«Разработка и исследование джозефсоновских генераторов терагерцового диапазона на основе распределенных туннельных переходов ( ...»

Конструкция и принцип действия резонансно-туннельного диода (РТД) впервые описана Тсу и Есаки в 1973 г. [14]. РТД представляет собой эпитаксиальную гетероструктуру, в которой туннельно-тонкий слой полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны (GaAs) помещается между слоями полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (AlGaAs). Энергетические уровни электронов в тонком промежуточном слое (потенциальной яме) квантуются, поэтому туннелирование через барьеры на границе раздела полупроводниковых областей эффективно только тогда, когда энергия носителей совпадает с энергией уровней в яме. Т.е. с ростом приложенного к РТД напряжения в некоторый момент ток через структуру в некоторый момент начинает расти (энергия электронов совпадает с энергией уровней в яме), а затем снова уменьшается, когда уровни энергии в яме и берегах расходятся. То есть на вольт-амперной характеристике образуется область с отрицательной дифференциальной проводимостью, которая может быть использована для создания высокочастотных генераторов.

Быстродействие РТД определяется временем туннелирования электронов, которое составляет порядка 10-14 с. На основе РТД были продемонстрированы монохроматические источники, обеспечивающие при комнатной температуре выходную мощность до 7 мкВт на частоте 1.04 ТГц [15, 16], с возможностью перестройки частоты в пределах 4% с помощью напряжения. Крайне маленький диапазон регулировки частоты и малая мощность пока ограничивают применение таких генераторов в реальных устройствах.

Квантово-каскадные лазеры сравнительно новый тип генераторов субмиллиметрового диапазона. Первый квантово-каскадный лазер на 75 ТГц был разработан в Лаборатории Белла (Bell Labs) в 1994 г. С тех пор частотный диапазон ККЛ охватил весь средний ИК диапазон от 12 ТГц до 100 ТГц, а в настоящее время ведутся интенсивные исследования с целью понижения нижнего порога генерации в область частот до 1 ТГц. Для промышленного применения ККЛ генераторы терагерцового диапазона пока малопригодны. Технически, также как и резонансно-туннельный диод, ККЛ представляет собой слоистую полупроводниковую структуру из материалов с различной шириной запрещенной зоны (GaAs/AlGaAs), но в отличие от РТД имеет большое число эиптаксиальных слоев. Наилучшие результаты были получены для лазеров, помещенных в волновод «металл-металл», в которых терагерцовое излучение удерживается между металлическими контактами, размещенными непосредственно сверху и снизу на эпитаксиальной активной области толщиной около 10 мкм. Структура энергетических подзон, образованная сверхрешеткой, специально разрабатывается таким образом, чтобы переход электронов между различными энергетическими уровнями в подзоне сопровождался излучением на заданной частоте (рис. 1.2). Диапазон частотной перестройки ККЛ в пределах одной моды обычно составляет 10-20 ГГц, достигаемые за счет изменения температуры и тока смещения. Современные квантово-каскадные лазеры обладают рядом недостатков: во-первых, им необходима криогенная система охлаждения для обеспечения непрерывного режима работы, во-вторых, существуют серьезные проблемы с частотной стабильностью, диапазоном перестройки частоты и сроком службы, но одной из самых главных проблем является невозможность эффективного согласования структуры ККЛ с линиями передачи или квазиоптическим трактом в ТГц частотном диапазоне. Несмотря на это, генераторы на ККЛ используются в лабораториях, например, в качестве гетеродина для накачки сверхпроводящих болометров [17,18].

а) Профиль зоны проводимости активной области ККЛ на основе GaAs/AlGaAs.

б) Изображение волновода «металл-металл» в сканирующем электронном микроскопе.

в) Расчет интенсивности э.-м. поля в двойном металлическом волноводе.

Существует ряд «фотонных» источников излучения субмиллиметрового диапазона, принцип действия которых основан на использовании излучения одного или нескольких лазеров. Для получения импульсного широкополосного излучения ТГц диапазона используются фемтосекундные импульсные лазеры (в частности, волоконные) в комбинации с нелинейными кристаллами либо полупроводниковыми фотопроводящими используются быстрые полупроводниковые фотосмесители с накачкой от двухцветного лазера (двух лазеров). Сверхкороткие времена жизни электронов в материале фотосмесителя позволяют фототоку следовать за мгновенным значением огибающей оптической мощности интерферирующих лучей на поверхности смесителя, содержащей в том числе разностную гармонику исходных сигналов. Фотосмеситель может быть интегрирован, например, в дипольную антенну ТГц диапазона, и с ее помощью передавать ТГц излучение к потребителю через квазиоптический тракт [20].

Конструкция всех описанных генераторов не позволяет использовать их в интегральных устройствах. При использовании в качестве гетеродина задача по доставке мощности от этих генераторов к смесителю решается либо путем внесения изменений в квазиоптический тракт приемника, либо за счет отдельного волновода, согласованного со смесительной камерой.

1.2 Сверхпроводниковые джозефсоновские генераторы В 1962 году Б. Джозефсон теоретически предсказал эффекты, возникающие при взаимодействии двух сверхпроводников со слабой связью, т.е. соединенных сверхпроводящей областью с малым критическим током (точечный контакт, тонкий мостик и т.п.), либо разделенных тонким диэлектрическим слоем. Нестационарный эффект Джозефсона заключается в том, что при приложении к переходу внешнего постоянного напряжения Vdc через переход протекает не только постоянный ток, но и быстро осциллирующий сверхток с частотой где e – заряд электрона, h – постоянная Планка. Линейная зависимость частоты от напряжения (483,6 ГГц/мВ) позволяет создавать на основе джозефсоновских переходов генераторы, управляемые напряжением. Потенциальный диапазон перестройки частоты таких генераторов ограничен сверху лишь величиной сверхпроводниковой энергетической щели электродов джозефсоновского контакта (что составляет около 1,5 ТГц для Nb и около 3 ТГц для NbN).

Одиночный сосредоточенный джозефсоновский переход обладает в качестве генератора рядом недостатков. Во-первых, это очень маленькая предельная мощность.

Поскольку рабочее напряжение (в силу соотношения Джозефсона (1.1)) составляет порядка 1 мВ, то даже переход с рабочим током около 100 мкА (что является довольно высоким значением) при 100% КПД обеспечит не более 100 нВт СВЧ мощности. Вовторых, собственный выходной импеданс планарных переходов имеющих высокую плотность критического тока очень низкий, менее 1 Ом, что затрудняет согласование такого генератора с полезной нагрузкой (типичное значение R ~ 50 Ом). В-третьих, ширина линии излучения такого генератора определяется широкополосными шумами, имеет лоренцевскую форму спектра, и в зависимости от типа перехода и рабочей точки ВАХ может составлять сотни МГц. Основные преимущества генераторов на основе низкотемпературных сверхпроводников – широкий диапазон перестройки частоты, ограниченный только диапазоном частотного согласования генератора и нагрузки, низкое энергопотребление, возможность изготовления генератора в едином технологическом цикле на общей подложке с антенной и смесителем на основе перехода сверхпроводникизолятор-сверхпроводник.

Для преодоления указанных выше трудностей был предложен ряд подходов. В частности, были разработаны источники на основе последовательно включенных цепочек джозефсоновских переходов, интегрированных в микрополосковую линию [21] или в антенную матрицу [22]. Если все переходы цепочки синхронизированы, выходная мощность растет пропорционально количеству переходов, а ширина линии излучения, соответственно, уменьшается. С ростом количества переходов в массиве возрастают и требования к технологической воспроизводимости образцов, разбросу параметров отдельных переходов в массиве. Из-за указанных сложностей генераторы на массивах переходов не получили широкого практического распространения.

Однако следует отметить, что совсем недавно были получены новые результаты по синхронному излучению из мез высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) [23, 24].

Кристалл ВТСП исследованных образцах), в которой из-за пространственных особенностей симметрии сверхпроводникового параметра порядка между сверхпроводящими слоями образуется слабая связь, и весь кристалл образует массив последовательно включенных джозефсоновских переходов. Была продемонстрирована когерентная генерация таких ВТСП структур при температурах выше 40 К на частоте до 750 ГГц. Тем не менее, как и в случае квантово-каскадных лазеров пока не решена проблема эффективного согласования таких структур с полезной нагрузкой. Кроме того, такой генератор не может быть интегрирован с высокочувствительными сверхпроводящими приемниками, как по причинам технологической несовместимости, так и вследствие температурных ограничений: при низких температурах генерация не наблюдается.

