Терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN и NbTiN тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Лудков, Денис Николаевич

• Лудков, Денис Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лудков, Денис Николаевич

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

§1.1 Гетеродинные приемники субмиллиметрового диапазона длин волн для радиоастрономических применений.

§1.2 Смесители на горячих электронах с фононным каналом охлаждения.

§1.3 НЕВ-смесители в инструментах субмиллиметровой астрономии.

§1.4 Выводы и постановка задач.

Глава 2. Технология изготовления образцов и методики измерений характеристик приемников.

§2.1 Изготовление смесителей из тонких пленок NbN и ГЧЫ^.

§2.2 Методика измерения шумовой температуры.

§2.3 Методика измерения динамического диапазона квазиоптических смесителей на горячих электронах.

§2.4 Методика исследований полосы ПЧ волноводных смесителей на горячих электронах.

§2.5 Использование Фурье-спектрометра для исследования входной полосы терагерцовых приемников.

§2.6 Методика измерений требуемой мощности гетеродина НЕВ смесителей.

§2.7 Методика измерений собственного импеданса смесительного блока с использованием масштабированного макета.

Глава 3. Динамический диапазон и поглощенная мощность гетеродина квазиоптических смесителей на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN.

§3.1 Поглощенная мощность гетеродина смесителей на горячих электронах.

§3.2 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина для смесителей разного объема.

§3.3 Динамический диапазон смесителей разного объема.

§3.4 Выводы.

Глава 4. Волноводные смесители терагерцового диапазона на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbTiN.

§4.1 Характеристики волноводных NbTiN РНЕВ смесителей по постоянному току.

§4.2 Исследование шумовой температуры волноводных NbTiN РНЕВ смесителей в диапазоне 0.7 -1.3 ТГц.

§4.3 Исследование полосы преобразовании волноводных NbTiN РНЕВ смесителей.

§4.4 Исследование поглощенной и требуемой мощности гетеродина волноводных NbTiN РНЕВ смесителей.

§4.5 Выводы.

Глава 5. Исследование волноводных смесителей на горячих электронах с различным импедансом смесительного блока на несущей частоте.

§5.1 Проектирование смесительного блока с заданным собственным импедансом.

§5.2 Параметры исследуемых волноводных NbN РНЕВ смесителей.

§5.3 Высокочастотные характеристики волноводных NbN РНЕВ смесителей с заданным импедансом смесительного блока.

§5.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Терагерцовые смесители на горячих электронах из тонких сверхпроводниковых пленок NbN и NbTiN»

Развитие астрономии неразрывно связано с техническими нововведениями. Так, ^ изобретение телескопа приблизило к нам звезды и позволило создан, классификацию космических объектов, получить представление об их эволюции. Освоение радиодиапазона привело к появлению радиоастрономии. И сегодня мы продолжаем осваивать новые диапазоны частот, для получения более полной информации об устройстве Вселенной.

Межзвездное вещество, заполняющее Вселенную, представляет собой разреженную смесь холодных газов и пыли. Процессы, связанные с формированием звезд и галактик, сопровождаются интенсивным ^ ультрафиолетовым излучением, нагревающим окружающую «холодную» среду.

Таким образом, области Вселенной, в которых протекают процессы формирования новых звезд и галактик, как правило, окружены облаками газов с большей температурой и плотностью нежели «холодное» межзвездное вещество. Интенсивность и спектральный состав излучения подобных областей звездного неба содержат в себе информацию о процессах, протекающих при образовании новых галактик и звезд.

Излучение сосредоточенных источников для его регистрации должно превалировать над фоновым излучением Вселенной. Большое количество линий излучения газов, составляющих холодную межзвездную среду, приходится на миллиметровые и субмиллиметровые волны. В этом диапазоне лежит максимум реликтового излучения Вселенной и один из максимумов излучения нашей галактики. По данным, полученным в рамках проекта NASA СОВН (COsmic Background Explorer), излучение, приходящееся на субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны, составляет около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный путь [1]. На рис.1, по данным обзора х) [2], приведена зависимость мощности излучения межзвездной пыли, легких и тяжелых молекул холодных газов от длины волны. Здесь также показаны зависимости, соответствующие излучению черного тела при 30 К и реликтового излучения Вселенной с эффективной температурой 2.7 К. Стоит отметить, что по предварительным оценкам спектр межзвездного вещества должен включать в себя порядка сорока тысяч отдельных линий в рассматриваемом диапазоне длин волн от 1 мм до 100 мкм, что соответствует диапазону частот от 0.3 до 3 ТГц. На сегодняшний день из всего множества предсказанных линий проведено наблюдение лишь около тысячи [3]. В тех направлениях, где мощность излучения межзвездной пыли невелика, терагерцовый диапазон воли представляет большой интерес еще и потому, что с его помощью можно наблюдать самые удаленные объекты во Вселенной.

