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

1.6 Болометры для ТГц диапазона частот

Как уже обсуждалось в предыдущих разделах, выбор материала оказывает очень большое влияние на свойства HEB. Существует всего несколько материалов, которые могут быть использованы для изготовления быстрых и чувствительных ТГц детекторов для диапазона ТГц. В последние десятилетия нитрид ниобия широко использовался для болометрических детекторов в диапазоне ТГц. Это один из немногих материалов, который позволяет изготавливать смесители HEB с фононным охлаждением с большой полосой пропускания промежуточной частоты в несколько ГГц. Из-за низкого коэффициента диффузии нитрида ниобия в порядке D=0,5 см2/с и короткого внутреннего электрон-фононного взаимодействия доминирующим процессом охлаждения является фононное охлаждение. Благодаря возможности изготовления высококачественных тонких пленок толщиной в несколько нанометров с сохранением высоких значений TC может быть достигнуто низкое время выхода и, следовательно, высокая пропускная способность промежуточной частоты. В связи с этим мы используем нитрид ниобия в качестве сверхпроводящей тонкой пленки для детекторов в этой работе.

1.7 Требования и проблемы для HEB детекторов для ТГц-спектра

Для изготовления быстродействующих и малошумящих болометров на эффекте горячих электронов для ТГц диапазона частот необходимо улучшить и оптимизировать конструкцию болометров на эффекте горячих электронов. Некоторые параметры конструкции болометра уже соответствовали технологическими и экспериментальными требованиями. Рабочая температура болометра на эффекте горячих электронов установлена выше температуры жидкого гелия. Кроме того, применение требует, чтобы скорость детектора или, соответственно, полоса пропускания промежуточной частоты при работе в качестве микшера должна составлять по меньшей мере несколько ГГц. Требуемый частотный диапазон диктует необходимость использования антенной структуры для соединения излучения в детекторный элемент. Конструкция болометров на эффекте горячих электронов состоит из многослойной структуры. На рисунке 4 показаны различные слои, а именно сверхпроводящий тонкопленочный слой и антенный слой сверху. Для лучшей адгезии слоя антенны на пленке детектора между ними должен быть вставлен дополнительный слой. Это делается по технологии in-situ во время осаждения антенны. Длина и ширина элемента детектора должны выбираться таким образом, чтобы сопротивление элемента детектора обеспечивало хорошее сопротивление согласованию с импедансом антенны. Комбинация этих требований уже ограничивает выбор сверхпроводящего материала для тонкой пленки детектора. Выбор сверхпроводящего материала также определяет минимальную толщину пленки, которая может быть использована для слоя детектора, которая, в свою очередь, определяет время релаксации болометра согласно уравнению (1.11). Как описано в главе 1.6, нитрид ниобия является наиболее подходящим материалом для болометра на эффекте горячих электронов и используется для детекторов, изготовленных в этой работе. Оптимизация сверхпроводящей тонкой пленки нитрида ниобия для слоя детектора является, таким образом, первым шагом в разработке оптимизированных болометров на эффекте горячих электронов. Для уменьшения шума, вводимого в болометр из-за контактов, сверхпроводящие и нормальные проводящие свойства каждого из слоев болометра должны анализироваться отдельно. Кроме того, необходимо рассмотреть и принять во внимание влияние нескольких слоев друг на друга. Наконец, и, самое главное, интерфейсы между различными слоями должны быть изучены и учтены при изготовлении многослойных структур для болометров на эффекте горячих электронов. Другим аспектом оптимизации болометра является тепловая связь сверхпроводящей тонкой пленки с подложкой. Как описано в главе 1.1, это ключевой параметр для скорости детектора. В зависимости от требований эксперимента может быть желательно уменьшить тепловую связь между детектором и термостатом для повышения чувствительности устройства в соответствии с уравнением (1.9).

2. Технология изготовления HEB

Детекторы, интегрированные в исследуемые антенны, создаются на основе уникальных ультратонких плёнок NbN, изготавливаемых в МПГУ, по технологии in situ, также разработанной в МПГУ, которая позволяет существенно улучшить качество контактов между сверхпроводниковой NbN плёнкой и антенным слоем золота. Такая технология позволяет исключить влияние контактных структур на характеристики антенн и детекторов. На базе факультета физики и информационных технологий МПГУ имеется необходимое технологическое оборудование для изготовления смесителей на основе высококачественных сверхпроводниковых наноструктур и всё необходимое экспериментальное оборудование для измерения их характеристик на мировом уровне.

