Смесители на эффекте электронного разогрева для терагерцового и инфракрасного диапазонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Масленников, Сергей Николаевич

• Масленников, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Масленников, Сергей Николаевич

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы. Гетеродинные приёмники диапазона 0,3-30 ТГц

§1.1 Гетеродинные приёмники на основе ДБШ, СИС и фотопроводников . . . , •.

§ 1.2 Эффект электронного разогрева в тонких плёнках NbN

§ 1.3 Смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения.

§ 1.4 Выбор объекта исследования и постановка задачи.

Глава 2. Технология создания NbN НБВ-смесителей и методы измерения их характеристик

§2.1 Технология осаждения сверхпроводниковых плёнок и изготовление смесителей терагерцового диапазона, сопряжённых с планарными антеннами

§ 2.2 Технология изготовления смесителей с прямым поглощением

§ 2.3 Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры на частоте 28,4 ТГц.

§ 2.4 Изотермический метод оценки поглощённой мощности гетеродина

§2.5 Методика измерения ' вольтваттной чувствительности

НЕВ-смесителя в диапазоне от 25 до 67 ТГц.

§ 2.6 Расчёт поглощённой мощности нагрузки в детекторном режиме в приближении малого сигнала.

§ 2.7 Согласование антенного NbN НЕВ-смесителя с квазиоптическим трактом.

§ 2.8 Экспериментальная установка для измерения шумовой температуры на частоте 2,5 ТГц.

Глава 3. Инфракрасные NbN НЕВ-смесители с прямым поглощением

§3.1 Поглощение в тонкой плёнке NbN

§ 3.2 Шумовая температура NbN НЕВ-смесителя на частоте 28,4 ТГц

§ 3.3 Оптимальная поглощённая мощность гетеродина.

§ 3.4 Потери преобразования на частоте 28,4 ТГц

§3.5 Диаграмма направленности приёмника на основе

NbN НЕВ-смесителя на частоте 28,4 ТГц.

§ 3.6 Вольтваттная чувствительность NbN НЕВ в диапазоне от до 67 ТГц . . ;.!

§3.7 Эффект прямого детектирования при измерении шумовой температуры на частоте 28,4 ТГц.

§ 3.8 Выводы

Глава 4. Терагерцовые NbN НЕВ-смесители, сопряжённые с планарными антеннами

§4.1 Шумовая температура NbN НЕВ-смесителя на частоте 2,5 ТГцЮЗ

§4.2 Эффект прямого детектирования при измерении шумовой температуры в терагсрцовом диапазоне.

§ 4.3 Выводы.;.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Смесители на эффекте электронного разогрева для терагерцового и инфракрасного диапазонов»

В современной радиоастрономии, а также в науках о Земле существует ряд проблем, решение которых зависит от чувствительности и спектрального разрешения приёмников излучения терагерцового (ТГц) и инфракрасного (ИК) частотных диапазонов. В этих диапазонах находятся яркие спектральные линии химических соединений1, важных для космологии, планетарной астрономии, а также для отслеживания глобальных процессов в земной атмосфере. Если при наблюдении спектральной линии удаётся установить её принадлежность к «спектральной подписи» того или иного химического соединения, то по интенсивности линии можно судить о распространённости данного соединения, а также о процессах, протекающих в наблюдаемой области пространства. Например, линия .С+ на 158 мкм является наиболее яркой в субмиллиметровом спектре излучения Млечного Пути, что свидетельствует о высокой распространённости этого элемента в Галактике. По яркости этой линии определяются области звёздообразования, где окружающие пылевые скопления облучаются ультрафиолетовым излучением новых звёзд. Используя «спектральные подписи» таких соединений, как Н2О, HD, HCN, CH3D, NH3, РН3, СО, С2Н2, СгНб, входящих в составы атмосфер планет Солнечной Системы [1], можно искать планетные системы, сходные с Солнечной. В дальней ИК области (и ~ 15 ТГц) находится максимум спектральной плотности излучения астрономических объектов с температурами, близкими к земным, что может быть использовано при поиске планет, на которых воз

1 Наиболее интересные линии в диапазоне до 30 ТГц: С+, СО, СН, СН+, CH3D, HCN, HNC, 02, НС1, HF, CI, ОН, OH+, MgH, H20, H20+, H2D+, LiH, NH3, PH3, SH, HeH+, CII, 01, CH2, Sil, HD, 03 (ТГц диапазон); NaH, LiH, СН, CH+, NH, NH3, C2H2, C2H6, OD, 03, HDO, HF, CFC, HCFC, HFC, D20, DF, DNO, ОН, H20, HOC1, HNO, H02, SH, H2S, H30+, H202, HOCO+, H79,81Br, H079'81Br (ИК область до 30 ТГц) можна жизнь.

Соединения CFC, HCFC и HFC являются озоноразрушающими. Кроме того, они, впрочем как СО, ОН и, собственно, Оз, могут влиять на процесс глобального потепления. «Спектральные подписи» этих соединений могут быть использованы при мониторинге спектрометрами, выведенными в космос.