Проведение радиоастрономических исследований с поверхности Земли в терагерцовом диапазоне волн затруднено слабой прозрачностью атмосферы. В основном она связана с сильным поглощением излучения парами воды. В верхней части рис. 2 показан спектр пропускания атмосферы, полученный в радиообсерватории на горе Мауна Кеа, Гавайи [2]. Телескоп установлен на высоте 4200 метров над уровнем моря, приведенные данные получены при влажности, соответствующей высоте осажденного водяного столба в 1 мм. Для проведения исследований с поверхности Земли па частотах выше 1 ТГц также, как это делается для наблюдения в других спектральных интервалах, возможно использовать только так называемые окна прозрачности с относительно высоким коэффициентом пропускания. На сегодняшний день только начинается освоение окон прозрачности около 1.03, 1.35 и 1.5 ТГц. Стоит отметить, что прозрачность атмосферы в этих окнах в лучшие дни достигает около 40% в высокогорных районах плато Атакама, Чили (5525 метров над уровнем моря) [4]. Пропускание атмосферы в зависимости от частоты на высоте 12000 метров, полученное в обсерватории самолетного базирования (Kuiper Airborn Observatory), приведено на рис. 2, нижний график. ю1

О) 10Ю

109

2 шт 1тт 500/*т 200/ят\ 100/лт\

Рис.1 Излучаемая энергия в зависимости от длинны волны для черного тела при температуре 30 К, а также для холодного межзвездного газа и для ряда ключевых молекулярных линий излучения [2]. к, с

0 Я

1 <П с ч и еriff

500 А ■ * 1

1000

3000

I—f

Ш:

1500 2000 2500

3000

Frequency (GHz)

Рис.2 Спектры пропускания атмосферы Земли, верхний график - данные из обсерватории на горе Мауна Кеа, Гавайи, высота 4200м; нижний график - данные из обсерватории Купера, самолетного базирования, высота 12000м [2].

Создание высокочувствительных радиоастрономических инструментов для терагерцового диапазона частот представляет собой актуальную задачу. На настоящий момент ведется целый ряд международных проектов в этом направлении. Условия проведения наблюдений вынуждают создавать

I i радиообсерватории в труднодоступных высокогорных районах или с базированием на самолете, воздушном шаре или искусственном спутнике.

На частотах ниже 1.2 ТГц лучшими характеристиками обладают супергетеродинные приемники со смесителями, выполненными на туннельном переходе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) [5, 6, 7. 8]. Большое количество радиоастрономических инструментов оборудовано подобными приемниками, ведутся разработки по их практическому применению в других ^ областях науки и техники [3]. Ограничение сверху на полосу рабочих частот СИС смесителей следует из механизма отклика и по порядку величины соответствует энергетической щели используемого сверхпроводника (около 700 ГГц для ниобия) [5, 6, 9]. При возрастании частоты наблюдается увеличение внутренних потерь, и шумовая температура становится выше, чем у сверхпроводниковых смесителей другого типа - смесителей на эффекте электронного разогрева (hot electron bolometer - НЕВ).

Исторически первая работа, посвященная свсрхпроводниковым смесителям на горячих электронах, была опубликована в 1990 г. [10]. Она продолжала серию работ [11, 12, 13,14, 15], исследовавших энергетическую релаксацию электронов в разупорядоченных металлах и сверхпроводниках. В практическом плане эти работы решали вопрос о предельном быстродействии тонкопленочного сверхпроводящего болометра, когда узкое горло в теплоотводе задается скоростью остывания самой электронной подсистемы за счет электрон-фононного взаимодействия. Такие болометры получили название болометров на горячих электронах с фононным каналом охлаждения (phonon-cooled НЕВ -X) РНЕВ). Другой канал охлаждения электронов в сверхпроводящих смесителях на горячих электронах был предложен в [16] и далее развит в целом ряде работ [17, 18, 19]. 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 (diffusion-cooled НЕВ - DHEB). Оба типа смесителей представляют собой металлическую пленку на диэлектрической подложке с двумя контактами. В случае РНЕВ пленка должна быть очень тонкой, чтобы неравновесные фононы быстро уходили в подложку, а для DHEB существенной является малая длина пленки между контактами, чтобы горячие электроны могли быстро диффундировать в них. В настоящее время практическое применение находят только НЕВ-смесители первого типа.

К началу диссертационного исследования электронно-разогревные смесители из тонких сверхпроводниковых пленок были признаны научным сообществом наиболее приемлемым решением для создания супергетеродинных приемников для радиотелескопов терагерцового диапазона. Оптимизация таких смесителей для дальнейшей интеграции в практический инструмент являлась актуальной задачей представленного диссертационного исследования.

Болометры на горячих электронах в полупроводниках - hot electron bolometers разрабатывались в 60х годах прошлого века. Наибольшее распространение получили смесители и детекторы на основе n-InSb болометра [20,21]. Демонстрируя рекордно низкую по тем временам шумовую температуру на субмиллиметровых волнах (500 К на 500 ГГц), он, в то же время, обладает, по крайней мере, двумя существенными недостатками. Во-первых, высокая чувствительность реализуется при высокой подвижности и довольно низкой концентрации электронов, так что поглощение излучения электронным газом начинает падать с частотой со уже в субмиллиметровом диапазоне (сот > 1, т — время релаксации импульса) и для работы на высоких частотах необходимо резонансное магнитное поле (циклотронный резонанс). Во-вторых, время релаксации энергии электронов велико (~ 10'6 с) и полоса такого смесителя оказывается слишком узкой (~ 1 МГц).