Для нанесения тонких плёнок NbN используется установка магнетронного распыления на постоянном токе Leybold Heraues Z400, электронная литография выполняется на растровом электронном микроскопе JEOL 6380, доработанном до электронного литографа, плазмохимическое травление производится в установке Corial 200R, фотолитография - на установке совмещения и экспонирования Karl Suss MA-56. Для нанесения металлических и диэлектрических слоёв имеется установка электроннолучевого испарения Evatec BAK-501. Также имеется всё необходимое вспомогательное оборудование: центрифуга для нанесения резистов, шкафы для сушки резистов и т.д.

Для исследования и тестирования образцов МПГУ имеет собственное измерительное оборудование. Для выполнения проекта доступны СВЧ усилители, селективные вольтметры, ячейка Галлея, векторный анализатор цепей (диапазон 10 МГц - 20 ГГц), анализаторы спектра (диапазоны 9 кГц - 6 ГГц и 9 кГц - 13.6 ГГц), прецизионные источники тока, лампы обратной волны (общий покрываемый диапазон частот 100-800 ГГц), газоразрядные терагерцовые лазеры с линиями генерации на 2.5, 3.8, 10, 30 ТГц, гелиевые оптические криостаты и криорефрижератор замкнутого цикла. Коллектив НОЦ МПГУ использует как общепринятые, широко распространённые методики измерения характеристик смесителей и детекторов терагерцового диапазона: метод двух монохроматических источников для измерения полосы преобразования; так и оригинальные, позволяющие точнее провести измерения: изотермический метод определения поглощённой мощности гетеродина, методику измерения эквивалентной мощности шума для детекторов терагерцового диапазона.

На третьем этапе работы усилия исследователей были направлена на изготовление образцов NbN детекторов со спиральными планарными антеннами двух типоразмеров, а также первичные исследования образцов на постоянном токе.

Изготовление структур.

1. Изготовление образцов NbN детектора со спиральными планарными антеннами двух типоразмеров.

Первым этапом изготовления образцов NbN было изготовление структур, состоящих из двух слоев NbN и Au (толщины 3.5 нм и 200 нм соответственно), предназначенные для последующего изготовления сверхпроводниковых детекторов на их основе. Данные структуры изготавливались на подложках из высокоомного (удельное сопротивление от 5 до 20 кОм·см) кремния двусторонней полировки с ориентацией (100) и толщиной до 350 мкм.

Технологическая карта изготовления двухслойной структуры.

Технологическая карта изготовления структур, состоящих из двух слоев NbN и Au (толщины 3.5 нм и 200 нм соответственно), предназначенных для последующего изготовления сверхпроводниковых смесителей на их основе, приведена выше в виде таблицы. Структуры были изготовлены да основе тонких (толщина 3.5 нм соответствует нескольким атомным слоям) NbN-пленок, нанесенных в процессе реактивного магнетронного распыления на постоянном токе NbN мишени в атмосфере аргона (парциальное давление Ar в рабочей камере ~5Ч10-3 мбар) на поверхность нагретых до 830 °C кремниевых пластин, изготовленных из высокоомного кремния двухсторонней полировки. С целью повышения точности контроля содержания азота в камере рабочим режимом источника питания электрического разряда был выбран режим генератора тока. Это позволило значительно улучшить качество изготавливаемых пленок сверхпроводников. Причина состоит в том, что все основные сверхпроводящие характеристики тонких сверхпроводящих пленок имеют существенную зависимость от их стехиометрии. В этой связи необходим строгий контроль содержания Nb и Au в приповерхностном слое над подложкой в технологическом процессе напыления. Содержание Nb определяется парциальным давлением Ar в рабочей камере, мощностью разряда и процентной долей Nb в мишени. Содержание азота в газовой смеси определяется скоростью его поступления в рабочую камеру, а также интенсивностью его абсорбции распыленным Nb.