В случаях, когда требуется высокое спектральное разрешение, например, когда необходимо различать близко расположенные спектральные линии или учитывать форму линии, преимущество имеют гетеродинные приёмники, так как их спектральное разрешение в основном зависит от ширины линии излучения гетеродина и может характеризоваться, например, для используемых в качестве гетеродина газовых лазеров, величиной и/Av ~ 106, соответствующей Доплеровскому уширению. Для сравнения, детекторный приёмник, оснащенный входным фильтром на основе перестраиваемого интерферометра Майкельсона, характеризуется v/Av ~

В интервале от 1 до 30 ТГц, перекрывающем значительные части тера-герцового и ИК-диапазонов, наиболее распространены гетеродинные приёмники со смесителями на основе структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), диодов Шоттки, полупроводниковых фотопроводящих материалов (например, HgCdTe), а также со смесителями на основе электронного разогрева в тонких плёнках сверхпроводников (with hot-electron bolometer mixers, с НЕВ-смесителями) [2].

На частотах ниже 1,25 ТГц используются СИС-смесители. Двухполосная шумовая температура (ТщИС) системы на основе СИС-смесителя составляет 136 К на частоте гетеродина ь>г = 650 ГГц [3]. Отметим, что она всего в 8,7 раза превышает квантовый предел двухполосной шумовой температуры гетеродинного приёмника (hvr/(2k)). Вместе с тем, выше 1 ТГц ТщИС начинает быстро возрастать с частотой, достигая на ит = 1.25 ТГц значения 760 К [4]. На более высоких частотах, существенно превосходящих частоту, соответствующую величине энергетической щели сверхпроводника, применение СИС-смесителей затруднено.

Еще одним типом смесителей, используемых на терагерцовых частотах, являются смесители на основе диода Шоттки. Даже при рабочей температуре 4 К они не показывают достаточно низкую шумовую температуру во всём терагерцовом диапазоне: 880 К, 8500 К и 7 • 104 К на vv = 0,6 ТГц, 2,5 ТГц и 4,75 ТГц, соответственно [5, 6].

Отметим также, что. на частотах, близких к 30 ТГц, проводились исследования смесителей на основе полупроводниковых фотопроводящих материалов. Такими смесителями являются фотодиоды в режиме с отрицательным напряжением смещения, либо фотопроводники [7]. Для достижения достаточно широких полос преобразования (В ~ 2 ГГц) на таких устройствах должна быть уменьшена ёмкость, а глубина области, где концентрация фотоиндуци-рованных носителей может быстро изменяться, должна быть увеличена. Это достижимо для HgCdTe-фотодиодов. В [7] приводится оценочное значение квантовой эффективности гетеродинной системы на основе HgCdTe-фотоди-ода г] = 0,4 на иг = 30 ТГц. Исходя из приведенного значения квантовой эффективности, принципиально достижимая минимальная величина шумовой температуры такой системы на иг = 30 ТГц может составлять 1800 К. Вместе с тем, прямое измерение квантовой эффективности гетеродинной системы на основе HgCdTe смесителя и СО2 - лазера в качестве гетеродина дает вдвое меньшее значение 77)28,4 тгц ~ 0,2 [8], т.е. минимальная величина шумовой температуры для реальной гетеродинной системы на основе HgCdTe смесителя составляет 3400 К на частоте 28,4 ТГц, превышая величину квантового предела в 5 раз. Несмотря на то, что шумовая температура HgCdTeсмесителей может составлять всего несколько квантовых пределов, их применение на частотах иг < 28 ТГц затруднено, так как спектральная плотность шума HgCdTe-фотодиода резко возрастает с понижением частоты из-за нелинейного по напряженности электрического поля туннельного эффекта в фотопроводниках с малой величиной энергетической щели [9].

В 1990 году был разработан новый тип смесителей — на основе электронного разогрева в тонких плёнках сверхпроводников (hot-electron bolometer mixer, НЕВ-смеситель) [2]. Опуская пока детальное описание принципов работы (оно будет дано ниже), отметим, что на частотах до 30 ТГц НЕВ-сме-сители, в отличие от СИС и HgCdTe-смесителей, не имеют принципиальных ограничений по механизму смешения. Подавленное состояние энергетической щели сверхпроводниковой плёнки, находящейся в резистивном состоянии, обуславливает спектральную независимость эффекта электронного разогрева от ММ до ближнего ИК-диапазона волн [29]. В современном исполнении чип такого смесителя представляет собой чувствительный сверхпроводниковый мостик, либо включенный по волноводной схеме, либо интегрированный с металлической планарной антенной (как правило, спиральной, двухщелевой или логопериодической) на диэлектрической подложке. В качестве материала сверхпроводникового мостика используется NbN, т.к. он обладает малым по сравнению с другими сверхпроводниковыми материалами (например, Nb) временем электрон-фононного взаимодействия, что позволяет достигать на этих смесителях высоких значений полосы преобразования.

Подводя итог рассмотрения существующих гетеродинных систем ТГц и ИК-диапазонов, построим графики зависимости шумовой температуры от частоты гетеродина для устройств различного типа, воспользовавшись опубликованными данными. При этом, будем сравнивать величину измеренной шумовой температуры с её квантовым пределом на частоте данного измерения. Из рис. 1 видно, что по сравнению с квантовым пределом значения шумовых температур наиболее высоки в диапазоне от 1 до 30 ТГц. Этот факт делает актуальными исследования, направленные на создание малошумящих гетеродинных устройств частотного диапазона от 1 до 30 ТГц, и особенно — иг, ТГц

Рис. 1. Двухполосная шумовая температура Тш, отнесённая к квантовому пределу, в зависимости от типа смесителя и частоты гетеродина vr. Ниже приводятся ссылки в форме "тип: {г/г/ТГц; ссылка},." СИС: {0,31; 8,1; [10]}, {0,34; 7,4; [10]}, {0,618; 9,8; [11]},

