопротивления является свойством материала, из которого изготовлен термометр.

Для оптимизации чувствительности и скорости болометра выбор материала для разных частей болометра имеет большое значение. Поглотитель должен быть изготовлен из материала, который может поглощать все входящее излучение.

Температурная производная сопротивления термометра должна быть как можно больше. Теплоемкость чувствительного элемента болометра должна быть как можно меньше. И тепловая связь тела болометра с термостатом G должна быть как можно меньше. Принимая во внимание все необходимые параметры для быстрого и чувствительного болометра, подходящие материалы весьма ограничены. Для болометров, работающих при комнатной температуре, используются в основном тонкие металлические пленки или полупроводники. При комнатной температуре удельные теплоемкости металлов (например, платины cp,pt=0,13) и полупроводников (например, кремния cp, si = 0,75) находятся в том же порядке величины, так что при таком объеме болометра не возникнет большой разницы в работе. В современных полупроводниковых болометрах обычно используемыми материалами с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС=) являются VaOx, SiGe или YBaCuO, которые варьируются от 2 до 4%/K или металлы имеют максимальный ТКС 0,3%/K. Для дальнейшего повышения чувствительности болометра при комнатной температуре единственным доступным параметром для настройки является тепловая связь между чувствительным элементом болометра и термостатом. Увеличивая G можно повысить чувствительность. Обычно это достигается путем размещения болометра на тонкой мембране или с использованием структуры типа «паутина». Сильная тепловая развязка приводит к высокой чувствительности порядка 106 , но также увеличивает время отклика болометров до нескольких миллисекунд. Есть материалы с более высоким ТКС при комнатной температуре, но их трудно использовать в качестве болометров.

Чтобы уменьшить зависящие от температуры шумовые вклады, обычно охлаждают болометр. Другим положительным побочным эффектом низкотемпературной работы является сильное уменьшение теплоемкости материала болометра с понижением температуры. Согласно модели Дебая, фононная теплоемкость твердого материала при температурах значительно ниже температуры Дебая сильно зависит от температуры cV T3, где cV объемная теплоемкость материала. Поэтому при низких температурах скорость болометров значительно возрастает. При работе в низких температурах сверхпроводящие материалы являются возможными кандидатами для использования в качестве чувствительного элемента болометра. Они показывают сильную зависимость сопротивления от температуры при температуре сверхпроводящего перехода Тс. Такие переходы изображены на рисунке 1.2. Здесь показан сверхпроводящий переход из тонкого танталового проволочного болометра. Сверхпроводящие болометры, изготовленные из титана, демонстрируют ширину перехода в пределах нескольких мК. Из-за очень малой ширины их сверхпроводящего перехода ДTC ТКС сверхпроводника, работающего при его переходе, может быть на порядки выше, чем у обычных полупроводниковых или нормальных металлических болометров. Поэтому они хорошо подходят как термометры для болометров. Общим подходом к использованию этих свойств является использование композитных сверхпроводящих болометров с не сверхпроводящим поглотителем и небольшим чувствительным элементом сверхпроводящего болометра в качестве термометра. Болометры со сверхпроводящим термометром должны работать при температурах ниже или близких к ТС, которые находятся в диапазоне от нескольких сотен мК для алюминия или до 80 К для YBCO.

Рис. 2. Показана зависимость сопротивления от температуры тонкой сверхпроводящей танталовой проволоки вблизи ее критической температуры TC

Детекторы, работающие на сверхпроводящем переходе в режиме прямой регистрации, называют болометрами на сверхпроводящем переходе (TES). Было доказано, что такой детектор очень чувствителен, а современные детекторы достигают эквивалентной мощности шума для титановых детекторов при 375 мК. Хотя время отклика такого болометра достигает 13 мс.