Описанные процессы приводят к возникновению неоднозначности ВАХ газового разряда, которую и удается преодолеть, если в качестве рабочего режима источника питания газового разряда выбрать режим генератора тока. В этом случае давление азота определяется из изменения величины напряжения разряда при напуске азота. Нами была установлена эмпирическая зависимость критической температуры получаемых сверхпроводниковых пленок от величины изменения данного напряжения. В дальнейшем все пленки напылялись в таком режиме, что получаемая критическая температура пленок оказывалась наибольшей. Такой подход обеспечил высокую воспроизводимость процесса напыления изготовляемых сверхпроводящих пленок. Также была установлена зависимость критической температуры получаемых сверхпроводящих тонких пленок NbN от температуры подложки, при которой происходило напыление. Было установлено, что оптимальной с точки зрения получения пленок с наибольшими значениями критической температуры является температура подложки в 750-850°С.

Вслед за нанесением слоя NbN следовал процесс напыления слоя Au толщиной 20 нм. Контроль качества получаемых структур NbN-Au проводился по спутникам, с которых стравливался слой Au (в процессе химического или ионно-лучевого травления). Далее исследовались зависимости их сопротивления от температуры. По результатам измерений проводился отбор наиболее качественных структур, на основе которых далее изготавливались сверхпроводящие смесители и детекторы.

Изготовление экспериментальных образцов создаваемых сверхпроводниковых материалов (сверхпроводниковой пленки) Тестирование образцов сверхпроводящих пленок на постоянном токе проводилось путем исследования зависимости их сопротивления от температуры. Исследуемый детектор устанавливался в держатель на конце штока. Сопротивление измерялось при помощи стандартной 4-точечной схемы с использованием источника тока Keithley для создания тока в 10 мкА через образец и прецизионный вольтметр Solartron для измерения сопротивления на образце. Угольный термометр монтировался противоположно образцу таким образом, что его температура ранялась температуре образца. Сопротивление термометра измерялось при помощи мультиметра HP34401A, работающего в режиме измерения сопротивления по 4-точке.

В рамках работы были изготовлены экспериментальные образцы (сверхпроводниковые пленки). Типичная характеристика зависимости сопротивления этих пленок от температуры представлена в графическом виде на Рис. 7.

Рис. 7. типичная зависимость сопротивления пленки NbN от температуры

Полученные в рамках работы материалы (сверхпроводниковые пленки) имеют следующие характеристики:

* Материал - нитрид ниобия (NbN);

* Толщина 3,5-4,0 нм;

* Температура сверхпроводящего перехода не менее 8 K;

* Ширина сверхпроводящего перехода не менее 0,3 K.

Образцы сверхпроводникового материала (сверхпроводящие пленки), обладающие наилучшими с точки зрения поставленных целей исследования характеристиками (пленка 1248), были отобраны для изготовления на их основе сверхпроводящих смесителей и детекторов.

Технологическая карта процесса изготовления HEB детекторов исмесителей на основе структуры, состоящей из слоев NbN и Au приведена ниже в виде таблице 1 Знаки совмещения формировались в процессе фотолитографии. Далее следовал процесс формирования зазора в слое золота, участок пленки NbN в котором представляет собой собственно чувствительный элемент детектора и смесителя. Этот процесс проходил в два этапа. Сначала на поверхность золота наносился электронный резист, методом электронной литографии происходило формирование маски, по которой в дальнейшем золото стравливалось в процессе ионного и химического травления, и тем самым формировался сам чувствительный элемент смесителя/болометра. Далее методом электронной литографии происходило формирование внутренней части спиральной антенны, представляющей собой структуру Cr(3 нм)-Au (70 нм)-Ti (8 нм) (перечисление идет от подложки вверх), где Cr использовался для обеспечения лучшей адгезии, а Ti в качестве защитного материала. Внешние контакты и внешняя часть спиральной антенны формировались в процессе фотолитографии. Схема структуры: Ti(5 нм)-Au (200 нм)-Ti (5 нм) (от подложки в выше), здесь для обеспечения лучшей адгезии использовался слой Ti, а защитную функцию выполнял верхний слой. Далее следовало нанесение защитной маски SiO для последующего травления структуры Au-NbN «по полю». На отельные чипы подложка разрезалась скрайбером. Отношение длина-ширина для детекторов/смесителей было выбрано равным 0.1 для обеспечения лучшего их согласования по радио частоте с 74 Щ антенной (сопротивление на квадрат получаемых сверхпроводниковых пленок составляло в среднем около 500 Щ).