0,65; 8,7; [3]}, {0,69; 15,1; [12]}, {1,13; 23; [13]}, {1,2; 19,1; [14]}, {1,25; 25,3; [4]}. Шоттки, Т ^ 77 К: {0,2; 208; [15]}, {0,42; 111; [16]}, {0,5; 400; [17]}, {0,59; 114; [18]}, {0,64; 177; [18]}, {0,69; 179; [18]}, {1; 296; [6]}, {1,5; 278; [6]}, {2; 250; [6]}, {2,5; 400; [19]}, {2,5; 280; [20]}, {4,750; 614; [6]}. Шоттки, 4,2 К: {0,585; 62,7; [5]}, {2,000; 104; [21]}, {2,500; 142; [6]}. HgCdTe ФД: {28,4; 5; [8]} (предельная шумовая температура для измеренной квантовой эффективности 0.2). Волноводные НЕВ: {0,430; 39,7; [22]}, {0,636; 31,6; [22]}, {0,840; 27,8; [23]}, {0,840; 21,8; [24]}. Квазиоптические НЕВ: {0,620; 33,6; [25]}, {0,700; 22; [26]}, {1,6; 18; [27]}, {4,300; 54,3; [28]}, {5,200; 70,5; [28]}. Теоретическая зависимость шумовой температуры HgCdTe ФД от vr извлечена из рис. 3 работы [9]. гетеродинных приёмников на частоты выше б ТГц, где шумовые температуры существующих устройств наиболее высоки.

Обратим внимание на ещё одно важное обстоятельство. Как видно из рис. 1, шумовая температура квазиоптических NbN НЕВ-смесителей Т^ЕВ на частотах vT выше 2 ТГц начинает быстро возрастать. Такое поведение зависимости T™B(z/r) связано с применением антенн. Верхняя частотная граница наиболее широкополосных спиральных антенн, интегрированных с чувствительным элементом в чипах NbN НЕВ-смесителей, близка к 3 ТГц [30]. Изготовление антенн, расчитанных на более высокую частоту, а следовательно — меньшего размера, является отдельной технологической проблемой, однако даже при её решении увеличение эффективности преобразования на более высоких частотах будет недостаточным. Основной трудностью является рост потерь в контактных структурах между берегами металлической планарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком с увеличением частоты гетеродина. Из-за контактного сопротивления, которое, в отличие от сопротивления резистивной чувствительной сверхпроводниковой плёнки, не изменяется на промежуточной частоте, значительная часть мощности рассеивается в контактах, не образуя ПЧ-отклика. Кроме того, при увеличении частоты и соответствующем уменьшении характерного размера антенны контактные потери могут возрастать из-за сопутствующего уменьшения размеров самих контактов.

Создание малошумящих NbN НЕВ-смесителей для частот выше 6 ТГц возможно при устранении контактных потерь. Одним из направлений решения этой задачи является разработка смесителя с прямым поглощением, т.е. без дополнительной планарной антенны. Характерный размер чувствительного элемента такого смесителя превышает длину волны, а следовательно — размер дифракционно ограниченной области, в которую фокусируется гетеродинное и сигнальное излучение. В этом случае излучение поглощается непосредственно электронами сверхпроводниковой плёнки, причём происходит это только в области гетеродинного пятна, а контактные площадки, соединяющие чувствительный элемент с копланарной линией передачи сигнала ПЧ, в отличие от случая антенных смесителей, находятся вне радиочастотной (РЧ) схемы. Активный участок сверхпроводниковой плёнки располагается в фокальной плоскости вытянутой полусферической линзы, что позволяет сфокусировать на нём излучение гетеродина и улучшает диаграмму направленности приёмника. Первыми шагами, направленным на создание малошу-мящих NbN НЕВ-смесителей для частот ИК-диапазона, являются разработка и исследование их прототипов, выполненные в рамках этой диссертации.

При оптимизации шумовой температуры, как на терагерцовых частотах, так и в ИК-диапазоне, помимо технологических проблем существует ещё одна важная проблема, состоящая в том, что истинное значение шумовой температуры НЕВ-смесителя, определяемое обычно с помощью поочередно взаимно сменяемых калиброванных чёрнотёльных нагрузок с различными температурами (обычно 77 К и 296 К) при измерении Y-фактора, может быть скрыто эффектом прямого детектирования [31], обнаружение, исследование и устранение которого является актуальным.

Актуальность работы определяется:

1. Направленностью диссертации на исследование терагерцовых и инфракрасных гетеродинных приёмников, остро необходимых для решения практических задач радиоастрономии и изучения глобальных процессов в земной атмосфере.

2. Необходимостью преодоления границы диапазона рабочих- частот NbN НЕВ-смесителей, связанной с использованием планарных металлических антенн и с возрастающим характером частотной зависимости потерь в контактах между берегами металлической планарной антенны и чувствительным сверхпроводниковым мостиком;

Целью работы является исследование NbN НЕВ-смесителей в терагер-цовом и инфракрасном диапазонах:

1. Демонстрация возможности эффективного гетеродинного преобразования сигнала с помощью NbN НЕВ-смесителя на частоте, близкой к 30 ТГц.

2. Оптимизация шумовой температуры NbN НЕВ-смесителей терагерцо-вого и ИК - диапазонов.