Для дальнейшего увеличения скорости болометра необходимо уменьшить теплоемкость корпуса болометра. Это может быть достигнуто за счет уменьшения его размеров. Теплоемкость болометра напрямую зависит от его объема C=cVV=cV wld, где w,l и d ширина, длина и толщина болометра соответственно. Поэтому желательно миниатюризировать детекторный элемент.

Планарные размеры, с одной стороны, ограничены технологическим пределом используемой системы литографии (которая находится в пределах нескольких 10 нм). С другой стороны, сверхпроводящие свойства тонких пленок, используемых для элементов болометра, также зависят от размера, а толщина пленки ограничена технологией изготовления ультратонких пленок до толщины в несколько нм. Для слишком тонких или небольших латеральных структур температура сверхпроводящего перехода и критический ток значительно уменьшаются, что делает их непригодными для применения в болометрах.

Можно сделать вывод, что для изготовления быстрых и чувствительных болометров материалы используемы для изготовления чувствительного элемента термометра/болометра должны иметь высокий ТКС при рабочей температуре. Скорость болометров может быть увеличена за счет уменьшения теплоемкости болометра. Это может быть достигнуто за счет уменьшения объема чувствительного элемента болометра и низкой рабочей температуры. Для работы при низких температурах сверхпроводящие тонкопленочные болометры демонстрируют очень хорошие характеристики.

Мощность сигнала многих интересных приложений в ТГц частотном диапазоне очень мала, что затрудняет обнаружение. Для обнаружения таких малых сигналов необходимо наличие очень чувствительных детекторов. Одним из видов детекторов, которые могут удовлетворить эту потребность, является болометр на эффекте электронного разогрева (HEB).



Рис. 3. Схематическое изображение переноса энергии в болометре на эффекте горячих электронов

Когда электроны в материале могут быть описаны как термически отделенные от фононов, они могут иметь различную температуру.

Это может случиться, когда тепловая связь между фононами и электронами слабее тепловой связи между фононами и подложкой. Это означает, что электроны могут нагреваться, в то время как фононы остаются холодными, поэтому используется термин «горячий электрон». В этой ситуации и электроны, и фононы могут находиться в тепловом равновесии, каждый из которых имеет свою собственную температуру, где температура нагретых электронов Тэ выше, чем температура фононов Тф. Сначала термин «горячий электрон» был использован для описания неравновесных электронов в полупроводниках. С тех пор эффект горячих электронов наблюдался в металлах и сверхпроводящих системах.

В сверхпроводящем HEB в качестве поглотителя и чувствительного элемента болометра используются электроны и куперовские пары. Они также используются в качестве термометра. В качестве теплоотвода используется фононная подсистема, которая соединена с термальной ванной. Когда в таком детекторе поглощается излучение, температура возрастает, и поэтому сопротивление сверхпроводящего устройства изменяется. Это изменение сопротивления используется для измерения входящего излучения.

Схема термализации электронов и фононов и их соответствующие время взаимодействия в HEB схематически показаны на рисунке 1.3. Ce, ph - теплоемкости, Te, ph - температуры электронов и фононов соответственно. Время передачи энергии от фонона к электронной подсистеме фph-e должно быть намного больше времени ухода фesc фононов в подложку для эффективного расцепления электронной подсистемы из фононной подсистемы. Это гарантирует, что тепло от фононной подсистемы переносится в термальную ванну. В то же время, время электрон-фононного взаимодействия te-ph должно быть намного меньше времени взаимодействия фонон-электрон, чтобы предотвратить обратный поток энергии от фонона к электронной подсистеме. Предполагается, что термализация внутри электронной и фононной подсистем носит мгновенный характер.