Таблица 1. Технологическая карта процесса изготовления HEB смесителей и детекторов на основе двухслойной структуры NbN-Au

3. Переменное смещение

Для установления правильных рабочих условий для прямого детектора HEB температура ванны повышается при помощи небольшого нагревателя до значения, соответствующего самой крутой части резистивного перехода. HEB затем смещается по постоянному току до рабочей точки с наивысшей чувствительностью вдоль кривой вольтамперной характеристики. Отрицательная электротермическая обратная связь обеспечивается с использованием смещения напряжения, поэтому любое небольшое изменение поглощенной оптической мощности компенсируется изменением мощности Джоуля.

В качестве альтернативы, можно применить смещение переменного тока к HEB, и в этом случае мощность Джоуля колеблется между минимальным и максимальным значениями при удвоенной частоте смещения. Этот метод обсуждался для устройств с частотой спада, соответствующих времени отклика детектора, достаточно низкому по сравнению с частотой смещения. Было показано, что кривые нагрузки, полученные при переменном и переменном токе смещения, были почти идентичными, что свидетельствует о том, что ухудшение характеристик болометра не было связано с переменным током. В настоящей работе впервые продемонстрирована работа сверхпроводящего ТГц-детектора на основе HEB с переменным смещением на частоте, значительно меньшей частоты среза детектора. Для быстрого болометра этот режим сильно отличается от описанного ранее, так как в этом случае электронная температура болометра изменяется в фазе с током смещения. Таким образом, не только мощность смещения колеблется между минимумом и максимумом, но также и сопротивление болометра.

Детекторы HEB, используемые в этой работе, были изготовлены из двухслойного слоя NbN / Au, нанесенного на подложку Si без разрушения вакуума (in situ). Подложки Si были отполированы с обеих сторон, с шероховатостью, намного меньшей, чем толщина слоя NbN, которая составляла около 4,0 нм. Толщина слоя Au составляла 20 нм. Чтобы сформировать чувствительный элемент болометра длиной 0,2 мкм и шириной 1,2 мкм, часть слоя Au в окне электронного резиста подвергалась ионному и химическому травлению. Выбранное значение отношения длины к ширине наших болометров обеспечивает хорошее согласование импеданса между чувствительным элементом и логарифмически-спиральной антенной, используемой для согласования с входным излучением.

Рис. 8. Изображения HEB с растрового электронного микроскопа, с логарифмической спиральной антенной. На нижнем рисунке показана структура металлических слоев детектора

Рис. 8 показаны изображения SEM центральной части HEB. Поверхностное сопротивление пленок NbN / Au при комнатной температуре обычно составляло около 500 Ом. Было измерено значение плотности критического тока при 4,2 К, которое составило около 5Ч106 А·см-2. Измеренная температура перехода сверхпроводящего перехода устройства HEB составляла 7,0 К при ширине около 0,7 К. Рис. 9 показана схема экспериментальной установки. Мы использовали эллиптическую линзу из высокоомного Si без антиотражающего покрытия. Такая линза не имеет сферических аберраций или комы. Обратная сторона чипа HEB с подложкой из такого же высокоомного Si была приклеена к плоской поверхности линзы. Точность позиционирования геометрического центра логарифмической антенны в фокусе линзы составляла около 10 мкм. Эта структура была установлена в держатель объектива, который был установлен на холодной пластине оптического жидкокристаллического криостата с окном полиэтилена высокой плотности и холодным фильтром Zitex-104, отсекающим фоновое излучение комнатной температуры.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки: 1 - синтезатор (1 МГц), 2 - синхронный усилитель (25 кГц - 200 МГц), 3 - криостат LHe, 4 - оптическое окно, 5 - Si линза, 6 - HEB, 7 - криогенный усилитель, 8 - 1-кОм резистор

В ходе измерений мы использовали криогенный малошумящий усилитель (LNA) с усилением 24 дБ в диапазоне 0,01-200 МГц. Смещение переменного тока на частоте 1 МГц было применено к болометру через резистор 1 кОм с функциональным генератором SRS DS345. Входное сопротивление усилителя составляло 50 Ом на частоте смещения. По этой причине мы не использовали адаптер смещения в наших измерениях. В качестве источника излучения использовался газоразрядный лазер, работающий на линии 2,5 ТГц-Н2О. Усиленный сигнал с болометра измерялся с помощью встроенного усилителя.

