Приемные устройства терагерцового диапазона на эффекте разогрева двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Морозов, Дмитрий Владимирович

• Морозов, Дмитрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Морозов, Дмитрий Владимирович

Список сокращений

Введение

1 Теоретическое обоснование и обзор литературы

§ 1.1 Двумерный электронный газ и его основные свойства.

§ 1.2 Эффект электронного разогрева и электрон-фононное взаимодействие в двумерном электронном газе.

§ 1.3 Гетеродинный детектор на горячих электронах.

§ 1.4 Выбор объекта исследования и постановка задачи.

2 Изготовление детекторов и описание методик измерения

§ 2.1 Исследуемые детекторы и технология их изготовления.

§ 2.2 Методики измерения и экспериментальные установки для исследования когерентных детекторов.

§ 2.3 Методика гетеродинной мм спектроскопии при 4.2 К

§ 2.4 Методика получения температур <4.2 К.

3 Исследование характеристик когерентного детектора, работающего при температуре 77 К

§ 3.1 Смеситель с фононным охлаждением электронов.

§ 3.2 Смеситель с диффузионным охлаждением электронов.

§ 3.3 Выводы.

4 Исследование особенностей электрон-фононного взаимодействия при температуре < 4.2 К.

§ 4.1 Исследование электрон-фононного взаимодействия при Т =

4.2 К.

§ 4.2 Измерение тепловых характеристик 2DEG при низких температурах.

§4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Приемные устройства терагерцового диапазона на эффекте разогрева двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs»

Во многих областях современной науки и техники существует потребность в чувствительных и быстрых детекторах электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) и субтерагерцового (суб-ТГц) диапазона частот. Существующее разделение между этими диапазонами электромагнитного спектра весьма условно может быть выражено как 100 ГГц < / < 1 ТГц и 1 ТГц < / < 15 ТГц для суб ТГц и ТГц диапазонов соответственно. Данный участок спектра представляет интерес для большого количества практических и фундаментальных применений, среди которых можно выделить несколько наиболее активно развивающихся в последнее время. Различаясь по своим целям и объектам интереса, разнообразные применения ТГц волн выдвигают различные требования к детекторным технологиям, которые, несмотря на это, можно свести к основным качествам - высокая чувствительность и высокое быстродействие.

В радиоастрономии суб-ТГц и ТГц диапазона волн можно выделить два основных подхода к измерениям. Измерения с низким спектральным разрешением Л/АЛ ~ 3 — 10 называются фотометрическими и используются для изучения широкополосных источников излучения, тогда как измерения с высоким спектральным разрешением Л/ДЛ < 106, называются спектрометрией и используются для изучения молекулярных и атомных спектральных линий [1]. Фотометрический тип исследований в астрофизике применяется для изучения Реликтового излучения, которое является доминирующим источником во вселенной с длинами волн 500 мкм — 5 мм. Это излучение является следом ионизированной плазмы, наполнявшей раннюю вселенную. Распространение этого излучения стало возможным после того, как вселенная остыла до прозрачного состояния [2]. Со времен теоретического постулирования и открытия Реликтового излучения измерения его характеристик привели к прогрессу в понимании зарождения и физических свойств вселенной. Для этого излучения были измерены средняя температура ~ 2.73 К и величина дипольной анизотропии ~ 3 мК и показано, что спектр соответствует спектру излучения черного тела. Измерения анизотропии этого излучения показали, что геометрия вселенной является Евклидовой [3, 4, 5], позволили получить наиболее точные значения нескольких важных космологических параметров [б]. Также измерения Реликтового излучения обеспечили поддержку космологической модели расширяющейся вселенной, в которой доминирует темная энергия и которая содержит темную материю. Ожидается, что предстоящие измерения поляризации Реликтового излучения обеспечат подробной информацией о вселенной в возрасте около 10~3? с [7, 8, 9]. Также изучение рассеяния Реликтового излучения, проходящего сквозь скопления галактик (эффект Сюняева-Зельдовича) обеспечит данные о истории расширения вселенной. Существующие детекторные технологии в области некогерентного детектирования, которые достигли сверхвысокой чувствительности, включают в себя детекторы на сверхпроводящем переходе (TES -transition edge sensors), микроболометры на горячих электронах с андреевскими зеркалами, болометры на основе туннельного перехода нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (NIS - normal metal - insulator superconductor) [10,11] и болометры на основе "холодных электронов"(СЕВ - cold electron bolometer) [12, 13]. Чувствительность перечисленных видов детекторов в терминах эквивалентной мощности шума (noise equivalent power - NEP) достигает ~ 10"19 - 10"18 Вт/^/Щ [1, 10, 11, 14, 15, 12, 13], при этом детекторам необходимо охлаждение до сверхнизких температур ~ 0.1 — 0.3 К Но наряду с такими преимуществами как сверхвысокая чувствительность данные технологии обладают и некоторыми недостатками. Быстродействие таких детекторов находиться на уровне 0.1 — 1 мс. Кроме того, для изготовления таких детекторов используются сложные субмикронные технологические процессы.

Важную научную роль в астрономии ТГц диапазона играет измерение спектральных линий, так как в этом диапазоне находятся спектральные линии вращательных переходов многих молекул [16]. Высокое спектральное разрешение необходимо для измерения Доплеровского смещения и профиля линий. Для решения таких задач применяются гетеродинные приемники на основе смесителей, имеющие спектральное разрешение А/А А ~ 103 — 106 [17]. Спектроскопия в ТГц диапазоне является одним из основных методов изучения формирования звезд и планет из холодных газо-пылевых облаков. Такие облака представляют собой препятствие распространению излучения в оптическом и близком инфракрасном диапазоне. Большинство таких скоплений имеют температуру ~ 10 — 20 К и поэтому излучение большей своей частью приходится на ТГц участок спектра. Излучение, исходящее из рожденных звезд нагревает окружающие пыль и газ, вызывая сложные химические реакции, в результате чего можно наблюдать большой набор линий в ТГц диапазоне [18, 19]. Гетеродинные детекторы для таких применений должны обладать возможно низкими шумами и широкой полосой преобразования для достижения нужного спектрального разрешения.