Процесс обнаружения излучения в HEB можно описать следующим образом. Когда фотон с энергией ?щ поглощается HEB, он разрывает куперовскую пару или возбуждает электрон и производит высоковозбужденный электрон, который имеет почти полную энергию фотона. Электрон теряет свою энергию за счет испускания высокоэнергетических фононов, которые, в свою очередь, могут при достаточной энергии нарушать другие куперовские пары или рассеиваться на электронах. Это создает лавинный эффект возбужденных электронов, перераспределяющий энергию поглощенного фотона внутри электронной подсистемы. Поскольку это время термализации ttherm намного меньше, чем te-ph, можно предположить, что электроны имеют равномерную температуру Те. Затем эта тепловая энергия, на временной шкале фe-ph, может быть перенесена на фононную подсистему которая находится при температуре Tph. Сохраненное тепло полностью удаляется из системы после истечения времени фesc, когда оно переносится в термическую ванну с температурой Tb. Постоянная времени, соответствующая обратному потоку энергии от фононов к электронам, зависит от отношения соответствующих теплоемкостей и может быть взята из условий равновесия (). В свою очередь теплоемкость сильно зависит от температуры детектора. Теплоемкость электронов обратно пропорциональна температуре ce , а теплоемкость фонона ниже температуры Дебая имеет мощность cph . При слишком низких температурах электронная теплоемкость может стать больше, чем фононная теплоемкость, и эффект «горячих электронов» прекращает свое существование.

Константы времени для различных взаимодействий между фононами, электронами и подложкой зависят от температуры и материала.

Для достижения низкого времени взаимодействия электрон-электрон, которые частично ответственны за термализацию внутри электронной подсистемы, предпочтительно иметь неупорядоченный материал и температуры, которые как можно более высоки для материала, способствующего процессам рассеяния. Время взаимодействия электрон-электрон можно записать в виде .

Поэтому для быстрой термализации требуются высокие рабочие температуры и большое квадратичное сопротивление R пленки.



Рис. 4. Эскиз зоны детектора типичного болометра на эффекте горячих электронов. Он состоит из тонкой пленки детектора толщиной d и антенной структуры. Элемент детектора с длиной l и шириной W определен между краями антенной структуры. Тепло, генерируемое в детекторном элементе, может выходить за счет диффузии (фdiff) или путем теплового выхода в подложку (фesc), как указано красными стрелками

Время электрон-фононного взаимодействия зависит от силы взаимодействия фононов и электронов. Было показано, что температурная зависимость этого взаимодействия следует фe-ph , где m - экспериментально полученный параметр, который варьируется от 1 до 3 для разных материалов. Было установлено, что время внутреннего электрон-фононного взаимодействия в нитриде ниобия имеет температурную зависимость фe-ph . Эта температурная зависимость означает, что HEBы демонстрируют более короткие времена релаксации при более высоких температурах. Поскольку работа при более высоких температурах улучшает скорость HEB, материалы с высоким TC лучше подходят для использования в смесителях HEB.

Конструкция болометра на эффекте горячих электронов.

Чтобы удалить тепло из фононной подсистемы, прежде чем она сможет вернуться к электронной подсистеме, время выхода фононов должно быть небольшим. Для данного материала он во многом зависит от геометрии изготовленного болометра. На рисунке 4 показано расположение зоны обнаружения болометра на эффекте горячих электронов. HEB состоит из тонкой сверхпроводящей пленки детектора с золотым слоем для антенной структуры сверху. Элемент детектора расположен между большими металлическими контактами, используемыми для структуры антенны для связи излучения и микрополосковой линии.

Размеры элемента детектора выбираются таким образом, чтобы его сопротивление постоянному току было близко к сопротивлению антенной структуры с импедансом 74 Ом и импедансом копланарного волновода для считывания, который составляет 50 Ом. Геометрия детектора, затем, определяется сопротивлением листа тонкой пленки, умноженной на число квадратов N, необходимое для моста детектора, чтобы достичь 50 Ом (NR?50 Ом). Для поверхностного сопротивления между 100 и 500 Ом2, которое типично для нитрида ниобия, N находится в диапазоне N = 0.1…0.3. Ширина W моста детектора выбирается таким образом, чтобы наименьший размер (обычно длина l) находился в диапазоне нескольких сотен нанометров.