переходов Предметом исследования данной диссертации являются генераторы на основе распределенных джозефсоновских переходов (РДП). РДП обеспечивает достаточную мощность для накачки смесительного элемента на основе перехода сверхпроводникизолятор-сверхпроводник (~ 0,5 – 1 мкВт), частота генерации линейно зависит от напряжения, он совместим с технологической процедурой изготовления интегральных сверхпроводниковых микросхем и может быть интегрирован на одной схеме с антенной и смесительным элементом, и, кроме того, такой генератор обладает низким энергопотреблением (~ 30 мкВт).

1.3.1 Конструкция и принцип действия В литературе авторы по-разному ссылаются на джозефсоновские переходы с большой протяженностью по одному из геометрических размеров: их называют и просто «большими», и «широкими», и «длинными», но наименование «распределенные переходы» является наиболее универсальным для большинства авторов. При этом подразумевается, что джозефсоновский переход становится «распределенным», когда один из его размеров (значительно) превышает глубину проникновения магнитного поля в переход где с – скорость света, Ф0 = (hc/2e) – квант магнитного потока, jc – критическая плотность тока перехода, d – толщина перехода. В таком случае фаза сверхпроводящей функции (а, следовательно, и ток через переход) зависит от координаты. Кроме того, наиболее распространенная конструкция РДП с перекрывающимися электродами эквивалентна микрополосковому резонатору, т.е. является также высокочастотной линией передачи с распределенными параметрами.

Как известно [25-26], магнитное поле проникает в джозефсоновский переход в виде вихрей – через «сердцевину» которых проходит ровно один квант магнитного потока Ф0, сверхпроводниках второго рода вихрь имеет правильную цилиндрическую структуру, размеры которой определяются параметрами и теории Гинзбурга-Ландау, то в джозефсоновском переходе вихрь, или флаксон, сильно вытянут вдоль границы перехода вследствие того, что глубина проникновения магнитного поля в материал электродов L на несколько порядков меньше глубины проникновения поля в область слабой связи J.

Поэтому, говоря о размере джозефсоновского вихря, обычно подразумевают только размер вдоль границы перехода, равный 2-4 J. Как и в сверхпроводниках второго рода, под воздействием транспортного тока вихри в переходе приходят в движение, что приводит к появлению постоянного напряжения на переходе. Отражаясь или разрушаясь на краю джозефсоновского перехода, вихрь может генерировать импульс напряжения.

Этот эффект лежит в основе генераторов на основе распределенных джозефсоновских переходов.

Резонансный флаксонный генератор [27] представляет собой распределенный джозефсоновский переход, помещенный в слабое или нулевое внешнее магнитное поле, в котором один флаксон под действием транспортного тока движется от одного края перехода к другому, где отражается как антифлаксон (вихрь, в котором вектор магнитного потока направлен в противоположную сторону) и движется под действием тока смещения в обратном направлении. Частота такого генератора определяется скоростью движения вихря в переходе и длиной перехода, f = u/2L, где u – средняя скорость вихря, L – длина перехода.

Наибольшее распространение получили генераторы на основе распределенных переходов, помещенных в постоянное магнитное поле, ориентированное в плоскости перехода. В таких генераторах реализуется однонаправленное движение цепочки джозефсоновских вихрей (англ. наименование “flux-flow oscillator”) и возможно раздельное управление частотой и мощностью излучения (рис. 1.3 а). Первоначально были разработаны и исследовались одномерные теоретические модели распределенных переходов. При этом направление тока смещения выбиралось продольно, от одного узкого торца перехода к другому (рис. 1.3 б) – так называемая «линейная», или «in-line» модель перехода [28, 29]. Для обозначения переходов, у которых ток смещения задается перпендикулярно большему из размеров (поперечное задание тока), используется название «переход с перекрывающейся геометрией», или «overlap geometry» (рис. 1.3 в). В дальнейшем было показано [30], что качественно такие геометрии не различаются, хотя небольшие количественные отличия имеются. Тем не менее, очевидно, что в переходах с продольным заданием тока магнитное самовоздействие намного сильнее (изменение магнитного поля в переходе при изменении тока смещения), поэтому теоретический и практический интерес к сравнительным исследованиям спектральных характеристик переходов с различной схемой задания питания сохраняется до настоящего времени [31Отметим, что распределенные джозефсоновские переходы могут быть изготовлены не только в виде туннельного барьера в области перекрытия сверхпроводящих электродов.

Например, при использовании высокотемпературных сверхпроводников, стандартные технологические методики (бикристаллические переходы, переходы на ступеньке stepedge; сюда же можно отнести некоторые наклонные переходы, или “ramp junction”) обеспечивают получение области слабой связи между торцами сверхпроводящих пленок, без образования микрополосковой линии [34]. Автор полагает, что именно таким переходам лучше бы подошло название «линейных», или «in-line», т.к. электроды лежат в одной плоскости, ток протекает последовательно через первый электрод перехода, затем через область слабой связи, и втекает во второй электрод, не меняя линий тока в области контакта из-за эффектов экранирования поля, в противовес туннельным переходам (в т.ч.

межслойным джозефсоновским переходам в ВТСП), для которых название «overlap», «перекрывающийся» естественным образом описывает геометрическую конфигурацию.

Тем не менее, данная терминология сформировалась задолго до открытия эффекта высокотемпературной сверхпроводимости в 1987 г.

а) Модель распределенного джозефсоновского перехода в разрезе, Рисунок 1.3 – Схематическое изображение распределенного джозефсоновского перехода.

1.3.2 Технология изготовления джозефсоновские флаксонные генераторы, изготовленные на базе трехслойных структур низкотемпературный сверхпроводник-изолятор-низкотемпературный сверхпроводник. В работе исследованы переходы на базе трехслойных структур Nb-AlOx-Nb и Nb-AlN-NbN.

Применяемая методика изготовления – селективное травление и анодизация ниобия (англ.

SNEAP – selective niobium etching and anodization process).

Важной особенностью технологической процедуры является двухступенчатая последовательность изготовления окон СИС переходов, используемых в качестве детекторных, так называемый метод изготовления «крестом», при котором область перехода формируется на пересечении двух полосок размерами 1 х 6 мкм. Применение данного метода необходимо для более точного и качественного изготовления детекторных переходов, размер которых составляет около 1 х 1 мкм2 и является предельным для используемого литографического оборудования. При использовании «традиционного»

метода с одним квадратным окном 1 х 1 мкм2 изготовленный переход имеет практически круглую форму. Напыление изоляции проводится также в два этапа – это обусловлено конструкцией СВЧ тракта между РДП и детектором с различной толщиной диэлектрика.

Перечислим основные технологические этапы изготовления тестовых схем. Подробное описание можно найти в работах [35-37].

На кремниевой подложке толщиной 500 мкм формируется буферный стоп-слой Al2O3 толщиной 1000, на котором контактной оптической литографией создается маска из фоторезиста, определяющая топологию будущего нижнего слоя металлизации. По маске формируется трехслойная структура сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (рис. 1.4 а). Типичная толщина слоев: 2000 (нижний слой сверхпроводника) – (металл-оксидный или металл-нитридный барьерный слой) – 1000 (верхний слой сверхпроводника). После этого резист «взрывается» (удаляется в растворителе, в т.ч. в ультразвуковой ванне) вместе с «лишней» металлизацией; трехслойная структура остается только в пределах нижнего слоя топологии микросхемы (М1). Затем в фоторезисте определяется геометрия первого окна туннельных контактов малой площади, а также топология распределенных переходов (первый шаг метода изготовления «крестом»). На остальных участках, не закрытых маской, верхний сверхпроводниковый слой трехслойной структуры полностью удаляется плазмохимическим травлением. Для защиты торцов переходов проводится анодирование (толщина анодного окисла Nb2O5 составляет около 250 ). После этого методом магнетронного распыления осаждается первый слой диэлектрика SiO2 толщиной ~ 2000 (рис. 1.4 б). Резист взрывается в растворителе (ацетон, диметиформамид). После этого снова наносится фоторезист и формируется второе окно для уточнения геометрии переходов малой площади. Проводится ионное травление, при котором удаляются остатки верхнего слоя металлизации трехслойки вблизи областей переходов, а также происходит стравливание первого слоя изоляции до толщины ~ 1500. Еще раз проводится анодизация торцов, наносится второй слой изоляции SiO2, толщиной 2500. Затем методом взрывной фотолитографии формируется верхний слой металлизации («замыкатель»), толщиной 4000 – 6000 (рис. 1.4 в). На последнем этапе осаждается золотое покрытие контактных площадок (для улучшения адгезии используется подслой алюминия).