Объектом исследования являются смесители, изготовленные из плёнок NbN толщиной от 3.5 до 5 нм. NbN-плёнки, из которых изготавливаются смесители, осаждаются методом реактивного магнетронного распыления Nb мишени в атмосфере Аг и N2 как на подложки из кремния, так и на подложки из арсенида галия в зависимости от частотного диапазона смесителя. Между кремниевой подложкой и чувствительной плёнкой NbN может быть нанесён буферный слой MgO, улучшающий сверхпроводящие свойства чувствительного мостика и обеспечивающий акустическую прозрачность интерфейса с чувствительной плёнкой NbN за счёт сходства текстур NbN и MgO [32]. Буферный слой наносится методом электронно-лучевого испарения перед нанесением плёнки NbN. Чувствительный элемент смесителя может быть интегрирован с металлической спиральной антенной, формируемой методами электронной литографии и фотолитографии.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц NbN НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения. В- отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжён с планариой антенной. Излучение поглощается непосредственно в тонокй плёнке NbN. Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты NbN НЕВ-смесителей.

2. Измерена шумовая температура Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К.

3. Измерена оптимальная поглощённая мощность гетеродина для NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт.

4. Получена зависимость вольтваттной чувствительности NbN НЕВ, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц.

5. Исследована диаграмма направленности NbN НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм. Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7° на частоте 28,4 ТГц.

6. Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне.

7. Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из плёнок NbN толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Гетеродинное преобразование синала на частоте 28,4 ТГц может быть осуществлено смесителем на эффекте электронного разогрева, изготовленным из тонкой плёнки NbN, с прямым поглощением, т.е. без интегрированной в чип смесителя планарной антенны, сопряжённой с чувствительным мостиком.

2. Двухполосная шумовая температура Каллена-Велтона смесителя с прямым поглощением на эффекте электронного разогрева, изготовленного из плёнки NbN толщиной 5 нм, с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, установленного на германиевой вытянутой полусферической линзе диаметром 12 мм, составляет 2300 К на частоте гетеродина 28,4 ТГц.

3: Оптимальная поглощённая мощность гетеродина для смесителя на эффекте электронного разогрева, изготовленного из плёнки NbN толщиной 5 нм с размерами чувствительного элемента в плане 20 х 30 мкм2, составляет 16 мкВт на частоте гетеродина 28,4 ТГц.

4. Вольтваттная чувствительность приёмного элемента смесителя на основе плёнки NbN толщиной 5 нм с размерами в плане 20 х 30 мкм2, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, в диапазоне от 25 до 67 ТГц близка к 70 Слабая зависимость вольтваттной чувствительности от частоты связана с тем, что в приведённом диапазоне энергия кванта существенно превышает удвоенную ширину энергетической щели NbN.

5. Влияние эффекта прямого детектирования и связанное с ним искажение Y-фактора при измерении шумовой температуры в ИК-диапазоне, как и в терагерцовом, могут быть значительно уменьшены путём установки на входе приёмника полосопропускающего фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродина, уменьшающего входную полосу прямого детектирования.

Практическая значимость работы определяется острой необходимостью малошумящих широкополосных смесителей для практических приборов высокого спектрального разрешения, работающих в диапазоне частот от 1 до 30 ТГц, а также возможностью применения NbN НЕВ-смесителя, являющегося объектом исследования, для решения практических задач радиоастрономии и исследования земной атмосферы. Практическая значимость подтверждается выбором разрабатываемых НЕВ-смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX2 [33], HERSCHEL3 [34, 35], МИЛЛИМЕТРОН4 [36]), так и на исследование атмосферы Земли (SOFIA5 [37], TELIS6 [38]).

Объем работы определяется следующими параметрами: Общее количество страниц в диссертации составляет 144. Диссертация включает 4 главы, 35 рисунков, 3 таблицы. В библиографию включено 95 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Масленников, Сергей Николаевич

4.3 Выводы

Используемый в чипе смесителя буферный слой MgO толщиной 200 нм, наносимый между плёнкой NbN и кремниевой подложкой, улучшает сверхпроводящие качества плёнки, увеличивая критическую температуру и критическую плотность тока.

Нормальное сопротивление чувствительного мостика 80 Ом) отличается от сопротивления, рассчитываемого исходя из его размеров и поверхностного сопротивления плёнки NbN ^гП • 500 Ом/П ~ 30 Ом), из которой он изготовлен. Возможной причиной такого отличия является значительное контактное сопротивление на границе между чувствительным мостиком из NbN и золотой антенной.

Минимальное значение шумовой температуры смесителя на частоте 2,5 ТГц, составляет 1300 К.

Эффект прямого детектирования является существенной трудностью при калибровке практических спектральных инструментов на основе сверхпроводниковых НЕВ. Он становится заметным, когда разницей поглощённой мощности при горячей нагрузке на входе и поглощённой мощности при холодной нагрузке на входе нельзя пренебречь по сравнению с суммой поглощённой мощности гетеродина и мощности транспортного тока. Усилению эффекта прямого детектирования при калибровке может способствовать широкая входная полоса, предоставляемая, например, интегрированной в чип смесителя спиральной антенной.