В зависимости от длины устройства тепло имеет два различных пути, по которым оно может выйти из системы, обозначенные красными стрелками на рисунке 4.

Горячие электроны могут диффузировать из болометра в большие холодные металлические контакты, когда они достаточно близки. Это происходит за время диффузии фdiff. Электроны могут также рассеиваться по решетке болометра и охлаждаться излучением фононов, в подложку, которое происходит в масштабе времени ухода Tesc. Оба этих механизма охлаждения присутствуют в каждом болометре, но в зависимости от размера и материала один из двух является доминирующим. Таким образом, детекторы можно разделить на две категории: с диффузионным охлаждением и с фононным охлаждением. Для того чтобы диффузия была доминирующим процессом, длина детектора должна быть меньше длины термодиффузии:

 (1.10)

где D - постоянная диффузии электронов в материале, используемом в качестве детектора. Этот механизм охлаждения в основном актуален в сверхпроводящих тонкопленочных болометрах на эффекте горячих электронов, изготовленных из чистого и хорошо упорядоченного материала, такого как ниобий с коэффициентами диффузии D? 1 см/с2. Из-за большой константы диффузии критическая длина детектора находится в диапазоне нескольких сотен нанометров, которая легко изготавливается с использованием современных систем литографии и осаждения. Время релаксации фdiff(l/4)2/D в этих системах зависит от длины l моста детектора и не зависит от температуры. Недостатком является то, что из-за высоких коэффициентов диффузии влияние контактов на детекторный элемент увеличивается. Это приводит к сильному влиянию нормальных металлических контактов на сверхпроводящую тонкую пленку детектора. Этот так называемый эффект близости может привести к непредсказуемому поведению болометра. При изготовлении болометров из неупорядоченных материалов, таких как нитрид ниобия, необходимо учитывать их низкий коэффициент диффузии. С коэффициентом диффузии D=0.5 см1/s и коротким временем электрон-фононного взаимодействия, порядка десяти пикосекунд, требуемая длина болометра для диффузионного охлаждения находится в диапазоне 10 нанометров. В данный момент изготовление болометров такого размера невозможно. В этом случае предельной постоянной времени для удаления тепла из тела болометра является время теплового выхода из тонкой пленки в подложку (см. Уравнение (1.14)). Когда время выхода становится слишком большим, тепло попадает в фононную подсистему. Было открыто Капланом, что вероятность выхода фононов из тонкой пленки зависит от нескольких факторов. Для тонких пленок и, если предположить зеркальное и диффузное рассеяние фононов на границе раздела пленок, время выхода можно приблизить к:

(1.11)

где d - толщина сверхпроводящей тонкой пленки, б - коэффициент пропускания фононов от пленки к подложке, u - скорость звука в тонкой пленке. Коэффициент прохождения зависит от разницы в скорости звука в тонкой пленке и материале подложки и их соответствующих плотностях. Выбирая подложку с идеальным совпадением фононных спектров, время выхода может быть значительно уменьшено.

Поскольку время выхода ограничивает скорость наших детекторов для очень быстрых детекторов, пленки должны быть сделаны как можно более тонкими и коэффициент пропускания фононов между тонкой пленкой и подложкой должен быть как можно более высоким.

Для описания отклика болометра на эффекте горячих электронов на поступающее излучение теоретически была разработана двух температурная модель. Он описывает временную эволюцию температуры болометра, вводя постоянные времени, упомянутые ранее в этой главе. Предполагается, что термализация электронов и фононов в их соответствующих подсистемах происходит мгновенно по всему детектору и можно предположить равномерное распределение температуры.

Система может быть описана с помощью связанных уравнений теплового баланса соответствующих подсистем. Эти уравнения, как правило, не линейны, но становятся линейными в случае малого возбуждения сигнала и близки к TC.