Оба этих недостатка преодолены в сверхпроводниковых HEB смесителях. Во-первых, в тонких разупорядоченных металлических плёнках время релаксации импульса очень мало и поглощение излучения не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот. Высокая чувствительность при лом достигается не за счёт зависимости подвижности от температуры, как в полупроводниках, а за счёт гораздо более сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние. Во-вторых, время энергетической релаксации электронов здесь также гораздо меньше. Так, в наиболее широко используемом материале - плёнках NbN толщиной 3-4 нм, оно достигает = 10'" с, при температуре образца равной критической температуре сверхпроводящего перехода (Гс). Малая толщина сверхпроводниковой пленки NbN и неплохое акустическое согласование с большинством технологически важных подложек (кремний, кристаллический кварц, сапфир) позволяет получить короткое время ухода неравновесных фононов в подложку xesc = 40 не. Его можно ещё уменьшить, вводя согласующий буферный слой между NbN и подложкой. В результате сочетания короткого времени ухода неравновесных фононов в подложку и малого времени электрон-фононного взаимодействия удаётся получить широкую полосу промежуточных частот. Опубликованные значения ширины полосы преобразования NbN HEB смесителей составляют около 4 ГГц.

Стоит отметить, что пленка NbN, на начало диссертационного исследования, выглядела наиболее привлекательно для создания РНЕВ приборов по сравнению с ранее исследовавшимися пленками Nb и YBaCuO [10, 14, 15, 22]. Однако, сверхпроводящие пленки NbTiN, демонстрирующие значения критической температуры сверхпроводящего перехода сравнимые со значениями для NbN при одинаковой толщине, могут оказаться приемлемой альтернативой для создания HEB смесителей [23, 24].

Другим очевидным преимуществом смесителей на горячих электронах является неселективность используемого эффекта в широком спектральном интервале [12,25,26]. Теоретически, чувствительность таких приемников терагерцового диапазона ограничена лишь квантовыми шумами, которые для идеального двухполосного смесителя имеют температуру ¡¡у/2кн и соответствуют 25 К/ТГц. Минимальные значения шумовой температуры терагерцовых НЕВ смесителей, представленные в тематической периодике, соответствуют 0.5 К/ГГц [27].

Среди причин приводящих к деградации шумовой температуры может быть вклад сопротивления границы сверхпроводник-нормальный металл [28], и ухудшение характеристик сверхпроводящей пленки на технологическом этапе или при ее окислении в нормальных условиях [29]. Эти эффекты приводят к изменению импеданса смесителя, который должен быть согласован с приемной антенной на высокой частоте и с усилителем промежуточной частоты (ПЧ).

Согласование чувствительного элемента с падающим электромагнитным излучением реализуется использованием квазиоптической или волноводной схем. В первом случае, чувствительный элемент интегрируется с планарной антенной, которая располагается во втором фокусе эллиптической линзы, выполненной, как правило, из высокоомного кремния [30]. Во втором, смеситель располагается в короткозамкнутой волноводной секции, переходящей в рупорную антенну [31].

Импеданс смесителя в полосе ПЧ и его частотная зависимость были исследованы в ряде работ [32, 33]. Было показано, что импеданс смесителя на относительно низкой ПЧ близок к дифференциальному сопротивлению образца в рабочей точке. Предполагается, что на частотах меньших частоты соответствующей энергии щели сверхпроводника, болометр имеет чисто активный импеданс близкий к сопротивлению по постоянному току в рабочей точке [34, 35]. На более высоких частотах образец ведет себя как нормальный металл, и его импеданс становиться равным сопротивлению в нормальном состоянии.

Кроме высокой чувствительности и широкой полосы преобразования, необходимо, чтобы смесители на горячих электронах имели малую теребуемую мощность гетеродина. Это требование продиктовано характеристиками компактных терагерцовых источников, выходная мощность которых составляет всего несколько микроватт.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование смесителей на эффекте электронного разогрева из гонких сверхпроводниковых пленок, которые сочетали бы низкую шумовую температуру и широкую полосу ^ ПЧ с малой требуемой мощностью гетеродина, а также оптимизация их согласования с падающим излучением для их дальнейшего использования в супергетеродинных терагерцовых приемниках радиоастрономических инструментов.

Объектом исследования были смесители на эффекте электронного разогрева из тонких сверхпроводниковых пленок ЫЬЫ и (толщиной 3-4 нм) на диэлектрических подложках кремния и кристаллического кварца.

Предметом исследования является: ^ - исследование возможности уменьшения величины требуемой мощности гетеродина для смесителя на горячих электронах с фононным каналом охлаждения;

- исследование волноводных смесителей на горячих электронах из тонкой сверхпроводниковой пленки как возможной альтернативы ЫЬЫ РНЕВ смесителям;

- исследование согласования волноводных смесителей на горячих электронах с падающим излучением.

Характеризация приемников проводилась путем измерения двухполосной шумовой температуры методом холодной - теплой нагрузок и измерением отклика на Фурье-спектрометре. Для смесителей из сверхпроводящих пленок ЫМлЫ также проводились оценки требуемой мощности гетеродина и измерение ширины полосы преобразования.