Оценка вклада эффекта прямого детектирования может быть осуществлена при известных величине амплитуды тока детектирования 51 = ||/х — /т| и зависимости мощности на выходе тракта ПЧ от транспортного тока РпчСО

Применение входных фильтров, уменьшающих полосу детектирования, но характеризуемых высоким коэффициентом пропускания на частоте гетеродина, позволяет устранять эффект прямого детектирования.

Заключение

В заключение перечислим основные результаты диссертации:

1. Создан и исследован на частоте 28,4 ТГц NbN НЕВ-смеситель с прямым поглощением излучения. В отличие от НЕВ-смесителей терагерцового диапазона, в созданном устройстве чувствительный мостик не сопряжён с планарной антенной. Излучение поглощается непосредственно в тонокй плёнке NbN. Фокусировка излучения в пятно, размер которого ограничен дифракцией и не превышает характерного размера мостика (10 мкм), позволила исключить области контактов на краях мостика из высокочастотной схемы и, тем самым, устранить контактные потери, являющиеся одним из основных препятствий для увеличения рабочей частоты NbN НЕВ-смесителей.

2. Измерена шумовая температура Каллена-Велтона NbN НЕВ-смесителя на частоте гетеродина 28,4 ТГц, составившая 2300 К.

3. Измерена оптимальная поглощённая мощность гетеродина для NbN НЕВ-смесителя с прямым поглощением, составившая 16 мкВт.

4. Получена зависимость вольтваттной чувствительности NbN НЕВ, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм, от частоты в диапазоне от 25 до 67 ТГц.

5. Исследована диаграмма направленности NbN НЕВ с прямым поглощением, установленного на вытянутой полусферической германиевой линзе диаметром 12 мм. Ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ составила 0,7° на частоте 28,4 ТГц.

6. Исследован вклад эффекта прямого детектирования в величину погрешности измерения Y-фактора в ИК-диапазоне.

7. Созданы квазиоптические смесители на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из плёнок NbN толщиной 3,5 нм, шумовая температура которых близка к 1300 К на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Гольцману Г. Н. за предложенную тему, внимательное руководство, ценные советы и замечания на протяжении всей работы, руководителю технологического сектора Воронову Б.М. и сотрудникам сектора за изготовление смесителей, а также за помощь при работе с электронным микроскопом, Свечникову С.И. за помощь на начальном этапе работы, а также Луд-кову Д.В. Вахтомину Ю.Б., Фиикелю М.И. и Антипову С.В. за плодотворное обсуждение и помощь в эксперименте.

Автор признателен всему коллективу сотрудников и аспирантов Учебно-научного радиофизического центра МПГУ.

Список публикаций автора

Публикации в журналах из списка ВАК РФ

1. Масленников С., Финкелъ М., Гольцман Г. Супергетеродинные тера-герцовые приёмники со сверхпроводниковым смесителем на электронном разогреве // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. — 2005. - Т. 48, № 10-11. - С. 964-969. - 0,4 п.л. (авторских 30%)

2. Maslennikov S., Baselmans J.; Baryshev A., Reker S., Hajenius M., Gao J., Klapwijk Т., Vachtomin Y., Antipov S., Voronov В., Gol'tsman G. Direct detection effect in small volume hot electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 86. - Pp. 163503-163505: - 0,2 п.л. (авторских 10%)

Другие публикации

3. Maslennikov S., FinkelM., Antipov S., PolyakovS., Zhang W., OzhegovR., Vachtomin Y., Svechnikov S., Smirnov K., Korotetskaya Y., Kaurova N., Voronov ВGol'tsman G. Spiral antenna coupled and directly coupled NbN HEB mixers in the frequency range from 1 to 70 THz // Proc. 17th international symposium on space terahertz technology.— Paris, France: 2006. - Pp. 285-287. - 0,2 п.л. (авторских 40%)

4. Maslennikov S., Finkel M., Vachtomin Y., Svechnikov S., Smirnov K., Seleznev V., Korotetskaya Y., Kaurova N., Voronov В., Gol'tsman G. Hot electron bolometer mixer' for 20 - 40 THz frequency range // Proc. 16th international symposium on space terahertz technology. — Goteborg, Sweden: 2005. - Pp. 393-397. - 0,2 п.л. (авторских 30%)

5. Maslennikov SGol'tsman G., Vachtomin Y., Antipov S., Finkel M., Smirnov K., Polyakov S., Svechnikov S. NbN phonon-cooled hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // Proc. SPIE. — Vol. 5727.- 2005.- Pp. 95-106.- 0,5 п.л. (авторских 20%)

6. Maslennikov S. Smirnov K.r Vachtomin Y., Antipov S., Kaurova N., Drakinsky V., Voronov ВGol'tsman G. Noise performance of spiral antenna coupled HEB mixers at 0.7 THz and 2.5 THz // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology.— Tucson, USA: 2003. - Pp. 405-412. - 0,5 п.л. (авторских 20%)

7. Maslennikov S., Vachtomin Y., Antipov S., Smirnov K., Polyakov S., Kaurova N., Grishina E., Voronov В., Gol'tsman G. Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz // Proc. lbth international symposium on space terahertz technology. - Northampton, Massachusetts, USA: 2004.- Pp. 236-241. -0,4 п.л.(авторских 20%)

8. Maslennikov SVachtomin Y., Antipov S., Kaurova N., Smirnov K., Polyakov S., Svechnikov S., Grishina E., Voronov В., Gol'tsman G. Noise temperature, gain bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies // Proc. Joint 29-th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves and 12-th Int. Conf. On Terahertz Electronics. - Karlsruhe, Germany: 2004,- Pp. 329-330.- 0,125 п.л. (авторских 20%)