Используя эти предположения, уравнение теплового баланса для электронной подсистемы можно записать в виде:

 (1.12)

и для фононной подсистемы:

(1.13)

где Ce, ph - теплоемкости, Te, ph - температуры электронов и фононов соответственно. Постоянная времени рассеяния фонон-электрон была взята из условий равновесия. Энергия электрона полностью удаляется из системы, когда она прошла через фононную подсистему к подложке. Эффективное время релаксации энергии электронов можно описать в следующем виде:

(1.14)

Из уравнения (1.14) можно получить зависимость времени релаксации HEB от различных параметров. Для в ответе доминирует большая из двух постоянных времени фesc и фe-ph. При увеличении отношения время ухода становится доминирующим и в основном отвечает за тепловой распад. Эта модель может быть использована для имитации отклика детектора, например, на импульсное излучение, и объясняет форму импульса и время затухания, наблюдаемое в таких экспериментах. Эта модель не учитывает рассеиваемую мощность от постоянного тока. Кроме того, предположение о равномерном распределении температуры по всему устройству недостаточно для объяснения работы HEB в смесительном режиме. Поэтому была разработана модель «горячего пятна». Эта модель описывает болометр одномерным уравнением теплового баланса, в котором температура электронов изменяется вдоль моста. Предполагается, что HEB накачивается локальным генератором и поглощенная мощность гетеродина равномерно поглощается по всему мосту. Второе предположение состоит в том, что полная мощность постоянного тока рассеивается только в небольшой точке доступа в центре детектора. В горячей точке электронная температура выше критической температуры Тс и сверхпроводимость подавлена. Уравнения теплового баланса для HEB внутри горячей точки можно записать в виде:

(1.15)

и вне горячей точки:

(1.16)

где K - коэффициент теплопроводности в тонкой пленке болометра, j - плотность тока смещения, протекающего через мост, с - удельное сопротивление тонкой пленки болометра в нормальном состоянии, а PLO - поглощенная мощность местного генератора. При изменении мощности входящего излучения размер горячей точки соответственно увеличивается и уменьшается.

Для прогнозирования поведения HEB изменения входящего излучения модель предполагает равномерное поглощение излучения гетеродина по всему устройству. В реальных устройствах это допущение неверно. Нарушения параметра сверхпроводящего порядка на краях моста из-за металлических контактов в конечном детекторе могут приводить к образованию различных горячих пятен на краях болометра. Если качество этих контактов недостаточно хорошо, это может привести к невоспроизводимости характеристик детектора между различными детекторами и дополнительным шумовым и радиочастотным потерям в болометре из-за неконтролируемого сопротивления интерфейсов в этих областях. Поэтому для обеспечения оптимальной работы детектора необходимо контролировать качество контактов и интерфейсов.

Модель горячей точки может быть использована очень хорошо для описания поведения смесителя HEB для ТГц излучения. Когда частота излучения гетеродина составляет всего несколько сотен ГГц, было замечено, что предсказания, сделанные по модели «горячих точек», не соответствуют экспериментальным результатам. Таким образом, было предложено, чтобы излучение, поступающее на болометр, непосредственно взаимодействовало с вихревыми/антивихревыми парами внутри детектор. Это приводит к увеличению полосы пропускания промежуточной частоты HEB при работе на более низких частотах. Это необходимо учитывать при описании смесителей на низких частотах осциллятора.

1.2 Прямое детектирование излучения

При использовании HEB для прямого обнаружения, он работает как классический болометрический детектор и реагирует непосредственно на поступающее излучение. Детектор не проводит различия между разными частотами и поляризациями. Он действует как детектор мощности и объединяется только по мощности входящего излучения. Таким образом, детектор не чувствителен к фазе поступающего излучения. Для ограничения спектра обнаруженного излучения пассивные фильтры используются для фильтрации желаемого спектра. Зависимая от частоты информация и информация, зависящие от поляризации излучения, должны быть получены из излучения путем применения внешних поляризаторов и спектрометров, часто в форме перестраиваемых интерферометров.