Рисунок 1.4 – Схематическое изображение основных технологических этапов 1.3.3 Теоретические модели Уравнение синус-Гордона Необычные свойства туннельных контактов сверхпроводник-изоляторсверхпроводник, предсказанные в 1962 г. Б. Джозефсоном [38] очень быстро получили экспериментальное подтверждение и привлекли широкий научный интерес. Вскоре основное уравнение джозефсоновского перехода без учета электромагнитных потерь было получено различными авторами на основе уравнений Максвелла в области перехода (в частности, самим Б. Джозефсоном опубликовано, например, в обзоре 1965 г. [39]):

где двумерный оператор Лапласа по координатам x,y в плоскости туннельного барьера, – фаза сверхпроводящей функции, j - глубина проникновения магнитного поля в джозефсоновский переход, выражение для которой приведено выше в ф. (1.2), со – скорость распространения электромагнитного возмущения в области туннельного контакта (будет обсуждаться подробнее в дальнейшем), где c – скорость света в вакууме, l = d+ 1+ 2 – эффективная магнитная толщина барьера, С – удельная емкость туннельной структуры на единицу площади.

Уравнение (1.3) является нелинейным уравнением в частных производных, поэтому получить общее аналитическое решение не удается. Тем не менее, некоторые граничные случаи можно рассмотреть аналитически, а в остальных – использовать численные методы. Уравнение (1.3) называют уравнением синус-Гордона, по аналогии с уравнением Клейна-Гордона, которое не содержит в правой части нелинейного члена от неизвестной функции.

Традиционно уравнение (1.3) записывают в безразмерных переменных. Для этого сделаем следующую замену:

здесь p – плазменная частота. По аналогии вводятся также нормированные единицы для напряженности электрического поля, магнитного поля и энергии. Уравнение (1.3) принимает следующий вид:

В стационарном случае, когда решение не зависит от времени, уравнение (1.3) переходит в уравнение Феррела-Прейнджа [40] Это уравнение имеет два важных решения: в приближении слабого внешнего поля изменение фазы в переходе мало и можно в (1.7) заменить sin ~. При этом решение дает экспоненциальное спадание поля в переходе.

При сильных внешних полях в переход проникают сверхпроводящие вихри, содержащие квант магнитного потока (джозефсоновские вихри), и одно из решений имеет вид Вид функций 0(x), d0/dx ~ H(x) и d20/dx2 ~ jS приведен на рис. 1.5 по [26].

Отметим, что Нmax = Hc1 ~1,6 Hc1, где Hc1 – поле, при котором начинается проникновение вихрей в переход.

Рисунок 1.5 – Распределение а) разности фаз, б) магнитного поля и в) сверхтока Видно, что вихрь локализован в области порядка 2 j, при этом в области вихря фаза сверхпроводящей функции меняется на 2 (так называемый «кинк»).

Если рассмотреть решения уравнения синус-Гордона (1.6), зависящие от разности x-t =, где =v/co, v – скорость движения вихря, то после дополнительной замены переменных = /(1- 2)1/2 можно свести уравнение синус-Гордона к уравнению ФеррелаПрейнджа [41]. Раскрывая переменные после замены и подставляя в решение (1.9) получим Здесь 0 = 0 для x, 0 = 2 при x - и решение соответствует движению солитона в (бесконечном) переходе. Соответственно, выражение для напряженности электрического и магнитного полей:

Решения уравнения синус-Гордона для случая согласованного движения цепочки вихрей обычно получают численно. При численном решении можно учесть потери в диэлектрике барьерного слоя и в электродах джозефсоновского контакта, а также распределение тока смещения. Уравнение (1.6) с учетом потерь и протекающего через переход тока смещения называется возмущенным уравнением синус-Гордона. В одномерном случае c учетом граничных условий на краях длинного перехода его можно записать [42] в виде:

Здесь безразмерные параметры = G/pC’ и = pL’/RS (L’ и C’ – удельные индуктивность и емкость перехода) отвечают соответственно за квазичастичные потери в диэлектрике и поверхностные потери в электродах перехода, а член (x) представляет плотность тока смещения вдоль перехода, нормированную на плотность критического тока перехода. Ге – нормированная величина внешнего магнитного поля на краях перехода, RLoad – импеданс нагрузки, подключенной к выходному концу перехода, нормированный на характеристический импеданс перехода Уравнение синус-Гордона позволяет исследовать динамику распространения вихрей в переходе, а также, при усреднении по времени и координате, позволяет получить вольт-амперные характеристики переходов, близкие к наблюдаемым экспериментально [42-44].

Скорость распространения электромагнитных возмущений (скорость Свайхарта) Остановимся немного подробнее на скорости распространения электромагнитных волн в распределенном джозефсоновском переходе, поскольку эта величина определяет характеристики геометрических резонансов в переходе.

Хотя уравнение синус-Гордона получено с учетом электродинамических свойств джозефсоновского перехода и является достаточно общим, в практических численных расчетах неизбежно пренебрегают топологией контакта, используя только удельные значения емкости и индуктивности туннельного контакта. При этом для скорости распространения электродинамического возмущения получается выражение вида (1.4).

В работе Дж. Свайхарта 1961 г. (еще до предсказания эффекта Джозефсона) [46] проведен анализ характера распространения электромагнитного излучения в сверхпроводниковой микрополосковой линии. На основе уравнения Лондона, двухжидкостной модели Казимира, в приближении относительно низких частот («локальный предел» - нормальный скин-эффект для несверхпроводящих электронов), а также пренебрегая потерями в сверхпроводнике было получено, в том числе, выражение для скорости распространения э.-м. волны в таком волноводе где с – скорость света в вакууме, – диэлектрическая проницаемость изолятора, di – толщина слоя изолятора, l – толщина магнитного зазора, определяющаяся выражением:

di – толщина изолятора, d1,2 – толщины верхней и нижней сверхпроводящих пленок, 1,2 – глубина проникновения магнитного поля, соответственно в верхний и нижний сверхпроводник.

Работа [46] получила широкую известность, из-за чего не только величину (1.14), но и вообще скорость распространения электромагнитных волн в распределенных переходах часто называют скоростью Свайхарта.

Технологически сложно изготовить качественный распределенный джозефсоновский переход, у которого верхний и нижний электрод перекрывались бы только в области туннельного контакта. Из-за этого обычно РДП представляет собой три сверхпроводниковые микрополосковые линии, идущие параллельно (см. рис. 1.6). В центральной области толщина диэлектрика d1 составляет 10-20 – это область туннельного барьера с диэлектрической проницаемостью 1, а по краям толщина диэлектрика d2 cоставляет тысячи ангстрем (~ 2000 в наших экспериментальных структурах) и диэл. проницаемость 2. В работе Ли и Барфкнехта [47] для таких линий передачи показано, что скорость распространения колебаний на низких частотах определяется, в основном, отношением ширины областей с различной толщиной диэлектрика W1 и W2:

где W1, W2 - ширина соответствующих областей, d1, d2 – толщина диэлектрика, 1, 2 – диэлектрическая проницаемость, l1 и l2 – эффективный магнитный зазор, вычисляемый по формуле, аналогичной (1.15), но с учетом частотной зависимости глубины проникновения 1,2().

На высоких частотах зависимость волнового вектора от частоты для неоднородной структуры (рис. 1.6) определяется одновременным выполнением следующих уравнений:

где k1 и k2 – волновые векторы квази-поперечной моды в областях 1 и соответственно. Данное выражение определяет закон дисперсии волн в распределенном джозефсоновском переходе. Резонансное условие для стоячих волн в резонаторе перехода (ступени Фиске), обычно записывается как где Vn – напряжение смещения соответствующее n-ой ступени, n – номер ступени (целое число), fn – резонансная частота n-ой ступени, L – длина перехода. Наличие геометрической дисперсии приводит к тому, что выражение (1.18) становится частотно зависимым – с ростом напряжения расстояние между ступенями Фиске уменьшается.

Рисунок 1.6 – Схема джозефсоновской линии передачи из [47] (а - вид сверху, b - в В заключении раздела отметим, что на практике значения скорости, вычисленные по ф. (1.4), (1.14) и (1.16) довольно близки и примерно в 40 раз меньше скорости света в вакууме.

Ограничения модели синус-Гордона Уравнение синус-Гордона в качестве неизвестной функции содержит только фазу сверхпроводящей функции, поэтому эффекты, приводящие к изменению концентрации сверхпроводящих носителей в явном виде не учитываются. Важнейшими из таких распределенном переходе), изменение температуры распределенного джозефсоновского перехода (даже вдали от критической температуры), а также взаимодействие с излучением, энергия кванта (частота) которого превышает энергию сверхпроводящей щели в электроде перехода. В практических расчетах вводят частотно-зависимые параметры затухания и в возмущенном уравнении синус-Гордона (1.12), которые отвечают за потери в переходе (ток утечки) и поверхностные потери в электродах РДП соответственно.

