Сверхпроводниковые гетеродинные детекторы терагерцового диапазона на основе тонких пленок нитрида ниобия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Антипов, Сергей Владимирович

• Антипов, Сергей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Антипов, Сергей Владимирович

Введение.

Глава I. Смесители терагерцового диапазона частот (обзор литературы).

§1.1 Полупроводниковые неохлаждаемые смесители на основе диодов с барьером Шотгки.

§1.2 Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводникизолятор-сверхпроводник.

§1.3 Физические основы работы сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах.

§1.4 Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения.

§1.5 Постановка задачи, определение цели и предмета исследования.

Глава II. Изготовление квазиоптических ЫЬЫ смесителей на горячих электронах и методика эксперимента.

§2.1 Электронно - разогревные ЫЬЫ смесители: топология, структура и технология изготовления.

§2.2 Квазиоптическая схема согласования ЫЬЫ смесителя с входным трактом.

§2.3 Экспериментальный стенд и методика измерения полосы ПЧ ЫЬЫ смесителей на частоте 0,9 ТГц.

§2.4 Экспериментальный стенд и методика измерения шумовой температуры ЫЬЫ смесителей на частотах 3,8, 2,5 и

0,9 ТГц.

§2.5 Экспериментальный стенд и методика исследования поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.

Глава III. Квазиоптические ЫЬЫ смесители на горячих электронах на подложках из с буферным слоем М£0.

§3.1 Полоса преобразования ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения.

§3.2 Шумовая температура ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения на частотах 3,8 и 2,5 и 0,9 ТГц.

§3.3 Выводы.

Глава IV. Поляризационный отклик спиральной антенны и определение шумовой температуры ЫЬЫ смесителей с учетом эффекта прямого детектирования на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

§4.1 Поляризационная чувствительность планарной спиральной антенны на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

§4.2 Влияния эффекта прямого детектирования при определении шумовой температуры смесителей на частоте 2,5 ТГц.

§4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводниковые гетеродинные детекторы терагерцового диапазона на основе тонких пленок нитрида ниобия»

В связи с расширением области использования терагерцового (или субмиллиметрового) электромагнитного излучения потребность в чувствительных широкополосных приемных устройствах этого диапазона на сегодня полностью не удовлетворена. Указанный участок спектра имеет ряд преимуществ, прежде всего для радиоастрономии и мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников, аэростатов и специальных самолетов [1-7], а также систем космической связи, диагностики плазмы и биологических тканей.

Для повышения чувствительности в этом диапазоне часто используется гетеродинная схема приемника излучения, в которой смеситель осуществляет преобразование частоты «вниз». Наиболее эффективными гетеродинными детекторами для радиоастрономии при изучении спектров межзвездного излучения в диапазоне частот 0,1 - 1,25 ТГц на сегодня признаны смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС - смеситель) [8-15]. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, а также требует малой мощности гетеродина. При дальнейшем повышении частоты (выше двойной щелевой частоты используемых сверхпроводников) чувствительность СИС -смесителей подает из-за увеличения внутренних потерь.

Другим распространенным полупроводниковым преобразователем частоты в гетеродинном приемнике, который может работать в диапазоне частот 0,3 - 5 ТГц, является диод с барьером Шоттки (ДБШ - смеситель) [1625]. ДБШ - смесители не требуют глубокого охлаждении и могут работать в диапазоне температур от комнатных до гелиевых, что является основным их преимуществом при освоении терагерцового диапазона. К существенным недостаткам ДБШ - смесителей следует отнести низкую чувствительность и большую требуемую мощность гетеродина (порядка милливатта).

Указанные недостатки рассмотренных смесителей, применяемых в терагерцовом диапазоне, скорее всего, частично будут устраняться по мере их дальнейшего совершенствования, однако принципиальное улучшение характеристик смесительных устройств этого участка спектра возможно лишь путем использования новых физических механизмов преобразования частоты. Наиболее перспективным представляется использование эффекта разогрева электронов в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников под действием терагерцового излучения и возникающей при этом инерционной нелинейности для преобразования частоты [26-28].

Смесители на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии тонких сверхпроводящих пленок [29,30] - hot-electron bolometer (НЕВ) -обладают хорошей чувствительностью наряду с достаточно широкой полосой частот преобразования, а также требуют малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Они являются весьма перспективными приемными элементами на частотах выше 1,25 ТГц, так как не имеют частотных ограничений по механизму смешения [31] и не содержат реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн.

Суть эффекта сводится к следующему. С уменьшением толщины сверхпроводящих пленок (d<10 нм для NbN) возрастает роль электрон -электронных столкновений в процессах энергообмена. Если пленки содержат большое количество статических дефектов, электроны рассеиваются не только на границах, но и на этих дефектах, в результате чего роль электрон -электронных столкновений становится определяющей в формировании функции распределения. При воздействии излучения на такие пленки, поглощенная энергия распределяется по электронной подсистеме, повышая ее температуру 0, что проявляется в росте сопротивления пленки. Эффект не зависит от частоты излучения - экспериментально доказана неселективность разогрева в диапазоне частот Ю10 - 1015Гц [28,31]. Возбужденная электронная подсистема за счет электрон-фононного взаимодействия, характеризуемого временем электрон-фононного взаимодействия те.рь, остывает за время релаксации электронной температуры тв, передавая энергию фононной подсистеме пленки. На последнем этапе происходит остывание фононной подсистемы пленки за счет выхода неравновесных фононов в подложку. Описанный канал охлаждения электронной подсистемы называется фононным и реализуется в случае неупорядоченных плёнок с малой длиной свободного пробега при условии те.е « те.рь. Полоса смесителей с фононным каналом охлаждения определяется в этом случае временем выхода неравновесных фононов в подложку resc и временем релаксации те.рь.

Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в [32] и далее развит в целом ряде работ [33-35]. Здесь в качестве "холодного" резервуара выступает не фононная подсистема, а массивные контакты прибора. В этом случае скорость остывания ограничивается диффузией горячих электронов в контакты, а прибор носит название болометра на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.

Определяющую роль в реализации многих приложений в терагерцовом спектральном диапазоне играет возможность совмещения большого динамического диапазона и широкой полосы промежуточных частот, используемых гетеродинных приемников излучения. Привлекательность НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения в этом плане несомненна. Путем изменения объема чувствительного элемента смесителя, не ухудшая его эффективности преобразования, можно не только оптимизировать динамический диапазон приемника, но и регулировать величину требуемой оптимальной мощности гетеродина. Существующие твердотельные гетеродинные источники терагерцового излучения, применяемые в практических системах, не всегда имеют достаточный запас выходной мощности на частотах выше 1,5 ТГц.

Увеличение полосы ПЧ для НЕВ - смесителей с фононным каналом охлаждения может быть достигнуто за счет применения как ультратонких пленок толщиной в единицы нанометров, так и промежуточных диэлектрических подслоев между сверхпроводящей пленки и подложкой для улучшения их акустического согласования.

С радиотехнической точки зрения НЕВ - смеситель с фононным каналом охлаждения осуществляет нелинейное инерционное преобразование частоты [26-28,36]. При этом, поскольку энергетическая щель в сверхпроводящей пленке в резистивном состоянии сильно подавлена и число квазичастиц велико, поглощение терагерцового излучения осуществляется почти так же, как если бы пленка находилась в нормальном состоянии и слабо зависит от выбора рабочей точки по постоянному току. Это позволяет достаточно просто согласовывать его с различными типами приемных антенн, поскольку импеданс пленки на высокой частоте является чисто активным и может быть оптимизирован путем изменения размеров чувствительного элемента в плане.

Согласование НЕВ - смесителя с принимаемым электромагнитным излучением достигается путем использования волноводной или квазиоптической схем. В первом случае чип из тонкого кристаллического кварца со смесителем и ВЧ фильтрами монтируется в короткозамкнутой волноводной секции со скалярной рупорной антенной [37]. Во втором случае чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической или в фокусе гиперполусферической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [38]. Среди планарных антенн популярность снискали три типа: двухщелевая, спиральная, и логопериодическая. Последние два типа относятся к так называемым частотно - независимым антеннам, их ожидаемая полоса рабочих частот может составлять несколько октав. Двухщелевая антенна является резонансной структурой с рабочей полосой порядка 30 % от центральной частоты. Несмотря на широкое использование этих планарных антенн на диэлектрических подложках в квазиоптических схемах согласования с терагерцовым излучением, их характеристики, такие как входная полоса, диаграмма направленности, эффективность, поляризационная чувствительность, изучены наиболее полно лишь на частотах до 0,6 ТГц. Исследование характеристик планарных антенн на более высоких частотах, конструируемых путем масштабирования низкочастотного варианта антенны, остается пока неудовлетворительным, что является определенным препятствием их эффективного использования. Несмотря на это, все же происходит накопление экспериментального материала, который помогает определиться с выбором планарной антенны того или иного типа при создании гетеродинного приемника для практических применений. На частотах выше 1,5 ТГц чаще всего исследуются такие параметры антенны как входная полоса и диаграмма направленности [39, 40]. Исследование поляризационной чувствительности планарной логопериодической антенны на частотах 1,56 и 2,24 ТГц проводилось, пожалуй, лишь в единственной работе [41].

Наиболее активно используемым сверхпроводниковым материалом для создания НЕВ - смесителей терагерцового диапазона является высококачественные пленки нитрида ниобия, возможность использования которых была продемонстрирована в работах [29].

Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей, изготовленных на основе пленки ЫЬЫ толщиной 2.5-3.5 нм, осажденной на сапфировую подложку, достигает 4 ГГц [42], что не всегда достаточно для проведения радиоастрономических наблюдений, где в тракте ПЧ обычно используют малошумящие усилители с рабочей полосой 4-8 ГГц.

Таким образом, вопрос расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения является весьма актуальным для практической радиоастрономии, что связано как с доплеровским уширением спектральных линий при наблюдении быстро перемещающихся источников терагерцового излучения, так и с ограниченностью перестройки частоты терагерцовых гетеродинных источников излучения.

К началу диссертационного исследования чувствительность квазиоптических ЫЬЫ смесителей с фононным каналом охлаждения, характеризуемая двухполосной шумовой температурой, на частотах 0,75, 1,4, 2,5, 3,1 и 4,2 ТГц составляла 600 К, 2200 К, 2900 К, 4000 К и 5600 К [43] и полоса ПЧ такого смесителя не превышала 3-4 ГГц [42]. Позднее в работе [44] для смесителей была получена шумовая температура 1500 К на частоте гетеродина 2,5 ГГц.