9. Maslennikov S. Antipov S., Vachtomin Y., Smirnov K., Kaurova N., Grishina E. Noise performance of quasioptical ultrathin NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz // Proc. Fifth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves (MSMW-04).- Kharkov, Ukraine: 2004.- Pp. 592594. - 0,2 п.л. (авторских 20%)

10. Масленников С., Вахтомин Ю., Антипов. С, Смирнов К., Каурова Н., Гришина Е., Воронов В., Голъцман Г. Смесители на основе электронного разогрева в тонких пленках NbN для частот 2.5 и 3.8 ТГц // Десятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10). - Москва: 2004. - С. 968-969. - 0,125 п.л. (авторских 20%)

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Масленников, Сергей Николаевич, 2007 год

1. The middle-infrared spectrum of Saturn - Evidence for phosphine and upper limits to other trace atmospheric constituents / H. P. Larson, U. Fink, H. A. Smith, D. S. Davis //'Astrophysical Journal - 1980.- Vol. 240. — Pp. 327-337.

2. Millimeter and submillimeter wave range hot electron mixer / E. Gershenzon, G. Gol'tsman, I. Gogidze, Y. Gusev, A. Elantiev, B. Karasik, A. Semenov // Sov. Superconductivity. 1990.- Vol. 3, no. 10. - P. 2143 (part 1).

3. Fixed-tuned waveguide 0.6 THz SIS mixer with Wide band IF / A. Baryshev, E. Lauria, R. Hesper, T. Zijlstra, W. Wild // Proc. 13th international symposium on space terahertz technology / Harward University. Cambridge, MA, USA: 2002.

4. Low noise NbTiN 1.25 THz SIS mixer for Herschel Space Observatory / A. Karpov, D. Miller, J. A. Stern, B. Bumble, H. G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. 16th international symposium on space terahertz technology.— Goteborg, Sweden: 2005.

5. Submm wavelenght waveguide mixers using planar Schottky barier diods / J. Hesler, W. Hall, T. Crowe, R. Weikle, R. Bradley, Shing-Kuo Pan // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. — 1996.— P. 462.

6. Betz A., Borejko R. A practical Schottky mixer for 5 THz // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. — 1996. — P. 503.

7. Heterodyne spectroscopy of astronomical and laboratory sources at 8.5 fim using diode laser local oscillators / M. Mumma, T. Kostiuk, S. Cohen, D. Buhl, P. V. Thuna // Space Science Reviews. — 1975. — Vol. 17, no. 5.— Pp. 661-667.

8. Kostiuk Т., Spears D. 30 fim heterodyne receiver // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1987.- Vol. 8, no. 10. - Pp. 1269-1279.

9. Claude S. Sideband-Separating SIS Mixer For ALMA Band 7, 275370 GHz // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology. Tucson, USA: 2003. - P. 41.

10. Investigation of the performance of a 700 GHz nline mixer / P. Grimes, P. Kittara, G. Yassin, S. Withington, K. Jacobs // Proc. 14th international symposium on space terahertz technology. — Tucson, USA: 2003. —.P. 247.

11. Hesler J. L., Hui K., Crowe T. W. A Fixed-tuned 400 GHz Subharmonic Mixer Using Planar Schottky Diods // Proc. 10th international symposium on space terahertz technology. Charlotte Sville, Virginia: 1999. — P. 95.

12. Progress in submillimeter wavelength integrated mixer technology / S. M. Marazita, K. Hui, J. L. Hesler, W. L. Bishop, T. W. Crowe // Proc. 10th international symposium on space terahertz technology. — Charlotte Sville, Virginia: 1999. P. 74.

13. Quasi-integrated planar Schottky barrier diodes for 2.5 THz receivers / T. Suzuki, C. Mann, T. Yasui, H. Fujishima, K. Mizuno // Proc. 9th international symposium on space terahertz technology. — 1998. — P. 187.

14. On the design and measurement of a 2.5 THz waveguide mixer / C. Mann, D. Matheson, B. Ellison, M. Oldfield, B. Moyna, J. Spencer, D. Wilsher, B. Maddison // Proc. 9th international symposium on space terahertz technology.- 1998.-P. 161.

15. Carlstrom J. E., Zmuidzinas J. Millimeter and Submillimeter Techniques. — W. ross stone edition.— Review of radio science 1993-1996. New York: Oxford University Press Inc, 1996.

16. Phonon-cooled NbN HEB Mixers for Submillimeter Wavelengths / J. Kawamura, R. Blundell, C-Y.E. Tong, G. Gol'tsman, E. Gershenzon,

17. B. Voronov, S. Cherednichenko // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 23.

18. Successful operation of a 1 THz NbN hot-electron bolometer receiver /

19. C.-Y. Edward Tong, J. Kawamura, T. R. Hunter, D. C. Papa, R. Blundell, M. Smith, F. Patt, G. Gol'tsman, E. Gershenzon // Proc. 11th international symposium on space terahertz technology. — 2000. — Pp. 49-59.

20. An investigation of the performance of the superconducting HEB mixer as a function of its RF embedding impedance / D. Loudkov, C.-Y. Tong, R. Blundell, N. Kaurova, E. Grishina, B. Voronov, G. Gol'tsman. — To be published in ASC 2004 proc.