Кроме того, для полного описания параметров переходов необходимо учитывать электродинамическое окружение РДП (параметры сопряженной микрополосковой линии, наличие нагрузки и отраженной от нее волны), а для этого требуется одновременно решать трехмерную электродинамическую задачу и двумерное уравнение синус-Гордона, что сопряжено со значительными вычислительными сложностями. Такое моделирование проводилось, в частности, Хапаевым и Куприяновым – в работах [48-49] ими были исследованы профили растекания тока вблизи области распределенного джозефсоновского перехода.

Влияние флуктуаций на ширину линии излучения РДП Одной из важнейших характеристик гетеродина является спектральная плотность мощности фазовых шумов. Теоретически и экспериментально показано, что спектральная форма линии генерации распределенных джозефсоновских переходов имеет лоренцевскую форму с полушириной от сотен килогерц до десятков мегагерц [58, 59].

Лоренцевский спектр и сравнительно большая ширина линии усложняют процесс внедрения РДП в приемниках высокого разрешения и интерферометрах со сверхдлинной базой, исследование возможностей уменьшения ширины линии генерации РДП являлось одной из основных задач данной работы.

Теоретический анализ, проведенный различными авторами и обобщенный в [50, 51] для сосредоточенного контакта позволяет получить, в частности, следующее выражение для ширины автономной линии излучения:

где f – ширина линии генерации, SI(0) – низкочастотная плотность флуктуаций тока, Rd = dV/dI – дифференциальное сопротивление перехода (V и I – средние по времени ток и напряжение на переходе). Для туннельных контактов выражение для SI(0) можно записать в следующем виде:

IS и IN - сверхпроводящая и нормальная компоненты тока.

В частном случае «чистых» контактов при больших напряжениях ф. (1.20) можно свести к выражению которое можно трактовать как дробовой шум потоков «нормальных» электронов с зарядом е и куперовских пар с зарядом 2е, хотя эта аналогия и не вполне корректна в общем случае.

Попытка применить выражение (1.19) непосредственно для распределенных переходов приводит к значительному отклонению от экспериментальных данных [64]. В работе А.Л. Панкратова [52] было показано теоретически, а в опубликованной практически одновременно статье В.П. Кошельца и др. [53] - экспериментально, что при рассмотрении дифференциального сопротивления распределенного джозефсоновского перехода в (1.19) нельзя пренебрегать зависимостью напряжения на переходе от внешнего магнитного поля, а, следовательно, от тока задающего это магнитное поле. Следующее выражение (1.22) с одним подгоночным коэффициентом К, величина которого зависит от конструкции конкретного перехода и определяется эмпирически, позволяет получить хорошее согласование с экспериментом [53]:

где RdB и RdCL – дифференциальное сопротивление РДП соответственно по току смещения и току контрольной линии, задающей магнитное поле.

В теоретической работе [54] предложен другой вариант модификации выражения (1.19) для описания ширины линии РДП с помощью дополнительного постоянного численного множителя, зависящего от типа перехода.

дифференциальные сопротивления RdB и RdCL зачастую связаны линейным соотношением, и в таком случае множитель в (1.23) полностью эквивалентен коэффициенту К в (1.22).

Это также отражает тот факт, что эффект самовоздействия (ток смещения, растекаясь вдоль перехода, вносит вклад в магнитное поле) не позволяет корректно определить Rd по вольт-амперной характеристике.

1.3.4 Практическое внедрение РДП С точки зрения внедрения РДП в качестве гетеродина, пригодного для использования в когерентных приемниках совместно с СИС смесителем, необходимо выделить следующий пионерский цикл работ Нагатсумы, Энпуку и др. [55-58]. В данном цикле была экспериментально продемонстрирована возможность согласования РДП с СИС смесителем посредством емкостной развязки, экспериментально показано, что мощности излучения РДП достаточно для накачки СИС смесителя в диапазоне 100 – 400 ГГц, проведено численное моделирование на базе уравнения синус-Гордона, экспериментально показано, что топология перехода влияет на крутизну вольт-амперных характеристик, а следовательно на ширину линии генерации; исследованы РДП генераторы с тонким верхним электродом (толщина порядка лондоновской глубины) – для них продемонстрирована возможность накачки СИС смесителей, изготовленных непосредственно на поверхности верхнего тонкопленочного электрода перехода за счет «просачивания» СВЧ излучения РДП сквозь верхний электрод.

Дальнейшее развитие концепция интеграции РДП с СИС смесителем получила в работах группы исследователей под рук. проф. В.П. Кошельца [59-66], Были изготовлены образцы приемников с рабочими частотами в диапазоне 400 - 650 ГГц как с волноводной компоновочной схемой [59], так и с квазиоптической [60]; разработан прототип матричного семиэлементного квазиоптического супергетеродинного приемника с РДП генераторами [61]. Исследованы диаграммы направленности линзовых антенн элементов матрицы, шумовая температура приемника в целом. Исследованы шумовые характеристики гетеродина на основе РДП [62], предложена схема стабилизации частоты распределенного джозефсоновского перехода с помощью внешней системы ФАПЧ [63Обнаружена сверхтонкая резонансная структура с периодом ~ 19 нВ на вольтамперной характеристике РДП [65], вызванная образованием акустической стоячей волны в кремниевой подложке микросхемы (объяснение и экспериментальное исследование эффекта выполнено позднее).

В 2003 году началась работа над международным проектом TELIS (Terahertz and Submillimeter Limb Sounder) [A3]. В рамках данного проекта планировалась разработать трехдиапазонный спектрометр для исследования атмосферы в режиме лимбового зондирования с платформы высотного аэростата MIPAS-B (высота подъема до 35 км).

Инструмент TELIS использует общее асферическое зеркало с управляемым наклоном, сигнал с которого разделяется с помощью диплексоров на три измерительных канала:

500 ГГц, 490-630 ГГц, 1.8 ТГц. За разработку каждого канала отвечали различные организации: 500 ГГц (СИС-смеситель) – Appleton Rutherford Laboratories (Англия), 490ГГц (интегральный приемник с РДП) – SRON Netherlands Institute for Space Research (Нидерланды), 1.8 ТГц (болометр на эффекте разогрева электронного газа) – Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt (Германия). Коллектив сотрудников ИРЭ им.

В.А. Котельникова РАН принимал активное участие в разработке, испытаниях и эксплуатации второго частотного канала 490 – 630 ГГц, построенного на базе сверхпроводниковых интегральных микросхем, разработанных и изготовленных в ИРЭ РАН. Первоначально базовая частотная полоса второго канала была выше, в диапазоне 600-650 ГГц, с возможностью расширения диапазона до 500-650 ГГц в случае успешной реализации сверхпроводникового интегрального приемника, но из-за проблем и задержек при проектировании первого частотного канала на 500 ГГц в английской группе, было принято решение о смещении приоритетного диапазона второго канала в область 500 ГГц.

Данная диссертация посвящена исследованиям распределенных джозефсоновских генераторов, которые были выполнены в рамках работ над проектом TELIS. Основные задачи:

• Разработка и исследование интегральных генераторов на основе распределенных джозефсоновских туннельных переходов, характеристики которых удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к гетеродинам для атмосферной спектрометрии (и радиоастрономии) в диапазоне 450 – 650 ГГц.

• Исследование влияния электрофизических и топологических параметров туннельных переходов на спектральные характеристики генерации известных ранее переходов на основе структур Nb-AlOx-Nb. Исследование пределов возможной оптимизации генераторов на таких переходах.

• Исследование новых типов распределенных генераторов на основе материалов с щелевым напряжением, отличным от ниобия, для расширения области применения РДП в качестве интегрального генератора гетеродина. Определение электрофизических параметров переходов нового типа и их спектральных характеристик в субтерагерцовом частотном диапазоне.

Следует отметить, что основные результаты были получены в период с 2004 по 2010 годы, тем не менее, результаты исследований до сих пор остаются актуальными, поскольку новых теоретических и экспериментальных данных за последние годы опубликовано не было.

Примечание: при изложении материала в данной главе автор старался сделать ее методически полезной для студентов, проходящих дипломную практику в ИРЭ им. В.А.

Котельникова РАН.

2.1 Методы подключения образцов Основным объектом экспериментальных исследований являлись тестовые интегральные микросхемы, изготовленные в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (Дмитриевым П.Н. и Филиппенко Л.В.) – см. рис. 2.1. Технология изготовления подробно описана в работах [35-37], а также была кратко изложена в главе 1. Образцы изготавливались на кремниевой подложке толщиной 0,5 мм, размер тестовых схем для исследования РДП – 4,2 х 3 мм, размер тестовых схем интегрального приемника – 4 х 4 мм.