Из данного короткого обзора можно сделать вывод о том, что параметры существующих приемников, такие как чувствительность, требуемая мощность гетеродина и полоса промежуточных частот, в терагерцовом диапазоне не достаточны для решения некоторых важных практических задач. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью создания и детального исследования чувствительных когерентных приемников терагерцового диапазона.

Целью данной диссертационной работы является исследование квазиоптических смесителей из ультратонких сверхпроводящих пленок ЫЬН на эффекте электронного разогрева, работающих в диапазоне частот 2 -4 ТГц, которые наряду с высокой чувствительностью имели бы широкую полосу промежуточных частот, требовали малой мощности гетеродина и могли быть применены в практическом гетеродинном приемнике.

Объектом исследования являлись квазиоптические смесители, изготовленные из пленок ЫЬЫ толщиной 2-4 нм, осажденных на подложки из

М§0 и 81, как с буферным подслоем М§0, так и без него.

Измерение полосы ПЧ смесителей проводилось на частоте 0,9 ТГц как по стандартной методике с двумя монохроматическими источниками, так и по реже используемой методике с применением излучения абсолютно черного тела, находящегося внутри криостата. Исследование шумовых характеристик квазиоптических смесителей проводилось на частотах 3,8, 2,5 и 0,9 ТГц. Исследование поляризационной чувствительности планарной спиральной антенны проводилось на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Исследованы квазиоптические смесители субмиллиметрового диапазона длин волн на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок ИЬИ толщиной 2-4 нм с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм.

2. Показана возможность расширения полосы преобразования квазиоптических смесителей, изготовленных из сверхпроводящей пленки толщиной 2 нм, до 5,2 ГГц. Получение пленки ЫЬЫ такой толщины с критической температурой 9,2 К стало возможным, благодаря применению подслоя М§0 между пленкой и подложкой из 81.

3. Впервые проведены измерения шумовой температуры МэИ смесителя на установке, где в качестве гетеродинного источника был использован газоразрядный лазер на парах воды на частотах 3,8 и 2,5 ТГц.

4. Впервые исследована поляризационная чувствительность планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны на подложке из Б! на частоте 3,8 и 2,5 ТГц.

5. Впервые определена величина погрешности измерения чувствительности МэИ смесителя за счет эффекта прямого детектирования.

Предложен способ минимизации данного эффекта путем использования охлаждаемого фильтра на основе металлической сетки.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Квазиоптические смесители на кремниевой подложке с подслоем MgO на основе пленки NbN толщиной 3-4 нм имеют двухполосную шумовую температуру 3100 К на частоте излучения гетеродина 3,8 ТГц.

2. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей на основе NbN пленки толщиной 2 нм, осажденной на подложку из Si с применением подслоя MgO, в оптимальном по шумовым характеристикам режиме составляет 5,2 ГГц и возрастает с увеличением напряжения смещения.

3. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

4. Величина погрешности определения шумовой температуры NbN смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимумом пропускания на частоте гетеродинного источника.

Практическая значимость работы подтверждена использованием разрабатываемых HEB смесителей в ряде международных проектов, ориентированных как на радиоастрономические наблюдения (APEX, ALMA, HERSHEL), так на исследование атмосферы Земли (SOFIA, TELIS).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 131 страницу, включая 28 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 108 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Антипов, Сергей Владимирович

§4.3 Выводы

В данной главе проведено исследование поляризационной чувствительности планарных спиральных антенн на кремниевой подложке на рабочих частотах 3,8 и 2,5 ТГц и рассмотрено влияние эффекта прямого детектирования на систематическую ошибку определения шумовой температуры приемника в лабораторных условиях на частоте 2,5 ТГц.

Впервые на частотах 3,8 и 2,5 ТГц экспериментально изучен поляризационный отклик планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны, используемой в квазиоптической схеме согласования терагерцового излучения с чувствительным элементом смесителя. Показано, что поляризация в главном направлении антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

На частоте гетеродина 2,5 ТГц величина погрешности определения шумовой температуры МЬИ смесителей под влиянием эффекта прямого детектирования определяется объемом смесительного элемента и входной полосой приемника, и может быть значительно уменьшена путем применения охлаждаемого узкополосного фильтра с максимум пропускания на частоте гетеродина.

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты работы.

1. Разработаны и созданы смесители терагерцового диапазона 0,9 — 4 ТГц на эффекте электронного разогрева с фононным каналом охлаждения из сверхпроводящих пленок толщиной 2-4 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм.

2. Создана экспериментальная установка для измерения полосы промежуточных частот ЫЬЫ смесителей на частоте 0,9 ТГц, использующая биение колебаний с близкими частотами двух источников непрерывного монохроматического излучения - ламп обратной волны ОВ-44.

3. Значение полосы ПЧ квазиоптических смесителей с фононным каналом охлаждения на основе пленок толщиной 2 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0, составляет 5,2 ГГц при напряжении смещения, которое соответствует оптимальному по шумовым характеристикам режиму работы смесителя.

4. При определении величины полосы ПЧ ЫЬЫ смесителей использовалась оригинальная методика сравнения экспериментальных частотных зависимостей ПЧ сигнала в двух различных рабочих точках на вольт - амперной характеристике, соответствующей оптимальному режиму работы смесителя. Данная методика позволила уменьшить погрешность определения значения полосы ПЧ смесителей в оптимальной рабочей точке.