В результате получены следующие новые научные результаты:

-впервые исследован квазиоптический смеситель сверхмалого объема, на горячих электронах с фононным каналом охлаждения, изготовленный из ^ сверхпроводниковой пленки ЫЬЫ с номинальными геометрическими размерами чувствительного элемента: 0.6x0.13x0.0035 мкм3;

-проведены исследования зависимости поглощенной мощности гетеродина и динамического диапазона от объема чувствительного элемента для квазиоптичсских смесителей на эффекте электронного разогрева;

-исследованы волноводные супергетеродинные смесители на горячих электронах разного объема из сверхпроводниковых пленок NbTiN толщиной 4 нм с подслоем A1N толщиной 20 нм на частоте гетеродина 0.8 ТГц и проведено комплексное тестирование приемников, включающее измерение шумовой температуры, ширины полосы преобразования, поглощенной и требуемой мощности гетеродина;

-впервые реализован и исследован волноводный супергетеродинный смеситель из сверхпроводниковой пленки NbTiN толщиной 4 нм с подслоем A1N толщиной 20 нм в диапазоне частот 1-1.3 ТГц;

-исследованы волноводные NbN РНЕВ смесители с заданными значениями импеданса смесительного блока на частоте гетеродина 0.8 ТГц. Положения, выносимые на защиту:

-для смесителей на основе тонких пленок NbN экспериментально обнаружено, что при уменьшении объема болометра до 0.6x0.13x0.0035 мкм3 оптимальная поглощенная мощность гетеродина составляет всего 15 нВт;

-результаты, полученные для смесителей разного объема, показывают, что для образцов с размером чувствительного элемента 2x0.3x0.0035 мкм3 и 0.6x0.13x0.0035 мкм3 динамический диапазон составляет не менее 20 дБ;

-исследованы характеристики волноводных NbTiN РНПВ смесителей разного объема из сверхпроводниковых пленок толщиной 4 нм с подслоем A1N толщиной 20 нм; образцы демонстрировали полосу ПЧ 1.1 ГГц при оптимальном смещении, для них получены рекордные значения двухполосной шумовой температуры для смесителей из пленок NbTiN: 800 К на 0.8 ТГц, 1300 К на 1.1 ТГц и 1500 К на 1.26 ТГц на промежуточной частоте 3 ГГц, при ширине полосы преобразования 1.1 ГГц; значения оптимальной поглощенной мощности гетеродина для измеренных образцов были эквивалентны 30 мкВт/мкм3;

-исследования волноводных NbN РНЕВ смесителей, с заданным импедансом смесительного блока, на частоте гетеродина около 0.8 ТГц, показывают, что рассогласование нормального сопротивления образца с импедансом смесительного блока приводит к сужению входной полосы и деградации шумовой температуры;

-образцы, выполненные с использованием разработанных топологий металлических электродов, демонстрировали рекордные значения шумовой температуры, для волноводных NbN РНЕВ смесителей, и составляли около 1 lhv/kß.

Практическая значимость этой работы состоит в создании и оптимизации смесителей на эффекте электронного разогрева для их использования в радиоастрономических приемниках терагерцового диапазона. Часть данного исследования выполнена в рамках создания лабораторного прототипа квазиоптического HEB смесителя для обсерватории им. Гершеля космического базирования [36]. Другая часть в рамках оптимизации и подготовки волноводных HEB смесителей для функционирующего терагерцового телескопа Смитсоновской астрофизической обсерватории (CAO), установленного на вершине Cerro Sairecabur, Чили [37].

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы составляет 129 страниц, включая 33 рисунка и 3 таблицы. Библиография включает 109 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Лудков, Денис Николаевич

§5.4 Выводы.

В данной главе проведены исследования терагерцовых приемников на основе волноводных НЕВ смесителей из тонких пленок ЫЬЫ с различными собственными импедансами смесительного блока.

1. С использованием масштабированного макета и программного пакета НБЗЗ созданы топологии смесителей трех типов с номинальными импедансами на частоте 800 ГГц равными: 70 Ом, 35 Ом, 15 Ом.

2. Впервые экспериментально продемонстрирована определяющая роль нормального сопротивления, для смесителя на горячих электронах, в согласовании с импедансом смесительного блока на частоте 0.8 ТГц. Показано, что это рассогласование приводит к уменьшению входной полосы и деградации шумовой температуры приемника.

3. Получены рекордные значения двухполосной шумовой температуры порядка 11Ьу/кв для волноводных РНЕВ смесителей.

4. Показано, что чувствительность приемника имеет не резкую зависимость от согласования нормального сопротивления образца с импедансом смесительного блока, более того указано на возможное влияние ряда других факторов, которые могут приводить к изменению высокочастотного импеданса смесителя.

Заключение.

В заключении сформулируем результаты данной диссертационной работы:

• Поглощенная мощность гетеродина для NbN РНЕВ смесителя с объемом чувствительного элемента 0.6x0.13x0.0035 мкм3 составила всего 15 нВт, что говорит о возможности создания приемников терагерцового диапазона удовлетворяющих характеристикам существующих компактных источников гетеродина.