Рисунок 2.1 – Фотографии экспериментальных образцов.

а) Фотография тестовой микросхемы для исследования РДП (инвертированные б) Образец тестовой схемы интегрального приемника с дипольной антенной, Первая проблема, с которой сталкивается любой экспериментатор – обеспечить электрическое подключение образцов к измерительной установке. Выбранный метод должен позволять оперативно заменять образцы и обеспечивать надежное соединение при охлаждении до температур жидкого гелия. При выполнении данной работы применялось четыре метода: прижимной пружинный контакт, проволочный контакт с серебряной пастой, ультразвуковая сварка и крепление методом перевернутого кристалла (англ. flip chip).

Прижимной пружинный контакт Самым традиционным методом подключения является проволочный контакт.

Несмотря на то, что размер контактных площадок микросхемы не превышает 0,5 х 0,5 мм данный метод позволяет довольно быстро, используя только обычный лабораторный микроскоп, установить исследуемый образец в измерительную головку. В качестве материала для контактов обычно используется тонкая проволока из фосфорной бронзы (диаметром 0,1 – 0,2 мм), которая даже при охлаждении до 4 К сохраняет некоторую эластичность.

Фотография держателя образца для исследования вольт-амперных характеристик приведена на рисунке 2.2. Между верхней и нижней деталями головки может быть использована прокладка (из текстолита, пластика и т.п.) Это позволяет упростить процедуру изготовления контактов, а также, в случае необходимости, исследовать образцы, изготовленные на подложках разной толщины (в нашем случае несколько серий микросхем были изготовлены на подложках толщиной 300 мкм; стандартная толщина мкм). Исследуемый образец в такой головке может удерживаться за счет давления проволочных контактов, без дополнительного крепления.

Рисунок 2.2. – Фотография измерительной головки для исследования вольт-амперных Преимущества данного метода - быстрота установки и снятия образцов, многократное использование головки, процедура измерения практически безопасна для образца, не требует специальной подготовки К недостаткам метода можно отнести недостаточную надежность подключения:

механическая деформация игольчатых контактов при охлаждении до криогенных температур может привести к разрыву соединения. Также, в некоторых случаях иголки могут повредить покрытие контактных площадок (особенно при плохой адгезии покрытия). При плотном расположении контактных площадок возможны ошибочные подключения, если минимальный размер площадки составляет менее 0,25-0,3 мм.

Мягкий проволочный контакт При исследовании спектральных характеристик распределенных джозефсоновских переходов использовалась специальная измерительная головка, рис. 2.2. Образец фиксировался на медной подложке с помощью расплавленного воска. Высокочастотный контакт, выполненный из медной фольги, припаянной к микрополосковой линии, выполнял также функцию дополнительного механического прижима образца, а все остальные электрические контакты (по постоянному току) были выполнены из мягкой медной проволоки диаметром 0.1 мм, которая фиксировалась к контактным площадкам микросхемы с помощью капель серебряной краски.

Указанный метод подключения обеспечивает надежное электрическое соединение, но является технически сложным. Если при нанесении серебряной краски капля растекается, необходимо отмывать образец с помощью ацетона и начинать процедуру установки заново.

Рисунок 2.3 – Эскиз держателя образца для измерения спектральных характеристик распределенного джозефсоновского перехода.

Крепление методом перевернутого кристалла Крепление методом перевернутого кристалла (англ. «flip chip») применяется в промышленности при изготовлении (при корпусировании) интегральных схем и других полупроводниковых приборов. В лаборатории указанный метод был применен при исследовании микросхем интегрального приемника при температуре жидкого гелия (Т = 4,2 К). Измерительная головка, предложенная В.П. Кошельцом, показала высокую эффективность. Для подключения образца методом перевернутого кристалла (рис. 2.3 изготавливается специальная печатная плата (1), рисунок дорожек которой соответствует расположению контактных площадок исследуемой микросхемы. На ней закрепляется оправка для позиционирования образца (2). Гнездо для установки образца выполнено с маленьким зазором (0.05 мм с каждой стороны), крепежные отверстия выполняются под плотную посадку. Образец (3) опускается в гнездо лицевой стороной вниз, прямо на контактные площадки. Сверху образец прижимается специальной пластиной с выступом (4). Аккуратным затягиванием крепежных винтов обеспечивается надежный прижим контактных площадок микросхемы к соответствующим площадкам печатной платы. В промышленности после позиционирования устройство обычно припаивается к плате. В нашем случае пайка не используется, т.к. микросхема устанавливается лишь временно.

1 – печатная плата, 2 – прокладка с гнездом под образец (текстолит), 3 – исследуемая микросхема (4 х 4 мм), 4 – прижимная пластина (алюминий).

Рисунок 2.3 – Эскиз конструкции измерительной головки для крепления образца методом Рисунок 2.4 – Фотография измерительной головки для тестирования микросхем Если в качестве заготовки под печатную плату выбран ламинат, фольгированный не медью, а, например, фосфорной бронзой, то кончики дорожек в области контактных площадок можно отслоить и «приподнять» над текстолитом, создав подпружиненный контакт. Это может улучшить надежность подключения. Проводящие дорожки печатной платы электролитически покрываются слоем золота, которое предотвращает появление пленок окислов на контактных площадках.

Недостатком данного метода (для серийного тестирования в лаборатории) можно считать высокие требования, предъявляемые к чистоте при монтаже, т.к. частицы пыли или грязи, попавшие в установочное гнездо, могут не только заблокировать электрический контакт, но привести к расколу подложки из-за неравномерной механической нагрузки при установке образца или охлаждении головки. При использовании других методов подключения механические повреждения образца случаются крайне редко. Рекомендуется внимательно осматривать и при необходимости чистить головку перед установкой следующего образца.

Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка (или бондинг) – метод, применяемый в полупроводниковой промышленности на этапе корпусирования микросхем, когда контактные площадки кристалла соединяются с ножками корпуса.

Авторами этот метод применялся только в тех случаях, когда отобранный образец планировалось использовать длительное время без замены. Соединение выполняется с помощью алюминиевой, золотой или медной проволоки на специальной установке. Игла бондинговой машины может разогреваться и одновременно вибрирует с ультразвуковой частотой, припаивая проволоку к контактным площадкам микросхемы, а затем к контактным площадкам платы смещения. Бондинг повреждает поверхность контактных площадок – на одном и том же месте дважды припаять проволоку обычно не удается.

Поэтому микросхему с помощью бондинга можно переустановить ограниченное число раз (обычно не более двух-трех раз – это определяется площадью контактных площадок).

Выполненное методом ультразвуковой сварки соединение обладает высокой надежностью и высоким качеством.

Перед бондированием исследуемый образец необходимо приклеить к подложке или линзе. Для этого могут применяться воск, цианакрилатный клей, бакелито-фенольный клей БФ-4 или БФ-2, либо специальные эпоксидные смолы.

Рисунок 2.5 – Фотография микросхемы интегрального приемника, подключенной к плате Образец, установленный на воск легче всего демонтировать. Цианакрилатный клей обеспечивает надежное приклеивание образца к большинству материалов, устойчив к термоциклированию и довольно легко растворяется в ацетоне. Клей БФ хорошо растворяется в спирте, его можно применять в том случае, когда воздействие ацетона на образцы не желательно или недопустимо (например, для ВТСП). Специальные эпоксидные смолы (марки Stycast) используются для установки микросхем на линзе в критических приложениях, в частности, в инструментах, предназначенных для запуска на борту спутников и высотных аэростатов. Они могут использоваться и совместно с клеевым соединением для увеличения надежности. При правильном подборе состава эпоксидной смолы соединение является одноразовым и неразборным.

На одном из этапов проекта «ТЕЛИС», связанных с интенсивным тестированием интегральных схем, автором была разработана конструкция приспособления, которое позволяет безопасно снимать образец, закрепленный с помощью цианакрилатного клея на поверхности кремниевой линзы с просветляющим покрытием из парилена. Линзу с таким покрытием нельзя погружать в ацетон полностью, т.к. в этом случае покрытие отслаивается. Эскиз и фотография приспособления приведены на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Приспособление для демонтажа интегральной микросхемы установленной на кремниевой линзе с просветляющим покрытием.

Лицевая сторона линзы с покрытием защищена от попадания ацетона специальной прокладкой из устойчивого к ацетону этилен-пропиленового каучука международное обозначение: EPDM), вулканизированного пероксидами. В ацетон погружается только сторона линзы с образцом, и через некоторое время (от 30 минут до часов) образец отклеивается.