4. Результаты

На Рис. 10 показан основной принцип формирования сигнала в детекторе, работающем с переменным током. Сигнал Vout был разностью между соответствующими амплитудами колебаний напряжения от болометра с приложенной РЧ (радиочастотной мощностью) мощностью и без нее. Мощность выходного сигнала лазера измеряли с помощью ячейки Голея GC-1P. Мы вычислили мощность входного сигнала Pinc, используя измеренный коэффициент пропускания фильтров и окна.

Рис. 10. Принцип формирования сигнала от детектора, работающего на переменном токе. Представлены кривые вольт-амперной характеристики болометра, полученные без (а) и с (b) радиочастотной мощностью. Ib - пиковое значение тока смещения, Us1 - амплитуда отклика детектора без излучения, Us2 - отклик с РЧ ощностью

Входная мощность была отрегулирована таким образом, что детектор находился в пределах его динамического диапазона. С этими данными мы смогли рассчитать оптическую чувствительность всего приемника как SRx=Vout/Pinc. Мы измеряли SRx при разных значениях амплитуд тока смещения вдоль оптимальной вольтамперной кривой при температуре ванны около 7 К. Затем мощность входного сигнала ослаблялась до тех пор, пока мы больше не могли обнаружить какой-либо сигнал. Мы предположили, что оставшаяся часть показаний блокирующего усилителя представляет собой уровень шума приемника.

Теоретический анализ описанной методики смещения основывался на численном решении известного стационарного уравнения одномерного теплового баланса для температуры электронов Те, приложенной к HEB:

(4.1)

где k теплопроводность, pdc - локально генерируемая мощность постоянного тока, pes передача мощности к подложке и prf -высокочастотная мощность. Все значения в этом уравнении были взяты на единицу длины моста. В наших численных расчетах были использованы экспериментальные кривые сопротивления-температуры и вольтамперной характеристики HEB. При рабочей температуре теплопроводность связана с нормальным удельным сопротивлением материала по закону Видемана-Франца:

(4.2)

где kB = 1,38 Ч 10-23 Дж/К, постоянная Больцмана, Tb ? Tc ? 7,4 К, оптимальная рабочая температура ванны, e =1,6Ч10-19 C, элементарный заряд, у = 8Ч10-15 м2, площадь поперечного сечения чувствительного элемента HEB, и с - удельное сопротивление материала, которое было вычислено по экспериментальным данным. Мощность передачи на подложку рассчитывалась следующим образом:

 (4.3)

где G = Ce / фe-ph теплопроводность, Ce = 1,84 Ч 102VTe J / K2 электронная теплоемкость болометра с V объем болометра, l длина болометра фeph=ATe-1,6 пс K1.6 с A~103 время электрон-фононного взаимодействия.

С помощью этой методики мы получили колоколообразные температурные профили в HEB в разных точках вдоль вольтамперной характеристики. используя полученные профили и экспериментальную кривую сопротивления-температуры, мы смогли рассчитать сопротивление болометра при разных температурах ванны вблизи Tc:

(4.4)

где I - ток смещения, l - длина болометрического чувствительного элемента. В этих расчетах мы пренебрегли нетепловыми эффектами тока смещения в болометре, что вполне приемлемо при температурах, близких к Тс. Используя полученные данные, мы рассчитали вольтамперную характеристику с РЧ-мощностью и без нее. Рис. 4 показывает наши результаты вместе с измеренной вольтамперной кривой. В наших расчетах поглощенная мощность РЧ была выбрана равной 2 нВт. Как можно видеть, согласованность между моделью и экспериментом достаточно хорошее. Используя полученные кривые вольтамперного напряжения, мы смогли рассчитать чувствительность электрического напряжения при разных амплитудах тока смещения:

(4.5)

где RL - сопротивление нагрузки (входной импеданс усилителя, который в нашем случае составлял 50 Ом), Rd - дифференциальное сопротивление болометра при значении амплитуды смещения Im, а ДV - изменение напряжения смещения, соответствующее изменению РЧ мощности ДP.