• Исследование волноводных смесителей из сверхпроводниковой пленки NbTiN толщиной 4 нм показало, что эти образцы демонстрируют рекордные значения двухполосной шумовой температуры 800 К на 0.8 ТГц, 1300 К на 1.1 ТГц и 1500 К на 1.26 ТГц на промежуточной частоте 3 ГГц.

• NbTiN РНЕВ смесители демонстрировали ширину полосы преобразования 1.1 ГГц, и эффективность преобразования около -10 дБ.

• Оценки поглощенной мощности гетеродина для смесителей разного объема, из сверхпроводниковой пленки NbTiN толщиной 4 нм, показали, что эти значения соответствуют 30 мкВт/мкм3, при температуре сверхпроводящего перехода около 8.5 К.

• Относительно высокая эффективность преобразования и малая мощность гетеродина NbTiN РНЕВ смесителей подтверждают перспективность их дальнейшей разработки.

• Для волноводных смесителей разработаны топологии металлических электродов, которые обеспечивают номинальные сопротивления смесительного блока на частоте 0.8 ТГц равные: 70 Ом, 35 Ом и 15 Ом.

• Впервые экспериментально продемонстрирована определяющая роль нормального сопротивления для смесителя на горячих электронах в согласовании с импедансом смесительного блока на частоте 0.8 ТГц. Показано, что его рассогласование приводит к уменьшению входной полосы и увеличению шумовой температуры приемника.

Лучшие из волноводиых смесителей, выполненных с использованием разработанных топологий металлических электродов, демонстрировали значения шумовой температуры около 11 Ьу/кв, что близко к лучшим опубликованным результатам для данного типа приемников.

В заключении, автор хотел бы выразить благодарность и признательность своему научному руководителю профессору Гольцману Г.Н. за руководство в осуществлении данного диссертационного исследования, а также кандидату физико-математических наук Свечникову С.И. за оказанную помощь на начальном этапе работы. Часть представленных исследований была выполнена под руководством кандидата физико-математических наук Чередниченко С.И. и профессора Ерика Коллберга в лаборатории микроволновой электроники Чалмерского технологического университета, автор признателен им и всему коллективу лаборатории. Автор выражает особую благодарность доктору Эдварду Тонгу и доктору Рею Бланделлу за плодотворное сотрудничество и помощь во время работы в Гарвард-смитсоновской астрофизической обсерватории, а также всему коллективу лаборатории субмиллиметровых приемников. Это исследование было бы невозможным без образцов изготавливаемых в технологическом секторе Учебно-научного радиофизического центра МПГУ, под руководством Воронова Б.М. Хотелось бы выразить благодарность всему коллективу Учебно-научного радиофизического центра МПГУ за помощь, поддержку и плодотворные обсуждения.

Список публикаций автора

1*. М. Kroug, S. Cherednichenko, Е. Choumas, Н. Merkel, Е. Kollberg, , H.-W. Hubers, H. Richter, D. Loudkov. G. Gol'tsman, B. Voronov , "HEB Quasioptical Heterodyne Receiver for Terahertz frequencies", Proc. of the 12th, International Symposium on Space Terahertz Technology, San-Diego, CA, Feb 2001, p. 244, 0,5 п.л. (авторских 10%). 2*. S. Cherednichenko, M. Kroug, H. Merkel, E. Kollberg, D. Loudkov, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, E.Gershenzon "Local oscillator power requirement and saturation effects in NbN HEB mixers", Proc. of the 12lh, International Symposium on Space Terahertz Technology, San-Diego, CA, Feb 2001, p. 273, 0,5 п.л. (авторских 15%).

3*. A. Adam, S. Cherednichenko, M. Kroug, H. Merkel, P. Khosropanah, E. Kollberg,

D. Loudkov. G. Gol'tsman , B. Voronov, , H.-W. Huebers, H. Richter "Hot-Electron bolometric mixers for Herschel Space Observatory", GigaHertz 2001 Symposium, Lund, Sweden, Nov.,2001, p. 154, 0,2 п.л. (авторских 10%).

4*. D. Loudkov. P. Khosropanah, S. Cherednichenko, A. Adam, H. Merkel,

E. Kollberg, G. Gol'tsman "Broadband Fourier Transform Spectrometer (FTS) Measurements of Planar Antennas at THz Frequencies", Proc. of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, USA, Mar 2002, p. 373, 0,5 п.л. (авторских 20%).

5*. S. Cherednichenko, M. Kroug, P. Khosropanah, A. Adam, H. Merkel, E. Kollberg, D. Loudkov, B. Voronov, G. Gol'tsman "A Broadband Terahertz Heterodyne Receiver with NbN HEB Mixer", Proc. of the 13th International Symposium on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, USA, Mar 2002, p.85, 0,5 п.л. (авторских 10%).

6*. S. Cherednichenko, P. Khosropanah, A. Adam, H. F. Merkel, E. L. Kollberg, D. Loudkov, G. Goltsman, B. Voronov, H. Richter, H.-W. Hübers, "1.4- to 1.7-THz NbN Hot-Electron Bolometer Mixer for the Herschel Space Observatory", Proc. of the SPIE Conf. on Millimeter and Submillimeter Detectors for Astronomy, SPIE 4855, 2003, p.361, 0,5 пл. (авторских 10%).