1.3 Гетеродинное детектирование высокочастотного излучения

Для получения спектральной информации об измеренном излучении без использования сложных фильтров и интерферометров детекторы могут работать в режиме гетеродинного детектирования. В гетеродинном детектировании входной сигнал излучения смешивается с сигналом гетеродина в микшерном элементе (HEB) до частот, легко доступных для считывания стандартной электроникой. Доступные спектральные диапазоны зависят от частот локального генератора и полосы пропускания промежуточной частоты смесителя. Преимущество быстрых сверхпроводящих смесителей HEB заключается в том, что они могут иметь полосу промежуточной частоты в несколько ГГц в диапазоне частот ТГц, что позволяет эффективно измерять большие спектральные диапазоны. Когда HEB работает как гетеродинный детектор, он поддерживается при температуре ниже критической температуры чувствительного элемента детектора. Детектор смещен с током Ib смещения и перекачивается в резистивное состояние с локальным генератором с мощностью PLO. Это приводит к образованию горячего пятна внутри болометра, как описано в уравнении (1.15) и (1.16). Когда в детектор подается излучение частоты, близкой к частоте LO, длина горячей точки изменяется с разностью частот между LO и частотой сигнала. Одно из главных преимуществ смесителей HEB заключается в том, что они требуют только нескольких nW мощностей накачки для работы, что идеально подходит для ТГц диапазона, где нет мощного и компактного источника. Также шум сверхпроводящих детекторов HEB очень низок. Принцип действия гетеродинного детектирования схематически показан на рисунке 1.5. Установка считывания использует исходный сигнал с частотой fRF, который необходимо проанализировать, и сигнал локального осциллятора.



Рис. 5. Схема установки гетеродинного детектирования. Приходящее излучение (fRF) смешивается с излучением гетеродина (fLO). Выходной сигнал смесителя имеет частоту fIF = |fRF ?fLO|

на частоте fLO, близкой к частоте сигнала. Смешивая исходный сигнал с сигналом локального генератора, произведение смесителя двух частот находится в диапазоне промежуточной частоты (ПЧ), доступном для современной электроники fIF = |fRF ? fLO|. Полоса промежуточной частоты гетеродинного детектирования ограничена временем релаксации детектора. Затем сигнал, выводимый из детектора, может быть усилен и измерен. Для характеристики можно использовать либо анализатор спектра, либо выделенный полосовой фильтр с подключенным к нему измерителем мощности.

Чтобы описать реакцию детектора на поступающее излучение, сначала предположим, что входящее излучение и гетероидное излучение имеют синусоидальный вид. Это излучение поглощается в болометре, а затем индуцирует колебательное напряжение с эквивалентной частотой.

(1.17)

где VRF - напряжение, индуцированное сигналом излучения, а VLO - напряжение, индуцированное локальным генератором. щRF и щLO - соответствующие частоты излучения.

Мощность, рассеиваемая в болометре, может быть рассчитана так:

(1.18)

Константы времени детектора HEB составляют порядка нескольких пикосекунд. Таким образом, детектор не может следить за высокочастотными изменениями с нескольких сотен ГГц до нескольких ТГц, используемых для локального осциллятора и радиочастотного сигнала, щRF, LO. Поэтому первые три члена в уравнении (1.18) дают постоянный вклад в рассеиваемую мощность. Оставшаяся часть, зависящая от времени, является вкладом промежуточной частоты от члена (щRF? щLO). Подставляя PRF/LO = R, мы можем вычислить зависящую от времени часть (1.18):

(1.19)

где wIF = щRF?щLO - промежуточная частота. Поскольку косинус симметричен вокруг нуля, один и тот же выходной сигнал может быть создан двумя различными входными сигналами. Абсолютное значение |щRF?щLO| дает нам выходную частоту микшера. Это приводит к режиму работы, называемому режимом двойной боковой полосы (DSB). Когда одна из боковых полос подавляется с помощью фильтров или аналогичных устройств, операция называется режимом одной боковой полосы (SSB).