5. Создана экспериментальная установка для измерения двухполосной шумовой температуры квазиоптических смесителей с использованием в качестве гетеродина на частотах 3,8 и 2,5 ТГц газоразрядного лазера на парах воды в режиме непрерывной генерации, а на частоте 0,9 ТГц - лампы обратной волны ОВ-44.

6. Исследование квазиоптических смесителей из сверхпроводящих пленок ЫЬЫ толщиной 3-4 нм, осажденных на кремниевую подложку с использованием подслоя М§0 толщиной 200 нм, показало, что эти смесители демонстрируют рекордные значения двухполосной шумовой температуры

3100 К и 1300 К на частотах 3,8 и 2,5 ТГц, соответственно, на промежуточной частоте 1,5 ГГц.

7. Создана экспериментальная установка для измерения поляризационной чувствительности на частотах 3,8 и 2,5 ТГц планарных спиральных антенн, используемых в квазиоптической схеме согласования терагерцового излучения с чувствительным элементом смесителя.

8. На частотах 3,8 и 2,5 ТГц поляризация планарной эквиугольной самокомплементарной спиральной антенны является эллиптической с коэффициентом эллиптичности 0,75 и 0,25, соответственно, а угол между главными осями поляризационных эллипсов на указанных частотах составляет 53°.

9. Исследована погрешность определения двухполосной шумовой температуры квазиоптических смесителей на частоте гетеродина 2,5 ТГц под влиянием эффекта прямого детектирования, которая определяется объемом смесительного элемента и входной полосой антенны. Предложен оригинальный и простой способ минимизации влияния эффекта за счет использования охлаждаемого узкополосного фильтра -металлической сетки с периодом 100 мкм и плотностью заполнения 12 % - с максимум пропускания на частоте гетеродина.

В заключение 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, Свечникову С.И. за помощь на начальном этапе работы и постоянное участие на всем ее протяжении, а также Вахтомину Ю.Б., Финкелю М.И. и Масленникову С.Н. за плодотворное общение и помощь в эксперименте.

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

Список публикаций автора:

1. S.I. Svechnikov, S. V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, G.N. Gol'tsman, S.I. Cherednichenko, E.M. Gershenzon, M. Kroug, E. Kollberg Conversion and noise bandwidths of terahertz NbN hot-electron bolometer mixers //Physics of Vibrations, vol. 9, 2001, № 3, pp.205-210.

2. S. V. Antipov, S.I Svechnikov, К. V. Smirnov, Yu.B. Vachtomin, M.I Finkel

G.N. Gol'tsman, E.M. Gershenzon Noise temperature of quasioptical NbN Hot Electron Bolometer mixer at 900 GHz //Physics of Vibrations, vol. 9, 2001, №4, pp.125-138.

3. Ю.Б. Вахтомин, М.И. Финкелъ, С.В. Аптипов, КВ. Смирнов,

H.С. Каурова, В.Н. Дракинский, Б.М.Воронов, Г.Н. Голъцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в ультратонких пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //Радиотехника и электроника, т.48, 2003, №6, с. 1-5.

4. A.D. Semenov, H.-W. Hiibers, Н. Richter, М. Birk, М. Krocka, U. Mair, Yu.B. Vachtomin M.I. Finkel, S. V. Antipov, B.M. Voronov, К. V Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol'tsman Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers //IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2003, vol.13, No.2, pp.168-171.

5. J. J.A. Baselmans, A. Baryshev, S.F. Rekel, M. Hajenius, J.R. Gao, T.M. Klapwijk, Y. Vachtomin, S. Maslennikov, S. Antipov, B. Voronov, G. Gol'tsman Direct Detection Effect in Small Volume Hot Electron Bolometer Mixers //submitted to Applied Physics Letters.

6. L. Jiang, J. Li, W. Zhang, Q.J. Yao, Z.L. Lin, S.C. Shi, S.V. Antipov. S.I. Svechnikov, B. Voronov, G. Gol'tsman Characterization of NbN HEB Mixer Cooled by a Close-Cycled 4 kelvin Refrigerator // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 15, No. 2, pp. 511-513, June 2005

7. Yu.B. Vachtomin, M.I. Finkel, S. V. Antipov, B.M. Voronov, K. V. Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinsky, G.N. Gol'tsman Gain Bandwidth of Phonon-Cooled HEB Mixers made of NbN Thin Film with MgO Buffer Layer on Si //Proceedings of 13th International Symposium on Space THz Technology, Harvard, NY, USA, March 26-28, 2002

8. K. V. Smirnov, Yu.B. Vachtomin, S. V Antipov, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman, A.D.Semenov, H.Richter, H.-W.Hubers Noise and Gain Performance of spiral antenna coupled HEB Mixers at 0.7 THz and 2.5 THz //Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003

9. G. Gol'tsman, M. Finkel, Yu.B. Vachtomin, S. Antipov, V. Drakinski, N. Kaurova, B. Voronov Gain Bandwidth and Noise Temperature of NbTiN HEB Mixer //Proceedings of 14th International Symposium on Space THz Technology, Tucson, Arizona, USA, April 22-24, 2003.

10. Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N. Maslennikov, KV. Smirnov, S.L. Polyakov, N.S. Kaurova, E. V Grishina, B.M. Voronov, G.N. Goltsman Noise temperature measurements of NbN phonon-cooled Hot Electron Bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Proceedings of 15th International Symposium on Space THz Technology, Northampton, MA, 27-29 of April, 2004.