21. Hot Electron Bolometric mixers based on NbN films deposited on MgO substrates / P. Yagoubov, M. Kroug, H. Merkel, E. Kollberg, J. Shubert, H. Hiibers, S. Svechnikov, B. Voronov et al. // Supercond. Sci. Technol — 1999.-Vol. 12.

22. NbN hot electron bolometric mixers at frequencies between 0.7 and 3.1 THz / P. Yagoubov, M. Kroug, H. Merkel, E. Kollberg, J. Schubert, H.

23. W. Htibers // Supercond. Sci. Technol, 1999. - Vol. 12, no. 11. - Pp. 989991.

24. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии / Е. Гершензон, М. Гершензон, Г. Гольцман, А. Семенов, А. Сергеев // ЖЭТФ.- 1982.- Т. 36, № 7.-С. 241-244.

25. The development of terahertz superconducting hot-electron bolometric mixers / A. Semenov, H. Richter, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, Heinz-Wilhelm Hiibers // Supercond. Sci. Technol — Vol. 17.— Pp. 436439.

26. Direct detection effect in small volume hot electron bolometer mixers / J. Baselmans, A. Baryshev, S. Reker, M. Hajenius, J. Gao, T. Klapwijk, Y. Vahtomin, S. Maslennikov et al. // Appl. Phys. Lett. 2005. - Vol. 86. -P. 163503.

27. Atacama Pathfinder Experiment APEX.— Internet page.— 2006.http://www.apex-telescope.org/.

28. Harwit M. The Herschel mission // Advances in Space Research. — 2004. — Vol. 34, no. 3. Pp. 568-572.

29. Pilbratt G. L. Herschel mission: status and observing opportunities. — Electronic article, PDF. — 2006. http://herschel.esac.esa;int/Publ/2006/SPIE2006Herschelpaper.pdf.

30. Проект Миллиметрон. — Страница в Интернет. — 2007. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/.

31. SOFIA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy.— Internet page. — 2007. http://www.sofia.usra.edu/.

32. SRON-TELIS. — Internet page.- 2007. http://www.sron.nl/index.php?option=comcontentt&task=view&:id=99&;Itemid=238.

33. GaAs Schottky diodes for THz mixing applications / T. Crowe, R. Mattauch, H. Roser, W. Bishop, W. Peatman, X. Liu // Proc. IEEE.- Vol. 80.-1992.-Pp. 1827-1841.

34. The design, construction and evaluation of a 585 GHz planar Schottky mixer / J. Hesler, T. Crowe, R. Bradley, S.-K. Pan, G. Chattopadhyay // Proc. 6th international symposium on space terahertz technology. — Pasadena, Ca: 1995. Pp. 34-43.

35. Optimization of MOVPE grown InzAli^As/Ino.ssGao^As planar heteroepitaxial Schottky diodes for. terahertz applications / K. Hong, P. Marsh, G.-I. Ng, D. Pavlidis, C.-H. Hong // IEEE Trans, on Electron Devices. 1994. - Vol. 41, no. 9. - Pp. 1489-1497.

36. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions / P. Richards, T. Shen, R. Harris, F. Lloyd // Appl. Phys. Lett. 1979. - Vol. 34, no. 5. -Pp. 345-347.

37. Erickson N. Low-noise submillimeter receivers using single-diode harmonic mixers // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1721 - 1728.

38. Tucker J. Quantum limited detection in tunnel junction mixers // IEEE Journal of Quantum Electronics.— 1979.— Vol. 15, no. 11,— Pp. 12341258.

39. Kerr A. Some fundamental and practical limits on broadband matching tocapacitive devices, and the implications for SIS mixer design // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. — 1995.— Vol. 43, no. 1.— Pp. 2-13.

40. Sub-Millimeter distributed quasiparticle receiver employing a non-Linear transmission line / C.-Y. E. Tong, R. Blundell, B. Bumble, J. Stern, H. LeDuc // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology. 1996. - P. 47.

41. A three photon noise SIS heterodyne receiver at submillimeterwavelength / A. Karpov, J. Blondel, M. Voss, K.-H. Gundlach // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity. 1999. - Vol. 9, no. 2. - Pp. 4456-4459.

42. A 530-GHz balanced mixer / G. Chattopadhyay, F. Rice, D. Miller, H. LeDuc, J. Zmuidzinas // IEEE Microwave and Guided Wave Lett. — 1999. —Vol. 9, no. 11.-Pp. 467-469.

43. Superconducting resonator circuits at frequencies above the gap frequency / G. de Lange, J. Kuipers, T. Klapwijk, R. Panhuyzen, H. van de Stadt, M. de Graauw // J. Appl. Phys. 1995. - Vol. 77, no. 4. - Pp. 1795-1804.

44. Wengler M. Submillimeter-wave detection with superconducting tunnel diodes // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1810-1826.

45. Development of a 170-210 GHz 3x3 micromachined SIS imaging array / G. de Lange, Q. Ни, H. Huang, A. Lichtenberger // Proc. Sth international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 518.

46. Belitsky V., Tarasov M. SIS junction reactance complete compensation // IEEE Trans, on Magnetics. 1991. - Vol. 27, no. 2. - Pp. 2638-2641.

47. Belitsky V., Kollberg E. Tuning circuit for NbN SIS mixer // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology.— Charlottesville, Virginia, USA: 1996.-P. 234'.