2.2 Измерение на постоянном токе. Фурье спектрометр Вольт-амперные характеристики распределенных джозефсоновских переходов и СИС смесителей исследовались в транспортном сосуде Дьюара с жидким гелием с помощью криогенного зонда («макалки») (рис. 2.7). Поскольку РДП очень чувствителен к изменению магнитного поля, образец помещается в экран из криопермаллоя, и лишь затем погружается в жидкий гелий на штанге измерительного зонда. Штанга соединяется В.А. Котельникова РАН) источником питания. Источник питания имеет аналоговые выходы с предусилителями по каналам тока и напряжения, и аналоговый вход управления разверткой. Для автоматизации процесса измерения используется персональный компьютер под управлением Microsoft Windows, оснащенный измерительной PCI-картой производства National Instruments, и программный пакет IRTECON (“Integrated Receiver Test and Control”) разработанный с.н.с. Ермаковым А.Б. (несколько устаревшие сведения о системе опубликованы в [67]). Сигнал с выходных каналов источника подается по коаксиальному кабелю на коммутатор, а далее, по специальному шлейфу из комплекта измерительной платы, на вход 16-битных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) измерительной карты. Сигнал управления разверткой формируется с помощью 12-битного или 16-битного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Скорость измерения может достигать 1000 точек в секунду по одному каналу (при использовании внутреннего буфера карты), что позволяет не только быстро выполнять измерения, но и использовать дискретное преобразование Фурье для контроля спектра низкочастотных шумов и наводок по цепям питания (50 Гц и гармоники). В медленном режиме измерения используются низкочастотные фильтры каналов задания тока с верхней частотой 150 Гц.

Рисунок 2.7 – Общая схема установки для измерения вольт-амперных характеристик в 4-проводная схема подключения образца.

Источник тока находится на значительном удалении от образца, поэтому сопротивление соединительных проводов сравнимо или даже больше, чем сопротивление исследуемых устройств (сопротивление СИС перехода в нормальном состоянии составляет RnСИС ~ 20 Ом, RnРДП ~ 0,01 Ом). Для того, чтобы корректно измерить падение напряжения на устройстве, используется четырехпроводная схема подключения тестовых образцов. Такая схема позволяет устранить вклад падения напряжения на измерительных проводах, вызванный протеканием тока смещения.

Схема подключения тестового образца, предназначенного для исследования спектральных характеристик РДП, приведена на рис. 2.8. Показано, что на интегральной микросхеме нижний электрод («минус») РДП и СИС смесителя – общие, а в верхнем используется разрыв по постоянному току, обеспечивающий емкостную связь только на высокой частоте. Линия, задающая магнитное поле РДП физически на микросхеме может быть выполнена как отдельная дорожка, проходящая рядом с переходом, но для задания поля может быть использован и нижний электрод распределенного перехода. При измерении вольт-амперной характеристики использовалась головка с проволочными контактами.

При проведении криогенных измерений приток тепла к образцу по внешним цепям (питания и СВЧ) может иметь большое значение (особенно при проведении исследований в вакуумных заливных криостатах) [68]. Использование четырехпроводной схемы подключения позволяет получить дополнительный выигрыш за счет использования проводов с низкой теплопроводностью. Так, поскольку напряжение измеряется по отдельной паре проводов, ток через которые (практически) не течет, можно использовать (теплопроводность на два порядка ниже, чем у меди). Для линии задания тока теплопроводности нивелируется джоулевским разогревом. Хорошим компромиссом в данном случае является провод из фосфорной бронзы, теплопроводность которого ниже чем у меди на порядок.

Рисунок 2.8 – Электрическая схема подключения тестовой интегральной микросхемы для измерения вольт-амперной характеристики РДП и СИС смесителя.

Пятиточечная схема подключения.

электростатическому пробою. СИС переходы малой площади, напротив, очень чувствительны к мощным импульсам, вызванным электростатическим разрядом или скачком напряжения питания. При исследовании входной характеристики приемной антенны интегрального приемника с помощью Фурье-спектрометра (в лаборатории Института космических исследований Нидерландов – SRON, г. Гронинген) вопрос о дополнительной защите образцов стал критичным, т.к. несмотря на заземление всех элементов установки, систематически происходил пробой СИС смесителей.

Измерительная система была модернизирована автором для использования пятиточечной схемы подключения СИС переходов, что позволило защитить образцы интегральных схем.

Шестипроводная схема измерений сопротивления штатно поддерживается некоторыми лабораторными мультиметрами (в частности, Keithley) и используется для внутрисхемного измерения сопротивлений, когда исследуемое устройство зашунтировано другими цепями. В нашем случае необходимо было защитить устройство от внешних воздействий. Схема подключения приведена на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – 5-точечная схема подключения образца.

Источник питания подключается к средней точке делителя, образованного сопротивлением R1 (20 Ом) и суммарным сопротивлением R2 (20 Ом) и RСИС. До перехода сверхпроводящем состоянии сопротивление перехода зависит от рабочей точки, для оценки можно взять величину сопротивления на нормальном участке ВАХ, Rn ~ 40 Ом.

Напряжение на СИС переходе измеряется напрямую (выводы 5 и 6), а ток через переход вычисляется по падению напряжения Vsense (вольтметр V1) на сопротивлении R2, включенном в цепь питания последовательно с переходом (выходы 3, 4). Поскольку по проводам 4, 5 ток не течет и падение напряжения на них пренебрежимо мало, в реальной схеме для подключения образца к измерительной установке вместо пары (4, 5) используется только один провод. Этим и объясняется распространенное наименование такой измерительной схемы - пятиточечная схема подключения.

Для защиты перехода и уменьшения влияния внешних высокочастотных наводок была разработана и изготовлена плата низкочастотного двухкаскадного RC-фильтра (рис.

2.10, 2.11). Конструкция аналогичного фильтра была апробирована ранее В.П. Кошельцом для устранения внешних наводок по цепям питания сверхпроводящих образцов с распределенными джозефсоновскими переходами, установленных в вакуумном криостате.

Каждая из сигнальных линий, кроме заземленной шины минуса питания образца и линии задания магнитного поля, защищена низкочастотным RC-фильтром с характерной частотой отсечки порядка 1/RC ~ 104 Гц (на рисунке 2.12 красная и синяя кривые, соответственно для каналов тока и напряжения). Чтобы исключить нагрев резисторов в цепи задания магнитного поля (ток до 100 мА) использован LC фильтр. Параметры подобраны таким образом, чтобы обеспечить частоту отсечки, близкую к 10 кГц.

Дальнейшее снижение частоты среза не желательно, так как, во-первых, это будет ограничивать максимальную частоту измерений в автоматическом режиме (~1 кГц), а во вторых увеличение номиналов сопротивлений приведет к росту температуры платы фильтров и общей тепловой нагрузки на криостат, а также к росту джонсоновского шума.

Рисунок 2.10 – Принципиальная электрическая схема подключения СИС перехода в Рис. 2.11 – Топология трехканальной платы фильтров (для одновременного подключения Рассмотрим влияние фильтра при электростатическом разряде по каналу задания тока. Человек может не почувствовать статический разряд при напряжениях меньше 3 кВ – эта цифра и взята для расчета. Емкость тела человека составляет порядка 150 пФ.

Эквивалентная схема модели для расчета приведена на рис. 2.13.

Рисунок 2.13 – Эквивалентная схема для расчета амплитуды напряжения на образце при В начальный момент времени конденсатор С1 (150 пФ) заряжен до напряжения 3 кВ. Двухпозиционный переключатель SW1 размыкает цепь заряда и подключает конденсатор С1 к цепи питания исследуемого образца. Конденсаторы С2-С4 и резисторы R1-R2 образуют двухкаскадный фильтр низких частот, резисторы R3 и R4 – шунтирующие резисторы пятиточечной схемы подключения, R5 – сопротивление измеряемого образца. Временная диаграмма напряжения на образце (R5) в момент разряда представлена на рис. 2.14 сплошной кривой. Как видно, пиковое напряжение не превышает 100 мВ, что вполне безопасно для СИС переходов площадью до 1 мкм2. В то же время, если на схеме из рис. 2.13 убрать шунтирующий резистор R3 (таким образом, схема сводится к четырехточечной), то, при прочих равных, пиковое напряжение на образце составляет уже 730 мВ (см. рис. 2.14, пунктирная кривая).

Статический разряд по каналу задания тока, когда образец находится в нормальном (не сверхпроводящем) состоянии является наихудшим случаем, при котором напряжение на переходе максимально. Например, в случае пробоя по каналу измерения напряжения, сопротивление R2 в НЧ фильтре (рис. 2.13) составляет 1,2 кОм, и пиковое значение напряжения на переходе понижается почти в 3 раза, до 30 мВ. После охлаждения образца до рабочей температуры его сопротивление уменьшается, что также приводит к уменьшению пикового напряжения на переходе.