Для гетеродинных приемников основными используемыми детекторными технологиями являются смесители на основе перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС), которые имеют рекордно низкую шумовую температуру на частотах <1 — 1.2 ТГц [1, 20], тогда как для частот выше применяются смесители на эффекте горячих электронов в тонкой сверхпроводниковой пленке (hot electron bolometer - НЕВ) [1, 21]. Диод на основе перехода металл-полупроводник (Шоттки диод) также применяется в гетеродинных приемниках. Обладая широкой полосой преобразования и способностью работать в широком интервале температур от жидкого гелия до комнатной, такой детектор требует ~ 1 мВт мощности гетеродинного источника [22, 23]. Такой уровень мощности гетеродинного источника трудно реализовать на доступных в настоящее время компактных твердотельных источниках излучения.

С другой стороны, ТГц детекторы активно применяются в системах получения изображения в суб-ТГц - ТГц диапазоне для целей всепогодной навигации, безопасности и медицины [24, 25, 26, 27]. Такие системы можно разделить на пассивные, в которых происходит прием естественного теплового излучения источника и активные, в которых исследуемый объект облучается ТГц излучением и производится детектирование и анализ отраженных или проходящих лучей.

В сфере безопасности пассивные системы получения изображения применяются для обнаружения скрытых предметов на фоне теплового излучения человеческого тела. Благодаря тому, что ТГц излучение поглощается менее интенсивно, чем инфракрасное излучение, обнаружение предметов становится возможным через слои одежды и других материалов. Для разработки таких систем используются приемники на основе как когерентных, так и некогерентных детекторов. На основе когерентных детекторов разрабатываются системы получения так называемого цветного изображения в ТГц диапазоне, которые позволяют также получать спектральную информацию излучения изучаемого объекта [28, 29, 30]. На данном этапе разработки в таких системах используются некогерентные детекторы на основе сверхпроводящего перехода в пленке Nb [31, 32], либо смесители на эффекте электронного разогрева [33]. Требования к шумовым параметрам детектора определяются тем, что при наблюдении за объектами комнатной температуры величина фонового шума составляет NEP 10~15 Вт/л/ТЦ (оценка приведена для частоты 0.5 ТГц в полосе 30%).

Для применений в области детектирования пассивного излучения детекторные устройства должны иметь высокую чувствительность и быстродействие при одновременном условии простоты эксплуатации, возможности интегрирования в матричные конструкции для получения изображения в широком поле обзора и в реальном времени. В то время как СИС и НЕВ смесители нуждаются в охлаждении до температур 4.2 К и ниже, что является оправданным при реализации единичных и рекордных по чувствительности приемников для телескопов и спектрометров ТГц диапазона, реализация систем визуализации предполагает отказ от гелиевых температур как значительно удорожающих и усложняющих конечный приемник.

Когерентные и некогерентные детекторы на основе эффекта электронного разогрева двумерного электронного газа в полупроводниковой гетероструктуре AlGaAs/GaAs обладают рядом преимуществ перед перечисленными технологиями в силу модификации энергетического спектра электронов. При низких температурах электроны в таких структурах слабо связаны с фононами, поэтому эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме детектирования ТГц излучения, наблюдается даже для малых рассеиваемых мощностей. Электроны в такой структуре обладают наибольшей достигнутой подвижностью [34, 35, 36], что по сравнению с металлическими пленками делает легким реализацию диффузионного и баллистического транспорта в энергетической релаксации горячих носителей. Высокие значения подвижности и температурной нелинейности проводимости позволяют реализовывать на основе AlGaAs/GaAs гетеро-структур смесители, работающие при температуре 77 К. Для смесителя, изготовленного на основе такого материала, достигнутые значения полосы преобразования составляют 20 ГГц [37] при осуществлении диффузионного механизма охлаждения и 37 ГГц [38] при осуществлении баллистического при температуре 77 К. Охлаждение детектора до уровня температур жидкого азота может легко осуществляться при помощи компактных криогенных машин.

Обладая малой концентрацией электронов при сравнимом значении проводимости за счет высокой подвижности, 2D электронный газ обладает гораздо меньшей (до хЮ5) электрон-фоионной теплоемкостью на единицу площади при гелиевых и субгелиевых температурах по сравнению с металлами, что делает перспективным применение такого материала в качестве поглотителя и активного элемента некогерентного детектора на основе эффекта разогрева электронов. Для обеспечения значения электрон-фононной теплопроводности, необходимого для достижения уровня чувствительности лучших некогерентных детекторов, размеры такого поглотителя находятся в диапазоне нескольких микрометров, что позволяет изготавливать такие детекторы при помощи методов фотолитографии. К тому же значения подвижности и концентрации электронов могут быть оптимизированы в процессе изготовления гетероструктуры.