11 .Baryshev, J.J.A. Baselmans, S.F. Reker, M. Hajenius, J.R.Gao, T.M. Klapwijk, Yu.B. Vachtomin, S. Maslennikov, S. Antipov, B. Voronov G. Gol'tsman Direct Detection Effect in Hot Electron Bolometer Mixers //accepted to 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2-5 May, 2005.

12.W. Zhang, L. Jiang, Z.L. Lin, S.C. Shi, S.I. Svechnikov, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, N.S. Kaurova, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Development of a Quasi-Optical NbN Superconducting HEB Mixer // Proceedings of 16th International Symposium on Space THz Technology, Chalmers, Sweden, 2

5 May, 2005, pp. 209-213

13.Ю.Б. Вахтомин, М.И. Финкелъ, C.B. Антипов, Б.М. Воронов, К.В.Смирнов, H.C. Каурова, В.Н. Дракинский, Г.Н. Гольцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO //8-й всероссийский семинар «Волновые явления в нелинейных средах», Красновидово, 2002, т.2, с.81-82.

14.М7. Finkel, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, B.M. Voronov, К. V Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol'tsman The IF bandwidth of phonon-cooled HEB mixsers based on Si substrate with MgO buffer layer //International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena, 2002, pp. 56-58.

15.Ю.Б. Вахтомин, C.B. Антипов, C.H. Масленников, K.B. Смирнов, C.JI. Поляков, С.И. Свечников, H.C. Каурова, E.B. Гришина, Б.М. Воронов и Г.Н. Гольцман Смеситель терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN //Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 7-10 сентября 2004, Москва, МИРЭА, часть 1, с 259.

1 в. Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov. N.S. Kaurova, S.N. Maslennikov, К. V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, E. V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Noise temperature, gain bandwidth and local oscillator power of NbN phonon-cooled HEB mixer at Terahertz frequencies //Joint 29th International conference on infrared and millimeter waves and 12th International conference on terahertz electronics, September 27-october 1, 2004, Karlsruhe, Germany.

17.G.N. Gol'tsman, Yu.B. Vachtomin, S. V. Antipov, S.N. Maslennikov, К. V. Smirnov, S.L. Polyakov, S.I. Svechnikov, N.S. Kaurova, E. V Grishina, B.M. Voronov NbN Phonon-cooled Hot-Electron Bolometer Mixer for Terahertz Heterodyne Receivers //The International Society for Optical

Engineering, v. 3, January 22-27, 2005, San Jose, California USA.

18.S.V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, S.N. Maslennikov, K.V. Smirnov, N.S. Kaurova, E.V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Noise performance of quasioptical ultrathin NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //Fifth International Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves, Kharkov, Ukraine, June 21-26,2004.

19.H.C. Каурова, М.И. Финкель, Ю.Б. Вахтомин, C.H. Масленников, С.В. Антипов, К.В. Смирнов, Б.М. Воронов, Г.Н. Голъцман Смеситель субмиллиметрового диапазона длин волн на основе пленки УВа2Сиз07.х //Первая международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости», Москва-Звенигород, 18-22 октября 2004.

20.Масленников С.Н., Вахтомин Ю.Би Антипов С.В. Каурова Н.С., Гришина Е.В, Б.М. Воронов, Г.Н. Голъцман 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, Сборник тезисов, стр. 968.

21 .S.V. Antipov, Yu.B. Vachtomin, S.N. Maslennikov, N.S. Kaurova, E.V. Grishina, B.M. Voronov, G.N. Gol'tsman Low noise NbN hot electron bolometer mixer at 2.5 and 3.8 THz //11th International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena. Proceedings. St. Petersburg, Russia, 2004, pp. 107-109.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Антипов, Сергей Владимирович, 2006 год

1. V. Belitsky "MM and sub-mm instrumentation for radio astronomy," presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18-19, 2003, Sarohus, Sweden

2. J. Black "Scientific drivers for APEX," presented on Masers and Molecules workshop, Sept. 18-19, 2003, Sarohus, Sweden

3. R. L. Brown, "Technical specification of the millimeter array," Proc.SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., no. 3357, pp. 231-441, 1998.

4. SOFIA home page: http//sofia.arc.nasa.gov/

5. TELIS home page: http://telis.af.op.dlr.de/

6. N. Wyborn, "The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance," in Eur. Space Agency Symp., Grenoble, France, Apr. 15-17, 1997, pp. 19-24.

7. D. Leisawitz et al., "Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers" in Proc. SPIE, vol. 4013, Munich, Germany, Mar. 29-31, 2000,pp. 36-46.

8. J.R.Tucker and M.J.Feldman, "Quantum detection at millimeter wavelength", Rev. Mod. Phys.,v.57, p.1055, 1985.

9. J. Zmuidzinas, H.G. LeDuc, IEEE Trans. MTT, 1992, v.40, p. 1797

10. C.Y.E. Tong, R.Blundell, B. Bumble, J. Stern, H. Leduc," Sub-mm distributed quasipartical receiver employing a non-linear transmission line," Proc. 7th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.47, Charlottesville, Virginia, USA, March 1996

11. C.Y.E. Tong, R. Blundell, S.Paine, D.C. Papa et al., "Design and characterization of 200-300 GHz fixed tuned SIS receiver," IEEE Trans, on Micr. Theory and Tech., v. 44, num.9, pp. 1548-1566, 1996.