7*. S. Cherednichenko, M. Kroug, P. Khosropanah, A. Adam, H. Merkel, E. Kollberg, D.Loudkov, B. Voronov, G. Gol'tsman, H.-W. Huebers, H.Richter, "1.6THz heterodyne receiver for the far infrared space telescope", Physica C, Volume 372, Aug 2002, p. 427, 0,1 п.л. (авторских 10%).

8*. D. Marrone, J. Battat, F. Bensch, R. Blundell, T. Hunter, D. Loudkov, S. Paine, C.Y. E. Tong, D. Meledin, H. Gibson, S. Radford, M. Diaz, "A Map of OMC-1 in CO J=9-8 (1.037 THz)", American Astronomical Society Meeting #111.12, 12/2003, p. 203, 0,1 п.л. (авторских 5%).

9*. C.-Y. E. Tong, D. Meledin, D. Loudkov, R. Blundell, N. Erickson, J. Kawamura, I. Mehdi, and G. Gol'tsman, "A 1.5 THz Hot-Electron Bolometer Mixer Operated by a Planar Diode Based Local Oscillator", 2003 IEEE MTT-S Digest, 2003, p.751, 0,1 п.л. (авторских 10%).

10*. Г.Н.Гольцмаи, Д.Н.Лудков, "Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии", Известия вузов. Радиофизика, составленном по материалам 4-го Всероссийского семинара по физике микроволн, Нижний Новгород, т. 46, № 8-9, Нижний Новгород, 2003, с. 671, 0,8 п.л. (авторских 30%). ll*.G.Gortsman, D.Loudkov. "Terahertz Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixers and Their Application in Radio Astronomy", Radiophysics and Quantum Electronics, v. 46, Issue 8, 2003, p. 604, 0,8 пл. (авторских 30%).

12*. D. Loudkov, E. Tong, R. Blundell, K. Megerian, J. Stern "Characterization of NbTiN Hot Electron Bolometer Mixers at 0.8 THz", Proc. of the 15th International Symposium on Space Terahertz Technology, Northampton, MA, USA, April 27-29, 2004, p. 513, 0,7 пл. (авторских 30%).

13*. D. Loudkov, C.-Y.E. Tong, R. Blundell, N. Kaurova, E. Grishina, B. Voronov, G. Gol'tsman, "An investigation of the performance of the superconducting HEB mixer as a function of its RF embedding impedance", Presented at Applied

Superconductivity Conference, Jacksonville, FL, October 2004, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2005, p. 1470, 0,2 пл. (авторских 30%).

14*. D. Loudkov, E. Tong, R. Blundell, K. Megerian, J. Stern "Performance of the NbTiN Hot Electron Bolometer Mixer with A IN buffer layer at Terahertz Frequency Range", Presented at Applied Superconductivity Conference, Jacksonville, FL, October 2004, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2005, p. 1474, 0,2 п.л. (авторских 30%).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лудков, Денис Николаевич, 2005 год

1. Leisawitz, et al., "Scientific motivation and technology requirements for the SP1.IT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers", in Proc. SPIE, vol. 4013, Munich, Germany, Mar. 29-31, 2000,pp. 36-46.

2. T. G. Phillips and J. Keene, "Submillimeter astronomy", Proc. IEEE,vol. 80, pp. 1662-1678, Nov. 1992.

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

4. B.D. Jackson and T.M. Klapwijk, "The current status of low-noise THz mixers based on SIS junctions", EUCAS 2001, Physica C, 372-376 (2002) 368-373

5. S.V.Shitov, B.D.Jackson, A.M.Baryshev, A.V.Markov, N.N.Iosad, J.-D.Gao, and T.M.Klapwijk, "A low-noise double-dipole antenna SIS mixer at 1 THz," Physica C, 372-376 (2002) 374-377.

6. A. Karpov, J. Blondel, M. Voss, К. H. Gundlach, "A three photon noise SIS heterodyne receiver at submillimeter wavelength," IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 9, pp. 4456-4459 (1999).

7. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. 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.

8. 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.

9. 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. 758774.

10. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, Б. С. Карасик, А. М. Люлькин, А. Д. Семенов, "Быстродействующий сверхпроводящий электронный болометр"// Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 15. Вып. 3. С. 88-92.

11. Е. М. Гершензон, М. Е. Гершензон, Г. Н. Гольцман, А. М. Люлькин, А. Д. Семенов, А. В. Сергеев, "Электрон-фононное взаимодействие в ультратонких пленках Nb" // ЖЭТФ. 1990. Т. 97. №3. С. 901-911.