Релаксация энергии 2D электронов в AlGaAs/GaAs гетероструктуре в диапазоне гелиевых и субгелиевых температур осуществляется за счет неупругого рассеяния на акустических колебаниях решетки, а в диапазоне азотных - на оптических. А при изготовлении детекторов микронных размеров релаксация энергии электронов происходит посредством диффузии горячих электронов в контакты. Детальное изучение временных характеристик процесса энергетической релаксации приводят к информации, необходимой при разработке широкого класса полупроводниковых приборов. Электрон-фононное взаимодействие играет важную роль в таких приборах, как сверхбыстрые транзисторы на основе материала с высокой подвижностью (НЕМТ) и квантовые-каскадные лазеры. Последние представляют собой новый класс источников излучения терагерцового диапазона [39, 40, 41], а их успешное применение в гетеродинных ТГц приемниках было продемонстрировано авторами [42]. В работе [27] продемонстрирована система получения изображения, в которой в качестве источника излучения используется 2.9 ТГц квантовый-каскадный лазер. В таких типах лазеров для их работы требуется быстрое обеднение конечных состояний излучательных межуровневых переходов в активной квантовой яме. Для создания инверсной популяции уровней характерное время переходов на основной уровень, которые происходят без излучения, должно быть больше, чем время обеднения основного состояния. Простейшим решением этой задачи является конструкция, которая кроме активной квантовой ямы содержит еще одну, связанную с активной. При этом в гетероструктурах на основе полупроводников типа Л3Б5 характерные времена межуровневых переходов и время обеднения основного уровня определяются процессом рассеяния электронов на продольных оптических (LO) фоионах [43]. В работе [44] продемонстрирован 3.4 ТГц квантовый-каскадный лазер, а авторами [41] показан 3 ТГц лазер на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs, в котором обеднение основного уровня обусловлено LO рассеянием.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью создания чувствительных гетеродинных приемников для применения в системах визуализации в суб-ТГц и ТГц диапазонах и решения задач в ТГц радиоастрономии. Исследование процессов электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе гетероструктур в температурных интервалах 1 ~ 77 —130 К и Т < 4.2 К необходимо для разработки новых типов ТГц детекторов, высокочастотных транзисторов и твердотельных источников ТГц излучения.

Целью настоящей работы является разработка гетеродинного детектора суб-ТГц - ТГц диапазона на основе эффекта разогрева электронов двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs, работающего при температуре 77 К, и исследование полосы преобразования потерь преобразования и требуемой мощности гетеродина при осуществлении фоионного и диффузионного механизмов охлаждения горячих электронов; исследование электрон-фононного взаимодействия в условиях, близких к равновесным, при низких температурах.

Объектом исследования являлись гетероструктуры AlGaAs/GaAs с двумерным электронным газом. Разрабатываемые гетеродинные детекторы на основе двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs исследовались при температуре 77 К на частоте излучения 129 — 142 ГГц с использованием методики смешения излучения двух источников, электрон-фононное взаимодействие двумерных электронов изучалось при температурах < 4.2 К при помощи методик миллиметровой гетеродинной спектроскопии на той же частоте, что и смесители. Особенности электрон-фононной энергетической релаксации и релаксации энергии посредством диффузии в контакты изучались при температуре кристаллической решетки Ть = 77 К и электронной температуре Те ы 77 — 130 К.

В настоящей работе были получены следующие новые научные результаты:

1. Созданы когерентные детекторы суб-ТГц диапазона частот на основе эффекта разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с одиночной квантовой ямой, работающие при температуре 77 К с фононным и диффузионным каналом охлаждения двумерных электронов. Исследованы основные характеристики таких детекторов для концентраций двумерных электронов 2 х 1011 - 1 х 1012 см'2.

2. Исследована зависимость потерь преобразования смесителя от подвижности двумерного электронного газа и зависимость требуемой мощности гетеродина от концентрации 2D электронов.

3. При помощи прямых измерений времени электрон-фононной релаксации получено значение времени жизни оптического фонона при температуре электронного газа 100 — 120 К.

4. Методом измерения энергетических потерь на один электрон двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs показан вклад диффузионного транспорта в разрабатываемых смесителях.

5. Впервые исследована зависимость потерь и полосы преобразования для диффузионного смесителя от электронной температуры двумерного газа.

6. Впервые методом миллиметровой гетеродинной спектроскопии была измерена зависимость времени энергетической релаксации двумерных электронов от их концентрации при температуре 4.2 К в условиях, близких к равновесным.

7. Проведены измерения электрон-фононной теплопроводности двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре 0.45 - 4.2 К.

В настоящей работе сформулированы и выносятся на защиту следующие положения:

• Полоса преобразования смесителя с фононным охлаждением на основе двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных электронов 2.7—3.5 х 1011 см~2 составляет значение 4 ± 0.5 ГГц при температуре 77 К.

Время жизни оптического фонона в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре кристаллической решетки 77 К и температуре электронов 100 — 120 К составляет тю = 4.5 ± 0.8пс.

Для смесителей с концентрацией электронов ns — 2 х 1011 см"2 и подвижностью jj, = 2.9 х 105 см?/Вс при температуре электронов Те > 115 К и расстоянии между контактами смесителя I < 5 ,М7Ш релаксация горячих электронов происходит путем их диффузии в контактные области.

Оптимальный режим работы смесителя с ns = 3 х 1011 см~2 и /л = 2.3 х 105 ом2/Вс соответствует диффузионному механизму релаксации энергии электронов, что достигается при длине канала смесителя 2 — Змкм, Оптимальная область электронной температуры составляет 100 —120 К, в которой полоса исследуемых детекторов достигает значений 20 ГГц, а потери преобразования 13 дБ при требуемой мощности гетеродинного источника 200 нВт, на 1 мкм2 площади двумерного электронного газа.

Время релаксации энергии двумерных электронов при температуре 4.2 К пропорционально п°35. Измеренные значения составляют тб = 1.3 - 2.4 ж для образцов с п3 = 2.7 х 1011 - 8.2 х 1011 см~2. Вид зависимости те(п3) качественно согласуется с теоретически предсказанной.