Рисунок 2.14 – Зависимость напряжения на переходе при статическом разряде через фильтр (расчет). Напряжение разряда 3 кВ, емкость конденсатора 150 пФ.

Описанная модернизация НЧ-фильтров Фурье-спектрометра позволила полностью решить проблему электростатического пробоя образцов, а также позволяет значительно уменьшить влияние электромагнитных наводок на образец в процессе эксперимента.

2.3 Исследование входного диапазона СИП с помощью спектрометра Фурье Описанные в данном подразделе результаты связаны с исследованиями входной характеристики приемной системы сверхпроводникового интегрального приемника.

Входная характеристика линзовой антенны СИП напрямую не связана с параметрами РДП-гетеродина (см. рис. 2.15). В то же время, рабочие полосы тракта гетеродина и антенны должны совпадать, т.к. в противном случае эффективность работы СИСсмесителя будет низкой (либо работа на этих частотах станет невозможной).

Рисунок 2.15 - Упрощенная блок-схема интегрального приемника. Структурные элементы микросхемы СИП обведены синей штриховой рамкой.

Для проверки характеристики входного тракта СИП микросхема приемника устанавливалась на поверхности кремниевой эллиптической линзы диаметром 14 мм с просветляющим покрытием из Stycast. Конструкция линзы и профиль просветляющего покрытия были разработаны в Институте космических исследований Нидерландов и оптимизированы для центральной частоты 600 ГГц. Юстировка микросхемы на линзе проводилась с помощью специального зажима для линзы с образцом и оптического микроскопа, оснащенного подвижным столиком с точностью установки 1 мкм по координатным осям (x,y). При юстировке необходимо было совместить центр двойной дипольной (или двойной щелевой) антенны на микросхеме с центром линзы с точностью не хуже 5 мкм по каждой координате. После чего образец приклеивался к линзе с помощью цианакрилата или воска. В случае образцов с дипольными антеннами для улучшения диаграммы направленности и эффективности антенны на поверхность линзы приклеивалась также четвертьволновая кремниевая пластинка, позолоченная с одной стороны (back reflector). При тестировании достаточно было установить пластинку отражателя с помощью ацетона, без добавления клеящих материалов. После высыхания ацетона такая конструкция спокойно выдерживала одно-два термоциклирования, необходимые для тестирования микросхемы. В полетных образцах пластинка отражателя приклеивается к микросхеме приемника с помощью цианакрилата.

Образцы, предназначенные для предполетной подготовки электроники и оптики проекта «TELIS» в дальнейшем устанавливались в специальные монтажные блоки и бондировались к плате питания (см. рис. 2.16, конструкция разработана Йоханнесом Дерксеном, SRON, Нидерланды). Указанный монтажный блок помещался внутри двухслойного магнитного экрана (внешний – криопермаллой, внутренний – медный экран покрытый пленкой свинца, переходящей в сверхпроводящее состояние при рабочих температурах).

Крепления для установки образцов и платы питания для тестовых измерений были разработаны автором (рис. 2.17). Поскольку при измерениях на спектрометре Фурье РДП гетеродин не задействован, магнитная экранировка образца не требуется, и держатель может быть достаточно компактным. Благодаря компактным держателям и использованию описанной в предыдущем разделе трехканальной платы фильтров питания, удалось модернизировать криостат Фурье спектрометра для измерения трех образцов в одном термоцикле. Для этого в стандартном криостате HDV-5 (размер холодной пластины – 5 дюймов, или 127 мм) производства Infrared Labs (США) была выполнена трехканальная электрическая разводка, а также изготовлено три оптических окна с инфракрасными фильтрами. Это позволило существенно сократить расход жидкого гелия при тестировании образцов, а также значительно уменьшить общее время тестирования.

Рисунок 2.16 - Фотография монтажного модуля для образца с линзой (вид сзади и спереди, внешний диаметр 36.5 мм). Проект «ТELIS».

Рисунок 2.17 – А) Тестовая головка ФТС криостата, вид спереди (видна кремниевая линза), Б) вид сзади (с платой питания и образцом), В) Общий вид рабочего объема криостата Фурье спектрометра с тремя измерительными головками.

Поскольку охлаждение микросхемы осуществляется, в основном, через кремниевую линзу, для улучшения теплового контакта между линзой и головкой в обеих конструкциях держателей (тестовой и полетной) использовалась прокладка из индиевой фольги. В полетном держателе линза дополнительно поджималась к алюминиевой оправке с помощью подпружиненной шайбы.

Конструкция оптического тракта ТГц Фурье спектрометра Принципиально установка спектрометра Фурье представляет собой интерферометр Майкельсона (рис. 2.18) – излучение от источника падает на полупрозрачный делитель, затем отражается от двух зеркал, снова проходит через полупрозрачный делитель и попадает на детектор (которым является, в данном случаем, сверхпроводниковый интегральный приемник). Одно из зеркал жестко закреплено, второе может перемещаться вдоль хода луча. В Фурье-спектрометре, в отличие от интерферометра Майкельсона, используется не монохроматический источник, а широкополосный источник со сплошным спектром. Разность хода лучей, вызванная перемещением подвижного зеркала, определяет интенсивность сигнала на детекторе. Максимальная амплитуда перемещения и минимальный размер шага подвижного зеркала определяют разрешение и полосу спектрометра. При перемещении подвижного зеркала снимается зависимость тока СИСсмесителя (детектора) в режиме прямого детектирования от координаты зеркала (задается относительно точки с нулевой разностью хода). Далее, вычисляя быстрое преобразование Фурье для полученной кривой и полагая спектральную плотность мощности источника постоянной, мы получаем уже спектральную характеристику исследуемого прибора в относительных единицах (зависимость интенсивности сигнала от частоты). Обычно в спектрометрах Фурье используются широкополосные детекторы, а в процессе измерения в оптический тракт спектрометра вносится исследуемый образец, для которого и требуется получить характеристику поглощения или пропускания в заданном диапазоне.

В нашем же случае используется достаточно узкополосный детектор с двойной дипольной антенной и результатом измерения является аппаратная функция спектрометра.

Рисунок 2.18 – Схема интерферометра Майкельсона.

В качестве источника излучения для спектрометра Фурье в терагерцовом частотном диапазоне могут использоваться, например, ртутные лампы высокого давления или инфракрасные источники, нагреваемые электрическим током (глобары). При выборе ртутной лампы важное значение имеет материал колбы, т.к. не все стекла обладают хорошим пропусканием в ТГц диапазоне и при неправильном выборе интенсивность ТГц излучения будет определяться, в основном, температурой стенки лампы. При проектировании установки в ИРЭ мы использовали глобар производства Newport (Модель 6575), с заводским источником питания, системой установки и юстировки PhotoMax, а также металлизированным зеркалом и системой поворота луча.

В качестве полупрозрачного зеркала в терагерцовом диапазоне часто используются различные полимерные пленки, в частности, майлар (пленка на основе лавсана, показатель преломления n = 1,72). При выборе толщины пленки для делителя луча необходимо учитывать эффекты, связанные с интерференцией волн отраженных от передней и задней границ раздела воздух-пленка. Выполнен расчет относительной интенсивности луча, прошедшего через одно плечо интерферометра (луч один раз отразившийся от делителя луча, затем от зеркала, затем прошедший через полупрозрачный делитель), график зависимости интенсивности от частоты приведен на рис. 2.19 для трех значений толщины пленки: t1 = 120 мкм, t2 = 100 мкм, t3 = 80 мкм. Для центральной частоты f0 = 600 ГГц оптимальная толщина майларовой пленки составляет 80 мкм.

Рисунок 2.19 – Относительная интенсивность прошедшего излучения (расчет) для одного плеча интерферометра с делителем луча из майлара толщиной t1 = 120 мкм, t2 = 100 мкм, t3 = 80 мкм. (Пунктирная линия – с учетом поглощения в пленке).

В спектрометре Фурье Института космических исследований Нидерландов, на котором выполнено большинство исследований по проекту TELIS, подвижное зеркало было соединено с шаговым двигателем, который обеспечивал перемещение с заданным постоянным шагом dx = 40 мкм. Полный ход зеркала составлял Lmax = 16 мм. Эти параметры позволяют обеспечить:

частотный диапазон примерно до 2 ТГц, разрешение спектрометра около 10 ГГц.