12. A. Karpov, J. Blondel, M.Voss, and K.Gundlach", IEEE Trans. Appl. Supercond., v.9, p.4456, 1999.1. Т)

13. G. Chattopadhyay, F. Rice, D. Miller, H.G. LeDuc, and J. Zmuidzinas,"A 530-GHz Balanced Mixer," IEEE Microwave and Guided Wave Lett., vol. 9, no. 11, pp.467-469, Nov. 1999.

14. B. Jackson, A. Baryshev, G. de Lange et al., "Low noise 1 THz SIS mixer incorporated a NbTiN/Si02/Al tuning circuit, " Appl. Phys. Lett., vol. 79, num.3,2001.

15. A. Karpov, D. Miller, F. Rice, J. Zmuidzinas et al.," Low noise 1.2 THz SIS receiver", Proc. 12th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.21, San Diego, CA, USA, 2001

16. M.C. Gaidis, H.M. Pickett, C.D. Smith, et al., IEEE Trans. MTT, 2000, v.48, p. 733.

17. P.H. Siegel, R.P. Smith, M.C. Gaidis, S.C. Martin, IEEE Trans. MTT, 1999, v.47, No. 5, p. 596.

18. В.Г. Божков, B.A. Геннеберг, Ю.А. Дрягин, Л.И. Федосеев, Известия вузов. Радиофизика, 1999, Т. 42, № в, С. 573.

19. Т. Newman, W.L. Bishop, T.Ng. Kwong, S. Wainreb, IEEE Trans. MTT, 1991, v.39, No. 12, p. 1964.• 21. J.L. Hesler, W.R. Hall, T.W. Crowe, et al., IEEE Trans. MTT, 1997, v.45,1. No. 5, p. 653.

20. K. Hui, et al., IEEE Microwave and Guided Wave Lett., 2000, V.10, No. 9, p. 374.

21. J.L. Hesler, Proc. of 11th of Space Terahertz Technology, Ann Arbor, MI, USA, 2000, p.139.

22. J. Oswald et al., IEEE Microwave and Guided Wave Lett., 1998, V.8, No. 6, p. 232.

23. A.L. Betz, R.T. Boreiko, Proc. of 7th of Space Terahertz Technology, 1996, p.503.

24. E. M. Гершензон, M. E. Гершензон, Г. H. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. Вып. 5. С. 281-285.

25. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Разогрев электронов в резистивном состоянии сверхпроводника под действием электромагнитного излучения" // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 2. С. 758-774.

26. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии" // Письма в ЖЭТФ. 1982. Т. 36. Вып. 7. С. 241-244.

27. V> 32. D.Prober, "Superconducting terahertz mixer using a transition-edgemicrobolometer" Appl.Phys.Lett. 62(17), 2119, 1993.

28. A. Skalare, W. R. McGrath, B. Bumble, H. G. LeDuc, P. Burke, A. Verheijen, R. Schoelkopf, D. Prober, "Large bandwidth and low noise in a diffusion-cooled hot-electron bolometer mixer", Appl.Phys.Lett. 68, 1558,• 1996.

29. B.S. Karasik, K.S. Il'in, "Diffusion cooling mechanism in a hot-electron

30. NbC microbolometer mixer", Appl.Phys.Lett. 68, 2285, 1996.

31. G. N. Goltsman, A. D. Semenov, "Non-thermal response of a diffusion-cooled hot-electron bolometer", J. Appl. Phys. 87, 502 (2000).

32. E.M.Gershenzon, G.N.Gol'tsman, A.I.Elant'ev, B.S.Karasik, and S.E.Potoskuev, "Intense Electromagnetic Radiation Heating of Electrons of a Superconductor in the Resistive State," Sov. J. Temp. Phys., 14(7), 414420, 1988.

33. A.D. Semenov, H.-W. Hubers, H. Richter, K.V. Smirnov, G.N. Gol'tsman, N.S. Kaurova, B.M. Voronov, "Superconducting hot-electron bolometermixer for terahertz heterodyne receivers", Proc. of 14 Int. Symp. on Space

34. Terahertz Technology, Tucson, Arizona, April 2003, pp. 405-412

35. V> 41. K.S. Yngvesson, C.F. Musante, M. Ji, F. Rodriguez, Y. Zhuang, E.

36. GerechtM. Coulombe, J. Dickinson, T. Goyette, and J. WaldmanC. K.

37. WalkerA. Stark and A. Lane, "Terahertz receiver with NbN HEB device (TREND)- a low-noise receiver user instrument for AST/RO at the south pole", ", Proc. of 12 Int. Symp. on Space Terahertz Technology, San Diego,• CA, Febr. 2001, pp. 26-37.

38. J) 44. S.Cherednichenko, M.Kroug, P.Khosropanah, A.Adam, H.Merkel,

39. E.Kolberg, D.Loudkov, B.Voronov, G.Gol'tsman, H.Richter, H.-W.Huebers "A broadband terahertz heterodyne receiver with an NbN HEB mixer" Proceedings of the 13th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Massachusetts, Cambridge, pp. 85-95, 2002.

40. C.M. Зи. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ./ Под ред. P.A. Суриса. М.: Мир, 1984.

41. Н.С. Torrey, С.А. Whitmer. Crystal rectifiers. New York: McGraw-Hill,1. T' 1948.