Практическая значимость работы определяется тем, что разрабатываемые AlGaAs/GaAs смесители для работы при 77 К являются перспективными для использования в приборах пассивного тепловидения в суб ТГц - ТГц диапазоне излучения и инструментах ТГц радиоастрономии. Практическая значимость также обусловлена использованием знаний о электрон-фононном взаимодействии в двумерном электронном газе при разработке ТГц детекторов на основе эффекта горячих электронов, источников излучения ТГц диапазона, таких как квантово-каскадные лазеры.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и списка литературы. Объем работы составляет 120 страниц, включая 36 рисунков и 3 таблицы. Список литературы состоит из 104 наименований источников.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Морозов, Дмитрий Владимирович

Основные выводы диссертационного исследования можно сформулировать следующим образом. Разработан когерентный детектор на эффекте электронного разогрева двумерного электронного газа в гетерострук-туре AlGaAs/GaAs и исследованы его основные характеристики. Измерены значения полосы преобразования фононных смесителей, которые составили 3.5 — 4.5 ГГц. Определенное в эксперименте время жизни оптического фонона составило по ~ 4.5 ± 0.8 пс при температуре электронов Те = 100 — 120 К. В режиме охлаждения горячих электронов на LO фононах полоса преобразования ограничена перепоглощением LO фононов электронами. При одинаковой степени разогрева, потери преобразования меньше для смесителя с большим значением ц. Показано, что оптимальный режим работы смесителя соответствует диффузионному механизму протекания разогретых носителей, что отвечает длине 2D канала ^2 — 3 мкм. Найдена оптимальная область температур двумерного электронного газа (та 100 — 120 К) в которой полоса исследуемых структур достигает значении ~ 20 ГГц, а потери преобразования та 13 дБ. Оптимальная мощность гетеродинного источника составляет та 200 нВт/мкм2 для смесителя с подвижностью /л = 2.3 х 105 см?/Вс, что составляет значение порядка та 9.7 мкВт для смесителя размером 3 х 12 мкм2 и ns = 3 х 10й см~2.

Методом гетеродинной миллиметровой спектроскопии исследована зависимость времени электрон-фононной релаксации т£ от концентрации двумерного электронного газа п3 в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Выявлено увеличение времени релаксации с увеличением концентрации двумерного электронного газа. Измеренные значения составили тб = 1.3 — 2.4 не для образцов с ns = 2.7 х 1011 — 8.2 х 1011 см~2. Измеренное значение теплоемкости вблизи температуры 0.45 К составило Ge-Ph ~ Ю-17—Ю-16 Вт/К на электрон. Полученное значение позволило оценить NEP детектора, состоящего из 2DEG в качестве активного поглотительного элемента на основе эффекта электронного разогрева и туннельного контакта 2DEG - сверхпроводник в качестве термометра, которое составило порядка 10~18 Вт/л/Гц.

В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Г.Н. Гольцману за руководство и помощь на протяжении работы над диссертацией. Автор выражает благодарность К.В. Смирнову и А.П. Мельникову за помощь на начальном этапе исследования и полезные обсуждения на протяжении всей работы над диссертацией. Также автор благодарен А.В. Смирнову и В.А. Ляхову за помощь в эксперименте, М.И. Финкелю, Ю.Б. Вахтомину, М.А. Тархову за полезные обсуждения, О.В. Минаевой и всему коллективу Учебно-научного радиофизического центра МПГУ. Автор также благодарен P.D. Mauskopf и коллективу Группы астрофозических иструментов Кардиффского университета.

Список публикаций автора.

Публикации в изданиях из списка ВАК РФ.

1. Д. В. Морозов, К. В. Смирнов, А. В. Смирнов, В. А. Ляхов, Г. Н. Голъцман Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников. — 2005. — т.39, вып.9. — С. 1117-1121. — 0,325 п.л. (авторских 50%).

Публикации в других изданиях.

2. Р. V. Morozov, К. V. Smirnov, А. P. Melnikov, Yu. В. Vachtomin, A. A. Verevkin, G. N. Goltsman Mechanisms crossover of energy relaxation of 2D electrons in perpendicular magnetic field // 26th International Conference on the Physics of Semiconductors. — Edinburgh: 2002. - P. 148. - 0,125 п.л. (авторских 15%).

3. Д. В. Морозов, К. В. Смирнов, О. В. Окунев, Г. Н. Голъцман AlGaAs/GaAs смеситель на эффекте разогрева двумерных электронов для тепловизора субмиллиметрового диапазона //VI Российская конференция по физике полупроводников, ФТИ им. Иоффе. — Санкт-Петербург: 2003. - С. 181-182. - 0,125 п.л. (авторских 25%).

4. Д. В. Морозов, Р. В. Ожегов, К. В. Смирнов, О. В. Окунев, Г. Н. Голъцман AlGaAsGaAs смеситель на основе эффекта разогрева двумерных электронов для тепловизора субмиллиметрового диапазона волн // V Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике. — Санкт-Петербург: 2003. - С. 106. - 0,125 п.л. (авторских 35%).

5. Д. В. Морозов, К. В. Смирнов, О. В. Окунев, Г. Н. Голъцман Полоса и коэффициент преобразования AlGaAs/GaAs смесителя субмиллиметрового диапазона на эффекте электронного разогрева, // тезисы Четвертого международного украинско-российского семинара «На-нофизика и наноэлектроника». — Киев, Украина: 2003. — С. 54—56.

0,125 п.л. (авторских 25%).

6. Р. V. Morozov, S. N. Maslennikov, R. V. Ozhegov, К. V. Smirnov, О. V. Okunev, G. N. Goltsman Submillimeter imaging system based on AlGaAs/GaAs hot electron bolometer mixers // 11th International Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, St. Petersburg Electrotechnical University "LETI".

- St. Petersburg: 2004. - Pp. 34-36. - 0,2 п.л. (авторских 35%).

7. Д. В. Морозов, Р. В. Ожегов, С. Н. Масленников, К. В. Смирнов, О. В. Окунев, Г. Н. Голъцман Тепловизор субмиллиметрового диапазона волн для регистрации теплового излучения человека и обнаружения скрытых под одеждой предметов // 3-я международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». — Москва: 2004. — С. 219. —

0,125 п.л. (авторских 25%).

8. D. V. Morozov, S. N. Maslennikov, R. V. Ozhegov, К. V. Smirnov, О. V. Okunev, G. N. Goltsman Imaging system for submillimeter wave range based on AlGaAs/GaAs hot electron bolometer mixers // MSMW'04 Symposium Proceedings. — Kharkov, Ukraine: 2004. — Pp. 558—560. — 0,2 п.л. (авторских 25%).