Оценить предельные параметры Фурье спектрометра (верхнюю границу частотного диапазона и разрешение) можно по следующим формулам:

где fmax – верхняя частота спектрометра, с – скорость света, dx – шаг подвижного зеркала, f – спектральное разрешение, Lmax – максимальный ход 1 – Криостат, 2 – неподвижное зеркало, 3 – делитель луча, 4 – подвижное зеркало, 5источник излучения с системой поворота луча.

Рисунок 2.20 – Общий вид Фурье-спектрометра, собранного в ИРЭ РАН.

Предельные параметры установленного в ИРЭ линейного шагового двигателя Standa обеспечивают минимальный размер шага dx = 2.5 мкм, максимальный ход каретки:

Lmax = 100 мм. Это позволяет получить Фурье-спектрограмму с разрешением 1.5 ГГц при полосе до 30 ТГц.

Для уменьшения влияния наводок и температурного дрейфа источников питания и детектора используется обтюратор, а сигнал с детектора подается на синхронный усилитель. При измерениях постоянная времени интегрирования синхронного детектора обычно выбиралась равной 1 с. При этом одна спектрограмма измеряется примерно за 400 секунд (400 точек). При необходимости разрешение можно увеличить за счет пропорционального увеличения времени одного измерения.

Экспериментальные результаты С помощью спектрометра Фурье проведена обширная серия экспериментальных исследований образцов СИП в течение всего периода выполнения проекта TELIS.

Проверен ряд новых концепций по проектированию СВЧ приемников с СИС смесителями. Отметим, что исследования на спектрометре Фурье выполнялись не только автором, на различных этапах проекта измерения проводились также С.В. Шитовым и О.В. Корюкиным, А.С. Соболевым а на завершающих этапах также Н.В. Киневым и Л. де Йонгом. Один измерительный цикл обычно проводится за два дня – в первый день выполняется подготовка и монтаж образцов, предварительная откачка и охлаждение криостата жидким азотом, на второй день – охлаждение жидким гелием и собственно измерения. С учетом проведенной автором модернизации криостата можно считать, что на тестирование одного образца в среднем требуется один день.

Разработка СИП для проекта TELIS с интегральным гармоническим смесителем для системы фазовой автоподстройки частоты потребовала проведения серии оптимизаций фотошаблонов для изготовления образцов. При этом изменялись многие элементы СВЧ линий передачи, конструкция смесителей, приемных антенн, конструкция гетеродина, была разработана и внедрена технология изготовления многослойных интегральных схем на основе трехслойных структур Nb-AlN-NbN, а также разработаны шаблоны, в которых предусматривалось изготовление СИС смесителей и РДП из туннельных структур с различной плотностью критического тока. Краткий обзор изменений приведен в Таблице 2.1.

Интенсивные исследования экспериментальных образцов требовались еще и в силу технологических ограничений – микросхемы СИП для TELIS изготавливались с использованием оптической литографии. Поскольку для расширения полосы детектора площадь СИС переходов пришлось уменьшить до 0,8 - 1 мкм2, соблюдение необходимых размеров на микросхеме являлось сложной технологической задачей. Разброс геометрических размеров переходов по подложке (обнаруженный благодаря сравнению спектральных Фурье-характеристик) мог достигать 30% (0,3 мкм). Также между партиями варьировалась плотность критического тока джозефсоновских переходов (т.е. толщина туннельного барьера). Вместе эти эффекты приводили к существенному разбросу емкости детекторов и сильному уходу частотной характеристики детекторов по сравнению с расчетными значениями.

конструкцию СВЧ тракта двойной дипольной антенной (оптимизированный) тип РДП двойной дипольной антенной (как в оптимизирована конструкция 2. Сдвоенный СИС смеситель с согласующих структур между двойной щелевой антенной (как в Nb-AlOx-Nb, Шаблон для отработки новых 1. Сдвоенный СИС смеситель с Nb-AlN-NbN джозефсоновских переходов, Nb-AlN-NbN Изменен промежуточной частоты для сдвоенными детекторами.

конструкцию антенн тестовых компенсации технологических При модернизации и отборе полетных образцов учитывалась не только их входная характеристика, но также параметры РДП, частотные диапазоны согласования РДП и СИС смесителей, равномерность АЧХ тракта промежуточной частоты, шумовая температура.

Технологические требования, предъявляемые к элементам СИП, могут быть противоречивыми – например, плотность критического тока СИС смесителя нужно увеличивать для уменьшения емкости и расширения входной полосы, но при этом увеличиваются фазовые шумы РДП гетеродина, поэтому необходимо искать компромисс.

В качестве иллюстрации, на рис. 2.21 (верхний график) показаны спектральные характеристики трех образцов СИП из одной технологической партии T4m-062, имеющие полностью идентичную топологию двойной дипольной антенны и согласованного с ней двойного СИС смесителя (Ssis ~ 1 мкм2, RnS ~ 30 Ом*мкм2). Все различия в измеренных характеристиках обусловлены технологическими уходами линейных размеров в процессе изготовления микросхем и неоднородностью параметров трехслойной структуры Nb-AlNNbN по подложке.

В данном случае наилучшим выбором является образец T4m-061#01 – его частотная характеристика наилучшим образом соответствует целевым частотам проекта TELIS (см. рис. 2.21, нижний график [69]): во-первых, она охватывает частотный диапазон вблизи 500 ГГц, где содержится большое количество наблюдаемых линий атмосферных газовых примесей; во-вторых, частота кроссовера между диапазонами хорошей чувствительности попадает на 570 ГГц, что соответствует спектральной линии поглощения водяных паров (556 ГГц). Эта линия очень сильная, поэтому на соседних частотах наблюдение невозможно.

В публикациях автора в явном виде спектральная характеристика одного из образцов представлена в [А3], в последующих работах обычно приводился только график шумовой температуры приемника, т.к. последний учитывает как отклик по входу смесителя, так и эффективность преобразования, связанную с уровнем накачки смесителя.

На основании проведенных исследований в качестве основных полетных образцов отобраны микросхемы с двойной дипольной антенной. Рекомендованная плотность критического тока туннельных структур составляет 6-7 кА/см2, площадь СИС переходов – Ssis = 1 мкм2.

Детекторный отклик (отн. ед.) 0. Рисунок 2.21 – Вверху: АЧХ входного тракта образцов СИП серии T4m-062 с двойной дипольной антенной; Внизу: Относительный приоритет спектральных полос для 2.4 Измерение диаграммы направленности линзовых антенн Помимо измерения прямого отклика на спектрометре Фурье для отобранных образцов микросхем сверхпроводникового интегрального приемника проводились также измерения шумовой температуры методом Y-фактор для всех частот гетеродина, а также исследовалась диаграмма направленности интегральной линзовой антенны. Для измерения амплитудной диаграммы направленности в дальней зоне применялась установка, схема которой показана на рис. 2.22. В качестве опорного источника для исследований применялся умножитель частоты на полупроводниковой сверхрешетке (2) с рупорной антенной, запитанный от лабораторного синтезатора (1) с рабочим диапазоном частот до 22 ГГц. Для модуляции сигнала умножителя применялся обтюратор (3).

Криостат с измеряемым образцом (4) устанавливался на наклонно-поворотный стол с шаговыми приводами перемещения; использовалась автоматизированная система управления перемещениями стола, разработанная А. Барышевым. Линза с образцом помещалась в центре вращения, таким образом измеренная диаграмма направленности не должна зависеть от диаграммы направленности источника сигнала (2). Измерения проводились в гетеродинном режиме: с помощью автоматизированной системы управления (5) задавались рабочие точки СИС смесителей и распределенного джозефсоновского перехода, выбирался режим работы системы ФАПЧ РДП. Сигнал в полосе промежуточных частот с СИС смесителя подавался на линейный детектор (6), выходной сигнал которого подавался на синхронный усилитель (7), а затем считывался управляющей программой.

1 – СВЧ генератор, 2 – гармонический умножитель, 3 – обтюратор, 4 – криостат на наклонно-поворотном столике, 5- блок питания СИП с системой ФАПЧ, 6 – детектор, Рисунок 2.22 – Схема установки для измерения диаграммы направленности.

позиционирование источника сигнала по отношению к плоскости образца осуществлялось с помощью двух твердотельных лазеров с угловой точностью 0.2.

дипольной антенной на частоте 625 ГГц приведены на рис. 2.23 [А7]. Под вертикальным соответствует вращению вокруг вертикальной оси. Диаграмма симметричная, уровень боковых лепестков не превышает -17 dB. Ширина главного максимума на половине высоты составляет 3. На рисунке 2.25 приведена также теоретически расчитанная кривая, полученная с помощью вычислительного пакета PILRAP (расчет выполнен П.А.

Ягубовым).