12. D.Prober, "Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer" Appl.Phys.Lett. 62(17), 2119, 1993.

13. 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

14. B.S. Karasik, K.S. Il'in, "Diffusion cooling mechanism in a hot-electron NbC microbolometer mixer", Appl.Phys.Lett. 68, 2285, 1996

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

16. F. Arams, C. Allen, B. Beyton, E. Sard, "Millimeter mixing and detection in bulk InSb", Proc. IEEE, vol. 54, pp. 308-318, 1966

17. E. H. Putley, "Impurity Photocondactivity in n-type InSb", Proc. Phys. Soc., 1960, vol.76, p. 802.

18. E.M.Gershenzon, G.N.Gol'tsman, Yu.P.Gousev, A.I.Elant'ev, and A.D.Semenov, "Electromagnetic Radiation Mixer Based on Heating in Resistive State of Superconductive Nb and YBaCuO Films," IEEE Trans, on Mag., vol. 27, №2, pp. 1317-1320, 1991.

19. J.W. Kooi, J.A. Stern, G. Chattopadhyay, H.G. LeDuc, B.Bumble, and J. Zmuidzinas, "Low Loss NbTiN Films for THz SIS Mixer Tuning Circuits" , Int J. IR and MM Waves,, Vol. 19, No. 3, March, 1998.

20. 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), 414-420, 1988.

21. M.Kroug, S.Cherednichenko, H.Merkel, E.Kollberg, B.Voronov, G.Gol'tsman H.-W.Huebers, H.Richter, "NbN HEB mixer for terahertz heterodyne receivers", ASC2000, Virgivia Beach, VA, USA,2000,

22. M. Hajenius, J. J. A. Baselmans, J. R. Gao, T. M. Klapwijk, P. A. J. De Korte, B. Voronov, and G. Goltsman, Proc. of 14th International Symposium on Space Tetrahertz Technology, Tucson, AZ, 22-24 April 2003.

23. A.Semenov, H.-W. Hubers, H. Richter, M. Birk, M. Krocka, U. Mair, K. Smirnov,

24. B. Voronov, G. Gol'tsman, "Performance of Terahertz Heterodyne Receiver with a superconducting hot-electron mixer", Proc. of 13 Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, March 2002, p. 229

25. R.Blundell, J. Barrett, H. Gibson, C. Gottleib, T. Hunter, R. Kimberk, S. Leiker, D. Marrone, D. Meledin, S. Paine, D.C. Papa, R. Plante, P. Riddle, M. Smith, T. Sridharan,

26. C. E. Tong, R. Wilson, M. Diaz, L. Bronfman, J. May, A. Otarola, S. J. Radford, "Prospects for Terahertz Radio Astronomy from Northean Chile", Proc. of 13 Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Cambridge, MA, March 2002, p. 159

27. H.Ekstrom, B.Karasik, E.Kollberg, G-Gol'tsman, and E.Gershenzon, "350GHz NbN Hot Electron Bolometer Mixer", Sixth International Symposium on Space Terahertz Technology, March 1995, Pasadena, California, p.269.

28. C.-Y. E. Tong, R. Blundell, K.G. Megerian, J.A. Stern, and H.G. LeDuc, "Quantum-limited mixing in a transformer-coupled SIS resonator for the 600 GHz frequency band," in Proc. 13th Int. Symp. Space THz Tech., Cambridge, MA, pp. 23-32, Mar. 2002.

29. J.L. Hesler, W.R. Hall, T.W. Growe, R.M. Weikle, R.F. Bradley, and Shing-Kuo Pan, "Submm wavelength waveguide mixers using planar Schottky barier diodes", Proc. of 7th International Symposium on Space Terahertz Technology, p. 462, 1996

30. А.Р.Томпсон, Дж.М.Моран, Дж.У.Свенсон, "Интерферометрия и синтез в радиоастрономии", под ред. Л.И.Матвеенко, Физматлит, Москва 2003.

31. Neal R. Erickson, Jussi Tuovinen, "A waveguide tripler for 720-880 GHz", Proc. 6th Int. Symp. on Space Terahertz Technology , pp. 191-198, March 21-23 , 1995.

32. Rudiger Zimmermann, Thomas Rose, Thomas W. Crowe, Thomas W.Grein, "An all-solid-state-1 THz-radiometer for space applications", Proc. 6th Int. Symp. on Space Terahertz Technology , pp. 13-27, March 21-23 , 1995.

33. Gerhard W. Schwaab, John C. Pearson, Nicholas D. Whyborn, "A local oscillator system for the first heterodyne instrument", Proc.96th Int. Symp. on Space Terahertz Technology , pp. 463-471, March 17-19 , 1998.

34. A.Rydberg, B.N. Lyons and S.U.Lidholm, "On the Development of a High Efficiency 750 GHz Frequency Triplet for THz Heterodyne Systems", IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., vol.40, No.5, pp. 827-830, May 1992.

35. S.Veghese, et al, 8th Int.Symp.on Space Terahertz Technology, p. 162.

36. Гершензон E.M., Гершензон M.E., Гольцман Г.Н., Семенов А.Д., Сергеев А.В., "Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в ризистивном состоянии", Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, вып.5, с.281-285.

37. N.Perrin and C.Vanneste, "Response of superconducting films to periodic optical irradiation", Phys. Rev. B28, 5150 (1983).

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

39. 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.

40. 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.

41. 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.

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

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

44. D. W. Floet, Т. 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)

45. 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)

46. 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

47. H. Ekstrdm, 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, april 1995

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

49. В.В.Шмидт, "Введение в физику сверхпроводников", Москва, «Наука», 1982.