9. Д. В. Морозов, К. В. Смирнов, А. В. ' Смирнов, В. А. Ляхов, Г. Н. Голъцман ММ/СММ смеситель на основе разогрева 2D электроннов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // VII Российская конференция по физике полупроводников. — Звенигород: 2005. — С. 214. — 0,125 п.л. (авторских 25%).

10. Р. Morozov, I. Bacchus, P. Mauskopf, M. Elliott, С. Dunscombe, M. Henini A cold electron bolometer using a two-dimensional electron gas absorber •// 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, ISSTT2005. - Goteborg, Sweden: 2005. - Pp. 134 -138. - 0,315 п.л. (авторских 15%).

11. D. Morozov, I. Bacchus, P. Mauskopf, M. Elliott, C. Dunscombe, M. Henini, M. Hopkinson High sensitivity terahertz detector using two-dimensional electron gas absorber and tunnel junction contacts as a thermometer.// Proc. SPIE. - 2006. - Vol. 6275. - P. 62751P. -0,565 п.л. (авторских 35%).

12. D. Morozov, P. Mauskopf, I. Bacchus, M. Elliott, C. Dunscombe, M. Hopkinson, M. Henini THz direct detector with 2D electron gas periodic structure absorber // 18th International Symposium on Space Terahertz Technology, ISSTT2007. - Pasadena, USA: 2007. - P. Pll. — 0,5 п.л. (авторских 50%).

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Морозов, Дмитрий Владимирович, 2007 год

1. Zmuidzinas J., Richards P. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics // Proceedings of the 1.EE. — 2004. - October. - Vol. 92, no. 10. - Pp. 1597-1616.

2. A flat universe from high-resolution maps of the cosmic microwave background radiation / P. de Bernardis, P. A. R. Ade, J. J. Bock et al. // Nature.- 2000.- Vol. 404, no. 6781.- Pp. 955-959.http://dx.doi.org/10.1038/35010035.

3. Maxima-1: A measurement of the cosmic microwave background anisotropy on angular scales of 1050 / S. Hanany, P. Ade, A. Balbi et al. // Astrophysical Journal. — 2000. — December. — Vol. 545, no. 1. — Pp. L5 -L9.

4. Degree angular scale interferometer first results: A measurement of the cosmic microwave background angular power spectrum / N. W. Halverson, E. M. Leitch, C. Pryke et al. // Astrophysical Journal. — 2002. — March. — Vol. 568, no. l.-Pp. 38 -45.

5. First-year wilkinson microwave anisotropy probe (wmap)l observations: Determination of cosmological parameters / D. N. Spergel, L. Verde, H. V. Peiris et al. // Astrophysical Journal (Suppl.).— 2003.— September. Vol. 148, no. 1. - Pp. 175 - 194.

6. Kamionkowski M., Kosowsky A., Stebbins A. A probe of primordial gravity waves and vorticity // Phys. Rev. Lett. — 1997. — Mar. — Vol. 78, no. 11.-Pp. 2058-2061.

7. Seljak U., Zaldarriaga M. Signature of gravity waves in the polarization of the microwave background // Phys. Rev. Lett. — 1997. — Mar. — Vol. 78, no. 11.-Pp. 2054-2057.

8. Ни W., White M. A cmb polarization primer // New Astronomy.— 1997.-October.-Vol. 2, no. 4.- Pp. 323-344.

9. Nahum M., Martinis J. M. Ultrasensitive-hot-electron microbolometer // Appl. Phys. Lett. — 1993. — Vol. 63.- Pp. 3075-3077.

10. Nahum M., Eiles Т. M., Martinis J. M. Electronic microrefrigerator based on a normal-superconductor tunnel junction // Appl. Phys. Lett. — 1994. Vol. 65. - Pp. 3123-3125.

11. Golubev D., Kuzmin L. Non-equilibrium theory of a hot electron bolometer with normal metal-insulator-superconductor tunnel junction // Jour. App. Phys. 2001. - Vol. 89. - Pp. 6464-6472.

12. Kuzmin L. Superconducting cold electron bolometer with proximity traps // Micro. Elect. Engn. 2003. - Vol. 69.- Pp. 309-316.

13. A hot-electron direct detector for radioastronomy / B. S. Karasik, W. R. McGrath, H. G. LeDuc, M. E. Gershenson // Supercond. Sci. Tech-nol 1999. - Vol. 12. - Pp. 745 - 747.

14. Experimental study of superconducting hot-electron sensors for submm astronomy / B. S. Karasik, B. Delaet, W. R. McGrath et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003. - Vol. 13, no. 2. - Pp. 188 -191.

15. Phillips T. G., Keene J. Submillimeter astronomy // Proceedings of the IEEE. 1992. - November. - Vol. 80, no. 11. - Pp. 1662 - 1678.

16. Siegel P. H. Terahertz technology // IEEE Trans, on Micr. Theo. and Techn. 2002. - March. - Vol. 50, no. 3. - Pp. 910 - 928.

17. A line survey of orion-kl from 607 to 725 ghz / P. SCHILKE, D. J. BEN-FORD, T. R. HUNTER et al. // Astrophysical Journal (Suppl.).-2001. February. - Vol. 132. - Pp. 281 - 364.

18. Chemistry as a probe of the structures and evolution of massive star-forming regions / S. D. Doty, E. F. van Dishoeck, F. F. S. van der Так, A. M. S. Boonman // Astronomy and Astrophysics. — 2002. — Vol. 389. — Pp. 446 463.

19. A three photon noise SIS heterodyne receiver at submillimeter wavelength / A. Karpov, J. Blondel, M. Voss, K. Gundlach // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1999. - June. - Vol. 9. - P. 4456.

20. Semenov A., Goltsman G., Sobolewski R. Hot-electron effect in superconductors and its applications for radiation sensors // Supercond. Sci. Technol. 2002. - March. - Vol. 15. - Pp. R1-R16.