1.4 Сверхпроводящие болометры с интегрированной антенной

Для объединения излучения из свободного пространства в детекторный элемент существует несколько возможностей. Наиболее распространенным методом передачи волны в свободном пространстве в ток является антенна. В целях высокой интеграции непосредственно на чипе предпочтительным является планарный антенный элемент.

Рис. 6. Изображена логарифмическая спиральная антенна, где минимальная и максимальная частоты определяются соответственно r1 и r2

В зависимости от требований эксперимента для сочетания излучения можно использовать различные типы планарных антенных структур. В нашей работе мы использовали логарифмические спиральные антенны.

Логарифмическая спиральная антенна (рис. 6) является антенной бегущей волны и имеет очень слабую поляризационную зависимость. Минимальная частота антенны определяется внутренним радиусом спиральной структуры, а максимальная частота - максимальным радиусом антенного элемента. Для всех конструкций антенны детекторный элемент помещается внутри зазора в центре антенного элемента и имеет типичные размеры WL, 1 мкм10,3 мкм.

Материал, из которого изготовлены антенны, должен иметь очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить потери в структуре антенны. Он также не должен напрямую поглощать мощность излучения и преобразовывать его в тепловую энергию. Материалом для антенной структуры является слой золота толщиной несколько сотен нанометров, который имеет низкое удельное сопротивление и практически полное поглощение излучения не происходит до нескольких ТГц.

1.5 Шум в болометрах

Болометры на эффектах горячих электронов используются для измерения очень слабых энергетических сигналов. Конечным ограничивающим фактором для измерения сигнала является шум, создаваемый приемной системой и фоновый шум входящего излучения. Когда шумовой сигнал больше сигнала входящего излучения, измерения невозможны. Таким образом, для измерения малых сигналов большое значение имеет уменьшение шума.

При работе в режиме прямого детектирования шумовая эквивалентная мощность (ШЭМ) часто используется в качестве показателя качества для характеристики шумовых детекторных систем. В случае детектора HEB можно различать несколько различных вкладов в ШЭМ. Используя ШЭМ, можно добавлять и сравнивать различные вклады шума в итог. ШЭМ определяется как мощность излучения Pinc, падающего на детектор, который вырабатывает выходной сигнал величины шума Pnoise детектора в полосе пропускания в 1 Гц. Общий ШЭМ в детекторе может быть вычислен путем добавления квадратов различных ШЭМ, которые возникают из некоррелированных источников шума. Шум в детекторе имеет различные источники, а основные факторы, влияющие на шум в идеальном болометре, можно определить, как фотонный шум от фонового излучения, шума Джонсона и фононного шума.

Общий ШЭМ и шум Джонсона болометра могут быть записаны как:

(1.20)

Шум Джонсона определяется случайными флуктуациями электронов внутри болометра и имеет значение:

(1.21)

где k - постоянная Больцмана, T - температура детектора, R - сопротивление болометра, S - чувствительность болометра. Шумовой вклад от шума Джонсона можно уменьшить, увеличив чувствительность детектора, уменьшив сопротивление или рабочую температуру. В случае болометра на эффекте горячего электронного из нитрида ниобия, сопротивление фиксируется из-за необходимости согласования с антенной структурой, и рабочая температура фиксируется около TC. Единственным возможным способом уменьшения вклада шума Джонсона в этом случае является повышение чувствительности элемента обнаружения, которое может быть достигнуто с помощью методов, упомянутых ранее в этой главе, например, уменьшения объема болометра или использования материалов с высоким ТКР. Фононный шум выражается:

(1.22)