50. H.Ekstrom, E.Kollberg, P.Yagoubov, G.Goltsman, E.Gershenzon, and S.Yngvesson, "Gain and Noise Bandwidth of NbN Hot Electron Bolometric Mixers," Appl.Phys.Lett., 70(24), 16 June 1997

51. П.А.Ягубов, "Квазиоптические смесители терагерцового диапазона на эффекте разогрева электронов в тонких пленках NbN", Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., МПГУ, Москва, 1997.

52. H.Ekstrom, B.Karasik, E.Kollberg, and S.Ingvesson, "Investigation of a Superconducting Hot Electron Mixer," Proc. of 5th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, Ann Arbor, Michigan, 1994.

53. M.Lindgren, V.Trifonov, M.Zorin, M.Danerud, D.Winkler, B.Karasik, G.Goltsman, and E.Gershenzon, "Transient resistive photoresponse of YBaCuO film using low power 0.8 and 10.6 pm laser radiation," Appl.Phys.Lett. 64(22), p.3036,1994.

54. M.Danerud, D.Winkler, M.Lindgren, M.Zorin, V.Trifonov, B.Karasik, G.Goltsman, and E.Gershenzon, "Nonequilibrium and bolometric photoresponse in patterned YBaCuO thin films," J.Appl.Phys.76(3), p. 1902, 1994.

55. V.Trofonov, B.Karasik, M.Zorin, G.Goltsman, E.Gershenzon, M.Lindgren, M.Danerud, D.Winkler, "9.6-pm wavelength mixing in a patterned YBaCuO thin film," Appl. Phys. Lett. 68(10), p.1418, 1996.

56. C. Edward Tong, Jeffrey Stern, Krikor Megerian , Henry LeDuc, T. K. Sridharan, Hugh Gibson, Ray Blundell, "A low noise hot electron bolometer mixer," Proc. of 12lh Int. Symp. on Space Terahertz Technology, San Diego, CA, 2001.

57. S. Glenz, S. Haas, C.E. Honingh, K. Jacobs, "NbTiN based tuning structures for broadband Nb-Al203-Nb SIS mixers from 640 GHz- 800 GHz," Proc. of 12th Int. Symp. on Space Terahertz Technology, San Diego, CA, 2001.

58. Д.М.Сазонов, "Антенны и устройства СВЧ," Москва "Высшая школа", 1981.

59. C.A.Balanis, "Antenna Theory: Analysis and Design." New York, Wiley, 1982.

60. Kraus, "Antennas," Second Edition, McGraw-Hill series in electrical engineering, 1988.

61. B.Cheo, V.Rumsev, and W.Welch, "A solution to the Frequency-Independent Antenna Problem," IRE Trans, on Antennas and Propagation, p.572, November, 1961

62. D. F. .Fillipovic, S. S. Gearhart, and G. M. Rebeiz, "Double Slot Antennas on extended Hemispherical and Elliptical Silicon Dielectric Lenses", IEEE Trans, on MTT, V41, N10, pp. 1738- 1749, 1993.

63. G.Eleftheriades, and G.Rebeiz, "Self and mutual admittance of slot antennas on a dielectric half-space," Int.J.of Infrared and Millimeter Waves, vol.14(10),1993.

64. M.Kominami, D.Pozar, and D.Schaubert, "Dipole and Slote Elements and Arrays on Semi-Infinite Substrates," IEEE Trans.onAntennas and Propagation, vol.AP-33(6), June, 1985.

65. W.Dou, and Z. Sun, "Ray tracking on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses," Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 16(11), 1995.

66. T.H.Buttgenbach, "An Improved Solution for Integrated Array Optics in Quasi-Optical mm and Submm Receivers: the Hybrid Antenna," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, pp. 1750-1761, 1993.

67. R.Eisenhart, and P.Khan, "Theoretical and experimental analysis of a waveguide mounting structure," IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, MTT-19(8), August, 1971

68. R.Blundell, and E. Tong, "Submillimeter receivers for radio astronomy," Proc. of IEEE, 80(11), November, 1992.

69. D. Meledin, D.P. Marrone, C.-Y. Edward Tong, H. Gibson, R. Blundell, S. N. Paine, D. Cosmo Papa, M. Smith, T. R. Hunter, J. Battat, B. Voronov and G. Goltsman,"A 1

70. W. Zhang, C.-Y.E. Tong, S.C. Shi, "Scaled model measurement of the embedding impedance of a 660-GHz waveguide SIS mixer with a 3-standard deembedding method," IEEE Microwave & Wireless Components Lett., vol. 13(9), pp. 376-378, Sept. 2003.

71. J.Kawamura, R.Blundell, E.Tong, G.Goltsman, E.Gershenzon, and B.Voronov, "Performance of NbN lattice cooled hot-electron bolometric mixers," J. Appl.Phys., vol.80, p.4232,1996.

72. J.Kawamura, E.Tong, R.Blundell, C.Papa, T.Hunter, G.Goltsman, S.Cherednichenko, B.Voronov, and E.Gershenzon, "An 800-GHz NbN phononcooled hot-electron bolometer mixer receiver," IEEE Trans.on Appl. Superconductivity, vol.9, p.3753, June 1999.