21. GaAs schottky diodes for THz mixing applications / T. Crowe, R. Mat-tauch, H. Roser et al. // Proceedings of the IEEE. — 1992. — November. — Vol. 80.-Pp. 1827-1841.

22. A 2.5-THz receiver front end for spaceborne applications / M. C. Gaidis, H. M. Pickett, C. D. Smith et al. // IEEE Trans, on Micr. Theo. and Techn. 2000. - April. - Vol. 48, no. 4. - Pp. 733 - 739.

23. Ни В. В., Nuss M. С. Imaging with terahertz waves // Optics Letters. — 1995.-August. Vol. 20, no. 16.- Pp. 1716 - 1718.

24. Appleby R. Passive millimetre-wave imaging and how it differs from terahertz imaging // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004. - Vol. 362. -Pp. 379 - 394.

25. Terahertz sources and detectors and their application to biological sensing / T. W. Crowe, T. Globus, D. L. Woolard, J. L. Hesler // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004. - Vol. 362. - Pp. 365 - 367.

26. Imaging with thz quantum cascade lasers using a schottky diode mixer / S. Barbieri, J. Alton, C. Baker et al. // Optics Express. — 2005.— August. Vol. 13, no. 17.- Pp. 6497-6503.

27. Kawase K., Ogawa Y., Watanabe Y. Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints // Optics Express. — 2003. — October. Vol. 11, no. 20. - Pp. 2549 - 2554.

28. Watanabe Y., Kawase K., Ikari T. Component spatial pattern analysis of chemicals using terahertz spectroscopic imaging // Appl. Phys. Lett. — 2003. Vol. 83, no. 4. - Pp. 800 - 802.

29. Component analysis of chemical mixtures using terahertz spectroscopic imaging / Y. Watanabe, K. Kawase, T. Ikari et al. // Optics Communications. 2004. - Vol. 234. - Pp. 125 - 129.

30. Luukanen A., Pekola J. P. A superconducting antenna-coupled hot-spot microbolometer // Appl. Phys. Lett. — 2003. —June. — Vol. 82, no. 22. — Pp. 3970 3972.

31. An ultra-low noise superconducting antenna-coupled microbolometer with a room-temperature read-out / A. Luukanen, E. N. Grossman, A. J. Miller et al. // IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS. 2006. - August. - Vol. 16, no. 8. - Pp. 464 - 466.

32. Development of integrated HEB/MMIC receivers for near-range terahertz imaging / F. Rodriguez-Morales, K. S. Yngvesson, R. Zannoni et al. // IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. 2006. - June. - Vol. 54, no. 6. - Pp. 2301 - 2311.

33. Electron mobilities exceeding 107cm2/v s in modulation-doped gaas / L. Pfeiffer, K. W. West, H. L. Stormer, K. W. Baldwin // Appl Phys. Lett. 1989. - October. - Vol. 55, no. 18. - Pp. 1888 - 1890.

34. Umansky V., de Picciotto R., Heiblum M. Extremely high-mobility twodimensional electron gas: Evaluation of scattering mechanisms // Appl. Phys. Lett. 1997. - August. - Vol. 71, no. 5. - Pp. 683 - 685.

35. Wide bandwidth millimeter wave mixer using a diffusion cooled two-dimensional electron gas / M. Lee, L. N. Pfeiffer, K. W. West, K. W. Baldwin // Appl. Phys. Lett.- 2001.- Vol. 78, no. 19.- P. 2888.

36. Lee M., Pfeffer L. N., West K. W. Ballistic cooling in a wideband two-dimensional electron gas bolometric mixer // Appl. Phys. Lett. — 2002. — August. Vol. 81, no. 7. - P. 1243.

37. Low-threshold .terahertz quantum-cascade lasers / M. Rochat, L. Ajili, H. Willenberg et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. - August. - Vol. 81, no. 8.-Pp. 1381-1383.

38. Terahertz semiconductor-heterostructure laser / R. Kohler, A. Tredicuc-ci, F. Beltram et al. // Letters to Nature. 2002. - May. - Vol. 417. — Pp. 156-159.

39. Operation of terahertz quantum-cascade lasers at 164 к in pulsed mode and at 117 к in continuous-wave mode / B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, J. L. Reno // Optics Express. 2005. - May. - Vol. 13, no. 9. - Pp. 3331 - 3339.

40. Terahertz heterodyne receiver based on a quantum cascade laser and a superconducting bolometer / J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. - Vol. 86. - P. 244104.

41. Тавгер Б. А., Демиховский В. Я. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках // Успехи Физических Наук. 1968. - Сентябрь. - Т. 96, № 1. - С. 61-86.

42. Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heterojunction siperlattices / R. Dingle, H. L. Stormer, A. C. Gossard, W. Wiegmann // Appl Phys. Lett.- 1978.-October.-Vol. 33, no. 7.- Pp. 665-667.

43. Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems // Reviews of Modern Physics. 1982. - April. - Vol. 54, no. 2. - Pp. 437-672.

44. Ziman J. M. Electrons and phonons: the theory of transport phenomena in solids. The International series of monographs on physics. — Oxford: Clarendon Press, 1960.

45. Гантмахер В. Ф., Левинсон И. Б. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках. — Москва: Наука, 1984.

46. Bardeen J., Shockley W. Deformation potentials and mobilities in non-polar crystals // Phys. Rev. 1950. - Oct. - Vol. 80, no. 1. - Pp. 72-80.

47. Price P. J. Hot electrons in an GaAs heterolayer at low temperature // Jour, of App. Phys. — 1982. — Vol. 53.- Pp. 6863-6866.

48. Карпу с В. Энергетическая и импульсная релаксация двумерных носителей заряда при взаимодействии с деформационными аккустиче-скими фононами // Физика и техника полупроводников.— 1986.— Т. 20.-С. 12.

49. Карпус В. Энергетическая релаксация двумерных электронов при пьезоаккустическим рассеянии // Физика и техника полупроводников.- 1988.- Т. 22.- С. 439.