42. S. Maas "Microwave mixers", Artech House, Boston 1993.

43. L.E. Dickens, "Spreading resistance as a function of frequency", IEEE

44. Trans. MTT, 1967, V.15, No. 2, p. 101.

45. E.R. Caelson, M.V. Schneider, T.F. McMaster, "Subharmonically pumped millimeter wave mixers", IEEE Trans. MTT, 1978, V.26, No. 10, p. 706.

46. K.S. Champlin, D.B. Armstrong, P.D. Gunderson, Proc. IRE. 1964, v. 52, p. 677.

47. A. Kreisler, M. Pyee, M. Redon, Int. J. Of Infrared and Millimeter Waves, • 1984, V. 5, No. 4, p. 559.

48. M.V. Schneider, E.R. Carlson, Electron. Lett. 1977, V. 13, p. 745.

49. G.T. Wrixon, W.M. Kelly, Infrared Phys. 1978, V. 18, p. 413.

50. В.Г. Божков, B.A. Геннеберг, К.И. Куркан, В.И. Перфильев, Электронная промышленность, 2001, № 5, с. 77.

51. T.W. Crowe, R.J. Mattauch, Н.Р. Roser, et al., Proc. IEEE, 1992, V. 80, No. 11, p. 1827.

52. S.P. Molodnyakov, V.l. Shashkin, et al., Proc. of Int. Device Res. Symp., 1993, V. 2, p. 377.

53. P. H. Siegel, Terahertz Technology, Proc. IEEE, vol. 50, No. 3, March 2002,pp. 910-928.

54. И.О. Кулик, И.К. Янсон. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М.: Наука, 1970.

55. S. Morahashi, F. Shinoki, A.Shoji, et al., High Quality Nb/Al-A10x/Nb Josephson Junction, Appl. Phys. Lett., 1985, V.46, p. 1179-1181.

56. H.D. LeDuc, A. Judas, S.R. Cypher, В. Bumble, B.D. Hunter, J.A. Stern, Submicron Area NbN/MgO/NbN Tunnel Junctions for SIS Mixerr.t

57. Applications, IEEE Trans. On Magn., 1991, V. MAG-27, no. 2, p. 31923195.

58. J. Zmuidzinas, H.D. LeDuc, Quasi-Optical Slot Antenna SIS Mixers,

59. Proceedings of the 2nd Int. Symp. on Space Terahertz Technology, pp. 481490, 1991.

60. W.R. McGrath, H.H.S. Javadi, S.R. Cypher, B. Bumble, H.D. LeDuc, Low-Noise 205 GHz SIS Mixer Using High Current Density Nb and NbN Tunnel Junctions, Proceedings of the 2nd Int. Symp. on Space Terahertz V> Technology, pp. 423-437, 1991.

61. S.K. Pan, A.R. Kerr, M.J. Feldman, A. Kleinsasser, J. Stasiak, L. Sandstrom, W.J. Gallagher, A 85-116 GHz SIS Receiver Using Inductively Shunted Edge-Junctions, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1989, V. MTT-37,1. NO. 3, p. 580-582.

62. G.de Lange, J.J. Kuipers, T.M. Klapwijk et al., J. Appl. Phys., vol. 77, p. 1795, 1995.

63. G.de Lange et al, "Development of a 170-210 GHz 3x3 micromashined SIS imaging array", Proc. 8th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, p.518, Harvard University, USA, March 1997.

64. Belitsky V., Tarasov M.A., "SIS Junction Reactance Complete Compensation", IEEE Trans, on Magnetic,, MAG- 27, v. 2, pt. 4, pp. 26382641, 1991.

65. J), 69. V.Yu.Belitsky, E.L.Kollberg, "Tuning circuit for NbN SIS mixer", Proc. 7th1.t. Symp. on Space Terahertz Technology, p.234, Charlottesville, Virginia, USA, March 1996.

66. C.Y.E. Tong, L. Chen, and R. Blundell, "Theory of Distributed Mixing and Amplification in a Superconducting Quasi-Particle Nonlinear Transmission Line," IEEE Trans, on MTT., v. 45, num.7, pp. 1086-1092, 1997.

67. M.J. .Feldman and S. Rudner, "Mixing with SIS arrays", Reviews of IR and MM Waves, K.J. Button, Ed. N.York, Plenum, p.47, 1983.1. T,f

68. S. Shitov, M. Levitchev, A. Veretennikov, V. Koshelets et al, "Superconducting integrated receiver as 400-600 GHz tester for coolable• device", IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, n. 1, pp. 832-83 5, 2001.

69. Кошелец В.П., Шитов C.B., Филиппенко JI.B., Дмитриев П.Н., Ермаков А.Б., Соболев A.C., Торгашин М.Ю. Интегральные сверхпроводниковые приемники субмиллиметровых волн // Известия вузов. Радиофизика. 2003, Т. 46, № 8-9, СС. 687-701.

70. N. Perrin and С. Vanneste, "Response of superconducting films to periodic•V) optical irradiation", Phys. Rev. B28, 5150 (1983).

71. N. Perrin and C. Vanneste, "Dynamic behavior of a superconductor under time-dependent external excitation", J. Physique. 48, 1311 (1987).

72. A.Semenov, G.N. Goltsman, R. Sobolewski, "Hot-Electron Effect in Superconductors and Its Applications for Radiation Sensors", LLE Review, V 87, pp 134-152, 2002.