где G - связь между тонкой пленкой детектора и подложкой, h - поглощательная способность болометра, обусловлена тепловыми флуктуациями внутри болометра. Это связано с тем, что фононы, проходящие от болометра по теплопроводности G к подложке, вычисляются из флуктуаций температуры внутри системы. Его можно подавить, уменьшив термо соединение болометра с тепловой ванной, что также необходимо для повышения чувствительности. Вклад ШЭМ от фотонного шума имеет свой источник в фоновом излучении, поступающем на детектор. Обычно болометрические системы используют фильтры с коэффициентом пропускания ф (н) для блокировки мощности входящего излучения в нежелательных частотных диапазонах. Часть фонового излучения все еще поступает на детектор, и шум фонового излучения увеличивает общий шум системы. Этот шумовой вклад не зависит от изготовления болометра, но является характеристикой входящего источника излучения и его температуры. Таким образом, детекторы, ограниченные только этим шумовым вкладом, называются ограничителями фона. Вышеупомянутые величины для ШЭМ рассчитаны для системы, находящейся в тепловом равновесии. Вычисляя шум из неравновесных теорий, эти величины могут быть дополнительно уменьшены. Основным источником шума в реальных детекторах является фононный шум. Чтобы уменьшить эту величину, необходимо улучшить тепловую связь с пленкой и качество интерфейсов, через которые проходит это тепловое взаимодействие. Так как трудно экспериментально получить доступ к различным частям уравнения (1.20), то часто принимаемая величина добротности - шумовая температура элемента обнаружения. Это значение соответствует ШЭМ таким образом, что TN = NEP/ k B, где B - ширина полосы измерения системы. Он наиболее часто используется при сравнении различных сверхпроводящих смесителей.

Для сравнения производительности различных смесительных устройств в диапазоне ТГц, шумовая температура Tnoise является наиболее часто используемым показателем качества. Для непосредственного измерения шумовой температуры установки смесителя детектор перекачивается в свою рабочую точку локальным генератором. Затем смеситель подвергается тепловому излучению, идущему от тепловой нагрузки (обычно это излучение черного тела при комнатной температуре) и холодная загрузка (обычно это радиатор черного тела, охлажденный до 77 К с использованием жидкого азота). Измеряется сигнал детектора на эту горячую холодную нагрузку. С помощью метода Y-фактора можно непосредственно рассчитать шумовую температуру системы. Для расчета Y-фактора детектора оно облучается двумя источниками излучения с хорошо известной температурой и мощностью излучения, как описанная выше горячая/холодная нагрузка. Используя следующий формализм можно рассчитать шумовую температуру. Выходная мощность детектора будет:

(1.23)

где G - коэффициент усиления детектора, Pin,hot/cold - мощность излучения горячей / холодной нагрузки и Pnoise шум детектора в полосе пропускания B системы. Y-фактор - это соотношение между выходной мощностью детектора при горячей и холодной нагрузке . Комбинируя эту формулу с уравнением (1.23), Y-фактор можно вычислить так:

(1.24)

Решая это уравнение для Pnoise, мощность шума затем может быть, в свою очередь, рассчитана:

(1.25)

Для радиационных детекторов холодная и горячая нагрузка, используемая для облучения детектора, представляет собой излучатель черного тела при температурах жидкого азота Tcold = 77 K и один при комнатной температуре Tcold 300 К. Тогда шумовую температуру можно легко вычислить так:

 (1.26)

Используя закон Рэлея-Джинса P = kT, где k - постоянная Больцмана. Это справедливо для устройств, характеризующихся очень высокими температурами, где закон Рэлея-Джинса остается в силе. Керр предложил, что при рабочих температурах приборов, близких к абсолютному нулю при высоких частотах излучения, и с устройствами, близкими к пределу квантового шума, физические температуры в формуле (1.26) должны быть исправлены с учетом этого несоответствия. Физические температуры Тhot,cold должны быть заменены определением Каллена и Уэлтона:

(1.27)

Чтобы получить шумовую температуру, которая составляет нулевой флуктуационный шум .

...