50. Hirakawa К., Sakaki Н. Energy relaxation of two-dimensional electrons and the deformation potential constant in selectivily doped AlGaAs/GaAs heterojunctions // Appl. Phys. Lett— 1986. — October. — Vol. 49, no. 14. P. 889.

51. Observation of a Bloch — Grilneisen regime in two-dimensional electron transport / H. L. Stormer, L. N. Pfeiffer, K. W. Baldwin, K. W. West // Phys. Rev. B. 1990. - Vol. 41. - Pp. 6863-6866.

52. Price P. J. Two-dimensional electron transport in semiconductor layers, i. phonon scattering // Annals of Physics.— 1981. —May. — Vol. 133, no. 2. Pp. 217-239.

53. Карпус В. О подвижности двумерных носителей заряда при пьезо-аккустическом рассеянии // Физика и техника полупроводников,— 1987.-Т. 21.-С. 1949.

54. Гольцман Г. Н., Смирнов К. В. Электрон-фононное взаимодействие в двумерном электронном газе полупроводниковых гетероструктур принизких температурах // Письма в ЖЭТФ. — 2001. — Ноябрь. — Т. 74, №9.-С. 532 538.

55. Энергетическая релаксация двумерных электронов на гетерограни-це AlGaAs/GaAs. / М. Г. Блюмина, А. Г. Денисов, Т. А. Полянская и др. // Письма в ЖЭТФ. 1986. - Сентябрь. - Т. 44, № 5. - С. 257 - 260.

56. Time-resolved measurements of the energy relaxation in the 2DEG of AlGaAs/GaAs / J. Lutzt, F. Kucharl, K. Ismail et al. // Semicond. Sci. Technol. 1993. - Vol. 8. - Pp. 399-402.

57. Энергетическая релаксация двумерных электронов на в области квантового эффекта Холла / К. В. Смирнов, Н. Г. Птицина, Ю. Б. Вахтомин et al. // Письма в ЖЭТФ.- 2000.-Январь.-Vol. 71, no. 1. — Pp. 47 52.

58. Смирное К. В. Энергетическая релаксация электронов в 20-канале гетеропереходов GaAs/AlGaAs и транспортные процессы в структурах полупроводник-сверхпроводник на их основе: Кандидатская диссертация / МПГУ. — Москва, 2000.

59. Энергетическая релаксация электронов в 20-канале AlGaAs-GaAs ге-тероструктур в квазиравновесных условиях при низких температурах / А. А. Веревкин, Н. Г. Птицина, Г. М. Чулкова и др. // Письма в ЖЭТФ. 1995. - Т. 61, № 7. - С. 579-582.

60. Direct measurements of energy relaxation time of electrons in AlGaAs/GaAs heterostructures under quasi-equilibrium conditions / A. A. Verevkin, N. G. Ptitsina, G. M. Chulcova et al. // Surf. Sci. — 1996. Vol. 361/362. - Pp. 569-573.

61. Effects of electron heating on the two-dimensional magnetotransport in AlGaAs/GaAs heterostructures / H. Sakaki, K. Hirakawa, J. Yoshino et al. // Surf. Sci. 1984. - Vol. 142. - Pp. 306-313.

62. Shah J. Hot carriers in Quasi-2-D polar semiconductors // IEEE Journal of Quantum Electronics.— 1986. — September. — Vol. WE-22, no. 9.— P. 1728.

63. Ridley В. K. Hot electrons in low-dimensional structures // Rep. Prog. Phys. 1991. - Vol. 54. - Pp. 169-256.

64. Ridley В. K. The electron-phonon interaction in quasi-two-dimensional semiconductor quantum-well structures // Journal of Physics C: Solid State Physics.- 1982.-October. Vol. 15, no. 28.- Pp. 5899-5917.

65. Riddoch F. A., Ridley В. K. On the scattering of electrons by polar optical phonons in quasi-2D quantum wells // Journal of Physics C: Solid State Physics. 1983. - Vol. 16. - Pp. 6971-6982.

66. Price P. J. Hot electrons in heterolayers // Phys. Rev. В. — 1984.— August. Vol. 30, no. 4. - Pp. 2236-2237. •

67. Есипов С. Э., Левинсон И. Б. Электронная температура в квантовой яме, потери энергии на оптических фононах // Письма в ЖЭТФ.— 1985. Сентябрь. - Т. 42, № 5. - С. 193-195.

68. Есипов С. Э., Левинсон И. Б. Электронная температура в двумерном газе, потери энергии на оптических фононах // ЖЭТФ. — 1985. — Т. 90, №1.-С. 330-345.

69. Electric field induced heating of high mobility electrons in modulation-doped GaAs-AlGaAs heterostructures / J. Shah, A. Pinczuk, H. L. Stormer et al. // Appl. Phys. Lett. — 1983. — January. — Vol. 42, no. 1.-Pp. 55-57.

70. Energy-loss rates for hot electrons and holes in GaAs quantum wells / J. Shah, A. Pinczuk, A. C. Gossard, W. Wiegmann // Phys. Rev. Lett. — 1985.-May.-Vol. 54, no. 18.- Pp. 2045-2048.

71. Hopfel R. A., Weimann G. Electron heating and free-carrier absorption in GaAs/AlGaAs single heterostructures // Appl. Phys. Lett. — 1985. — February. Vol. 46, no. 3. - Pp. 291-293.

72. Ridley В. K. Hot phonons in high-field transport // Semicond. Sci. Tech-nol. 1989. - December. - Vol. 4, no. 12. - Pp. 1142-1150.

73. Прямые измерения времен энергетической релаксации на гетерогра-нице AlGaAs/GaAs в диапазоне 4.2 50 К / А. А. Веревкин, Н. Г. Пти-цина, К. В. Смирнов и др. // Письма в ЖЭТФ. - 1996. - Т. 64, № 5. -С. 371-375.