Рис. 11. Рассчитанные вольт-амперные кривые с РЧ-мощностью (синяя кривая) и без нее (красная кривая) и измеренная (черная черта) вместе с вычисленными (заполненными квадратами) и измеренными (пустые кружки) чувствительностью HEB при различных амплитудах тока смещения

Полученные результаты наших расчетов вместе с измеренными значениями также показаны на рис. 11. Максимальное вычисленное значение электрической чувствительности приблизительно в 5 раз больше, чем измеренная оптическая чувствительность. Это связано с оптическими потерями компонентов экспериментальной установки (1,5 дБ - потери объектива без покрытия Si, а 2 дБ - потерей окна из полиэтилена и радиационных фильтров, установленных на радиационном экране криостата). Оставшаяся небольшая часть несоответствия - это потери в самой антенне из-за несоответствия импеданса между болометром и антенной (импеданс антенны составляет 75 Ом при 2,5 ТГц, а сопротивление болометра составляет около 140 Ом при температуре чуть выше Тс).

Уровень шума болометра в оптимальной рабочей точке, усиленной с помощью криогенного усилителя, составлял примерно 4 мкВ · Гц-0,5, что почти такое же, как для болометра, работающего в режиме DC-смещения. Мы связываем небольшое ухудшение чувствительности с нестабильностью используемого генератора переменных сигналов. Итак, как видим, наш способ смещения детектора не приводит к значительному ухудшению его чувствительности.

Полученные результаты открывают возможность использования переменного тока-смещения в сочетании с мультиплексированием в частотной области для построения многоэлементных матриц HEB. Идея этого метода заключается в следующем. Каждый элемент в большом массиве работает с переменным смещением, с определенной частотой смещения, равной резонансной частоте LC-фильтра, интегрированного с этим элементом. Входная мощность амплитудно-модулирована с частотой около 10 кГц. Когда детектор поглощает энергию, его сопротивление изменяется, и его синусоидальное смещение амплитудно модулируется. Поскольку каждый детектор в массиве работает на другой частоте смещения, сигналы, соответствующие различным детекторам, уникально распределены по частоте и могут быть отправлены через общую линию считывания.

Индуктивность Li каждого LC-фильтра должна составлять по меньшей мере 24 мкГн для рабочего сопротивления около 60 Ом, чтобы получить полосу пропускания Дfi = R / (2рLi) 400 кГц. Резонансная частота каждого LC-фильтра выбирается конденсаторами со значениями Ci, выбранными для поддержания частот смещения в необходимом диапазоне, с использованием соотношения Ci = 1/(4р2Li fi2). Например, необходимое значение емкости равно 10 пФ для частоты смещения 10 МГц. Эти индукторы и конденсаторы могут быть легко изготовлены с использованием стандартной технологии осаждения. Экспериментальная демонстрация этой идеи была выполнена с той же экспериментальной установкой, описанной выше, с одним отличием, что лазерный пучок коллимировался с использованием системы двух параболических зеркал. Лезвия механического модулятора были помещены в фокус этой системы.

Рис. 12. Спектр выходной мощности детектора, полученный от выходного порта LNA. Частота смещения составляла 1 МГц. Входная мощность была амплитудно модулирована с частотой 10 кГц. Амплитудное значение тока смещения составляло 12 мкА.

Это позволило нам модулировать входную мощность с частотой 10 кГц. Измеренный спектр выходной мощности детектора, полученный от выходного порта МШУ, показан на рис. 12. Как можно видеть, две боковые полосы, расположенные со смещением частоты модуляции, хорошо видны.

Заключение

терагерцовый болотомер температурный электрон

Таким образом, мы продемонстрировали успешное применение переменного смещения к HEB в качестве прямого детектора. В этом режиме смещения чувствительность детектора существенно не ухудшается. Этот результат показывает, что этот метод может быть реализован для мультиплексирования в частотной области для многоэлементных массивов HEB.

Размещено на Allbest.ru