48. Tong C.-Y., Chen L., Blundell R. Theory of distributed mixing and amplification in a superconductingquasi-particle nonlinear transmission line // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech. 1997. - Vol. 45, no. 7. - Pp. 1086-1092.

49. Feldman M., Rudner S. Mixing with SIS Arrays // Reviews of Infrared and Millimeter-Waves. 1983. - Vol. 1. - P. 47.

50. Superconducting integrated receiver as 400-600 GHz tester for coolable devices / S. Shitov, M. Levitchev, A. Veretennikov, V. Koshelets,

51. G. Prokopenko, L. Filippenko, A. Ermakov, A. Shtanyuk et al. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.— 2001.— Vol. 11, no. 1.— Pp. 832-835.

52. Maas S. SIS mixers // Artech House. Boston, MA: 1993.- Pp. 338-340.59. de Stadt et al H. An improved 1 THz waveguide mixer // Proc. 7th international symposium on space terahertz technology.— Charlottesville, Virginia, USA: 1996.-P. 536.

53. Low-noise 1 THz superconductor-insulator-superconductor mixer incorporating a NbTiN/Si02/Al tuning circuit / B. Jackson, A. Baryshev, G. de Lange, J.-R. G. S. Shitov, N. Iosad, T. Klapwijk // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 79, no. 3. - P. 436.

54. Gundlach K., Schicke M. SIS and bolometer mixers for terahertz frequencies // Supercond. Sci. Technol. — 2000. — Vol. 13. — Pp. 181-187.

55. Millimeter mixing and detection in bulk InSb / F. Arams, C. Allen, B. Peyton, E. Sard // Proc. IEEE. Vol. 54. - 1966. - Pp. 612-622.

56. Phillips Т., Keene J. Submillimeter astronomy heterodyne spectroscopy] // Proc. IEEE. Vol. 80. - 1992. - Pp. 1662-1678.

57. Гершензон E. Воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку ниобия в резистивном состоянии // Тезисы докладов

58. Всесоюзной конференции по физике низких температур.— 1982.— С. 79-80.

59. Electron-phonon interaction in ultrathin Nb films / E. Gershenzon, M. Gershenzon, G. Goltsman, A. Lulkin, A. Semenov, A. Sergeev // Sov. Phys. JETP. 1990. - Vol. 70. - Pp. 505-510.

60. Broadband ultrafast superconducting NbN detector for electromagnetic radiation / Y. Gousev, G. Gol'tsman, A. Semenov, E. Gershenzon, R. Nebosis, M. Heusinger, K. Renk // J. Appl. Phys.- 1994.- Vol. 75, no. 7.-Pp. 3695-3697.

61. Rothwarf A., Taylor B. iV.' Measurement of recombination lifetimes in superconductors // Phys. Rev. Lett. 1967. - Vol. 19, no. 1.- Pp. 27-30.

62. Perrin N., Vanneste C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation /'/ Phys. Rev. B. 1983. - Vol. 28, no. 9. - Pp. 51505159.

63. Large Bandwidth of NbN Phonon-Cooled Hot-Electron Bolometer Mixers on Sapphire Substrates / S. Cherednichenko, P. Yagoubov, К. II'In, G. Gol'Tsman, E. Gershenzon // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — P. 245.

64. Prober D. Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 62, no. 17.- Pp. 21192121.

65. Bremer J., Newhouse V. // Phys. Rev. Lett. 1958. - Vol. 1. - P. 282.

66. Mather J. Electrical self-heating calibration of nonideal bolometers // Appl. Optics. 1984. - Vol. 23, no. 18. - Pp. 3181-3183.

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

68. Karasik В., Elantiev A. Analysis of the Noise Performance of a Hot-Electron Superconducting Bolometer Mixer // Proc. 6th international symposium on space terahertz technology. — Pasadena, Ca: 1995. — P. 229.

69. Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron-mixers / H. Ekstrom, B. S. Karasik, E. L. Kollberg, S. Yngvesson // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 1995.— Vol. 43, no. 4.-Pp. 938-947.

70. G. Gol'tsman, B. Karasik, O.- Okunev, A. Dzardanov, E. Gershenzon, H. Ekstrom, S. Jacobsson, E. Kollberg // IEEE Trans. Appl. Supercond.— 1995.-Vol. 5.-P. 3065.

71. Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion / J. Kawamura, T. Hunter, C.-Y. Tong, R. Blundell, D. Papa, F. Patt, W. Peters, T. Wilson et al. // Astronomy and Astrophysics. 2002. - Vol. 394. - Pp. 271-274.

72. Kroug M. Hot electron bolometric mixers for a quasi-optical terahertz receiver: Ph.d. thesis-.— Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2001.

73. С alien H. В., Welton T. A. Irreversibility and Generalized Noise // Phys. Rev. 1951. - Vol. 83, no. 1. - Pp. 34-40.

74. Kerr A., Feldman M., S.-K. Pan. Receiver noise temperature, the quantum noise limit, and zero-point fluctuations // Proc. 8th international symposium on space terahertz technology. — 1997. — Pp. 101-111.

75. Ворн M., Вольф Э. Основы оптики.

76. Evidence of non-bolometric mixing in the bandwidth of a hot-electron bolometer / A. D. Semenov, K. Il'in, M. Siegel, A. Smirnov, S. Pavlov, H. Richter, H. Hiibers // Supercond. Sci. Technol. 2006.- Vol. 19.-Pp. 1051-1056.