74. Gupta R., Balkan N., Ridley В. К. Hot-electron transport in gaas/gai-zafcas quantum-well structures // Phys. Rev. В.- 1992.-Sep.- Vol. 46, no. 12.- Pp. 7745-7754.http://link.aps.org/abstract/PRB/v46/p7745.

75. Resonant-energy relaxation of terahertz-driven two-dimensional electron gases / N. G. Asmar, A. G. Markelz, E. G. Gwinn et al. // Phys. Rev. В.- 1995.-Jun.- Vol. 51, no. 24.- Pp. 18041-18044.http://link.aps.org/abstract/PRB/v5 l/pl8041.

76. Hirakawa K., Sakaki H. Mobility of the two-dimensional electron gas at selectively doped n -type a^pai-^as/gaas heterojunctions with controlled electron concentrations // Phys. Rev. B. — 1986. — Jun. — Vol. 33, no. 12.-Pp. 8291-8303.

77. Hot electrons in modulation-doped GaAs-AlGaAs heterostructures / J. Shah, A. Piriczuk, H. L. Stormer et al.'// Appl. Phys. Lett. — 1984.— February. Vol. 44, no. 3. - Pp. 322 -324.

78. Hot-electron relaxation in gaas quantum wells / С. H. Yang, J. M. Carlson-Swindle, S. A. Lyon, J. M. Worlock // Phys. Rev. Lett. 1985. - Nov. -Vol. 55, no. 21.— Pp. 2359-2361. http://link.aps.org/abstract/PRL/v55/p2359.

79. Hess K. Physics of Nonlinear Transport in Semiconductors / Ed. by D. K. Ferry, J. R. Barker, C. Jacoboni. — Plenum Press, New York, 1980. — P. 1.

80. Price P. J. Hot phonon effects in heterolayers // Physica ВС, — 1985. — November. Vol. 134, no. 1-3. - Pp. 164-168.

81. Price P. J. Hot phonon effects in heterolayers // Superlattices and Mi-crostructures. — 1985. — Vol. 1, no. 3. — Pp. 255-257.

82. Cai W., Marchetti M. C., Lax M. Nonequilibrium electron-phonon scattering in semiconductor heterojunctions // Phys. Rev. В. — 1986.— Dec.— Vol. 34, no. 12.- Pp. 8573-8580.

83. Cai W., Marchetti M., Lax M. Nonequilibrium phonon effect on time-dependent relaxation of hot electrons in semiconductor hetero junctions / / Phys. Rev. B. — 1987. — January. — Vol. 35, no. 3.- Pp. 1369-1372.

84. Das Sarma S., Jain J. K., Jalabert R. Theory of hot-electron energy loss in polar semiconductors: Role of plasmon-phonon coupling // Phys. Rev. В.- 1988.-Apr.- Vol. 37, no. 11.- Pp. 6290-6296.http://link.aps.org/abstract/PRB/v37/p6290.

85. Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron-mixers / H. Ekstrom, B. S. Karasik, E. L. Kollberg, K. S. Yngvesson //

86. EE Trans, on Micr. Theo. and Techn.- 1995.-April.- Vol. 43, no. 4. Pp. 938 - 947.

87. Karasik B. S., Elantiev A. I. Noise temperature limit of a superconducting hot-electron bolometer mixer // Appl. Phys. Lett. — 1996. — February. — Vol. 68, no. 6.-Pp. 853-855.

88. Yngvesson K. S. Ultrafast two-dimensional electron gas detector and mixer for terahertz radiation // Appl. Phys. Lett. — 2000. — Feb. — Vol. 76. — P. 777.

89. Prober D. E. Superconducting terahertz mixer using transition-edge mi-crobolometer // Appl. Phys. Lett — 1993.-April.— Vol. 62, no. 17.— P. 2119.

90. Wide-bandwidth electron bolometric mixers: a 2DEG prototype and potential for low-noise THz receivers / J. X. Yang, P. Agahi, D. Dai et al. // IEEE Trans, on Micr. Theo. and Techn. 1993.- Vol. 41.- Pp. 581589.

91. Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at low temperatures / J. X. Yang, J. Li, C. F. Musante, K. S. Yngvesson // Appl. Phys. Lett.- 1995.- Vol. 66.- Pp. 1983-1985.

92. Highly sensitive and tunable detection of far-infrared radiation by quantum Hall devices / Y. Kawano, Y. Hisanaga, H. Takenouchi, S. Komiya-ma // Jour. App. Phys. 2001.-April. - Vol. 89, no. 7.- Pp. 40374048.

93. Millimeter mixing and detection in bulk InSb / F. Arams, C. Allen, B. Peyton, E. Sard // Proceedings of the IEEE.- 1966.-April.- Vol. 54, no. 4. Pp. 612-624.

94. Hot-electron noise and diffusion in AlGaA/GaAs / V. Aninkevicius, V. Bareikis, R. Katilius et al. // Semicond. Sci. Technol— 1994.— Vol. 9.-Pp. 576-579.

95. Femtosecond carrier thermalization in dense fermi seas / W. H. Knox, D. S. Chemla, G. Livescu et al. // Phys. Rev. Lett.- 1988.-Sep.-Vol. 61, no. 11.—Pp. 1290-1293. http://link.aps.org/abstract/PRL/v61/pl290.

96. Design and performance of the lattice-cooled hot-electron terahertz mixer / A. D. Semenov, H.-W. Hubers, J. Schubert et al. // Jour, of App. Phys. 2000. - December. - Vol. 88, no. 11. - Pp. 6758-6767.

97. Electron energy relaxation in a 2D channel in AlGaAs-GaAs heterostructures under quasiequilibrium conditions at low temperatures / A. A. Verevkin, N. G. Ptitsina, G. M. Chulcova et al. // JETP Letters. -1995.-Vol. 61, no. 7.-P. 591.

98. Rowell J. M., Tsui D. C. Hot electron temperature in In As measured by tunneling // Phys. Rev. B. 1976. - Vol. 14.- Pp. 2456-2463.