73. B.L.Altshuler, A.G.Aronov, "Electron-electron interaction in disordered conductors," Modern problems in condensed matter science, Ed. A.L.Efros, M.Pollas, North-Holland Co., Amsterdam, pp. 1-153, 1985.

74. R. S. Nebosis, A. D. Semenov, Y. P. Gusev, K. F. Renk, in Proceedings of the Seventh International Symposium on Space Terahertz Technology (University of Virginia, Charlottesville, VA, 1996), pp. 601-613.

75. B. S. Karasik, W. R. McGrath, and M. C. Gaidis, "Analysis of a high-Tc p , hot-electron superconducting mixer for terahertz applications", J. Appl.1. Phys. 81, 1581 (1997).

76. D. W. Floet, E. Miedema, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, "Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers", Appl. Phys. Lett. 74,433 (1999).

77. D. W. Floet, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, P. A. J. De Krote, "Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer mixers, Appl. Phys. Lett. 77, 1719 (2000).1. TJ

78. H. Merkel, P. Khosropanah, P. Yagoubov, E. Kollberg, "A hotspot mixer for phonon-cooled NbN hot-electron bolometric mixers", IEEE Trans. Appl.• Supercond. 9, 4201 (1999).

79. D. W. Floet, E. Miedema, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, "Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers", Appl. Phys. Lett. 74, 433 (1999).

80. D. W. Floet, T. M. Klapwijk, J. R. Gao, P. A. J. De Krote, "Bias dependence of the thermal time constant in diffusion-cooled hot electron bolometer

81. Arj mixers, Appl. Phys. Lett. 77, 1719 (2000).•■a

82. H. Merkel, P. Khosropanah, P. Yagoubov, E. Kollberg, "A hotspot mixer for phonon-cooled NbN hot-electron bolometric mixers", IEEE Trans. Appl. Supercond. 9,4201 (1999).

83. A.I.Elant'ev and B.S.Karasik, "Effect of high frequency current on Nb superconducting film in the resistive state," Sov. J. Low Temp. Phys., 15(7), July 1989.

84. H. Ekstrom, B. Karasik, E. Kollberg, S. Yngvesson, "Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron bolometer mixers," IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., pp. 938-947, vol. 43, no. 4, 1995.

85. D.Meledin, E.Tong, R.Blunbell, N.Kaurova, K.Smirnov, B.Voronov, and G. Goltsman, "Study of the IF bandwidth of NbN HEB mixers based on crystalline quartz substrate with an MgO buffer layer", IEEE Trans. Appl.

86. Supercond., vol.13, no 2, pp.164-167, 2003.

87. B.Karasik, W.McGrath, "Microwave transmission technique for accurate impedance characterization of superconductive bolometric mixers," IEEE Trans.on Applied Superconductivity, 1998.

88. B. S. Karasik, A. I. Elantev, "Analysis of the noise performance of a hot® electron bolometer mixer," 6th International Symposium on Space Terahertz

89. Technology, pp. 229-247, Pasadena, CA, 1995.

90. H.Ekstrom, B.Karasik, E.Kollberg, and S.K.Yngvesson, "Conversion Gain and Noise of Nb Superconducting Hot Electron Mixers," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 938-947, 1995.

91. G.N. Gol'tsman, B.S. Karasik, O.V. Okunev, A.L. Dzardanov, ^ E.M. Gershenzon, H. Ekstrom, S. Jacobsson, E. Kollberg, IEEE Trans, on

92. Appl. Supercond 5, 3065 (1995).rj

93. B.S. Karasik and A.I. Elantiev, Appl. Phys. Lett. 68, 853 (1996).

94. H.Ekstrom, B.S.Karasik, "Electron temperature fluctuation noise in hot-electron superconducting mixers", Appl.Phys.Lett. 66, 3212 (1995).

95. E.Tong, J.Kawamura, T.Hunter, D.Papa, R.Blundell, F.Patt, G.Gol'tsman, E.Gershenzon, "Successful Operation of a 1 THz NbN Hot-Electron Bolometer Receiver," Proc.of 11th of Space Terahertz Technology, p.49-59, Ann Arbor, MI, USA, 2000.

96. J.Kawamura, T. R. Hunter, C.-Y. Edward Tong, R. Blundell, D. C. Papa, W. Peters, T. Wilson, C. Henkel, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, "Ground-based terahertz CO spectroscopy towards Orion", A&A 394, 271-274 (2002)

97. J. Shubert, A. Semenov, H.-W. Hubers wt al.," Noise temperature and sensitivity of NbN Hot-electron mixer at frequencies from 0.7 THz to 5.2 THz," Proc.of 10th of Space Terahertz Technology, pp. 190-199,• Charlottesville, VI, USA, 1999.

98. W 102. C.-Y. Edward Tong, D. Meledin, D. Loudkov, J. Kawamura, N. Erickson, I.

99. Mehdi, R. Blundell, and G. Gol'tsman, "A 1.5 THz Hot-Electron Bolometer

100. Mixer Operated by a Planar Diode Based Local Oscillator," IEEE MTT-S Digest, pp. 751-754, Philadelphia, PA, June 2003.

101. M. Kroug, "Hot Electron Bolometric Mixers for a quasi-optical terahertz receiver", Ph.D. thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2001.

102. D.K. Schroder, "Semiconductors materials and device characterisation," John Willey, NY, 1990

103. G.K. Reeves, and H.B. Harrison, IEEE Electron Device Lett., EDL-3, p.l 11, 1982.