Детекторные характеристики YBa2Cu3O7-x бикристаллических джозефсоновских переходов с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот

В последние годы наблюдается значительный прогресс в исследовании свойств материалов и создании источников излучения в терагерцовой области частот. Спектр применений терагерцовых технологий довольно обширен и включает в себя как прикладные, так и фундаментальные задачи. Например, исследование характеристик полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [1,2], терагерцовую томографию [3], исследование поведения сложных биологических молекул, анализ генов без применения меток [4,5] и многое другое. Несмотря на отсутствие устоявшегося определения, что свидетельствует о продолжающемся развитии этой области науки, терагерцовой чаще всего считается область частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц [6], лежащая между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот.

С исторической области зрения одной из первых областей применения детекторов терагерцового излучения является радиоастрономия [7]. Интерес радиоастрономов к этому диапазону частот во многом обусловлен тем, что примерно половина светимости галактик и 98% фотонов, излученных с момента большого взрыва, попадает в субмиллиметровый, терагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны частот [8]. Большая часть этой энергии приходится на излучение межзвездного газа. Терагерцовый диапазон частот также используется в атмосферной физике для изучения верхних слоев атмосферы [9]. Многие легкие молекулы, такие как вода, монооксид углерода, озон и монооксид хлора имеют вращательные уровни энергии в терагерцовой области частот. Поэтому терагерцовая спектроскопия используется, например, при исследовании состояния озонового слоя и для мониторинга веществ, вовлеченных в процесс разрушения озонового слоя, таких как монооксид хлора. Недавно было показано, что сложные биологические молекулы ДНК, РНК, а также различные виды белков имеют спектры поглощения в терагерцовой области частот [10,11]. Считается, что поглощение происходит при взаимодействии терагерцового излучения с фононными модами биоматериалов [12]. Данный эффект может быть использован для детектирования и идентификации биологических веществ, аналогично спектральному анализу. Значительный прогресс в технологии изготовления микроэлектронных устройств на настоящий момент времени привел к созданию прототипов элементной базы способных работать на частотах до 600 ГГц [13,14], что делает возможным в будущем создание электронных устройств, работающих в субтерагерцовом и терагерцовом диапазоне частот, в частности для нужд телекоммуникационных систем. Серьезным препятствием на пути развития терагерцовой микроэлектроники является отсутствие методик характеризации микроэлектронных устройств на столь высоких частотах, поэтому оценки их быстродействия, как правило, являются теоретическими. Поглощение в атмосфере сильно ограничивает использование терагерцового диапазона частот в наземных радарных и телекоммуникационных системах, однако он может быть использован вне земной атмосферы для увеличения емкости каналов межспутниковой связи [15].

Для исследования спектрального состава излучения, свойств веществ и характеристик электронных приборов необходимы инструменты, способные осуществлять спектральный анализ в терагерцовом диапазоне частот. На настоящий момент времени существует несколько методик спектрального анализа в терагерцовой области частот. В первую очередь это Фурье-спектроскопия. Универсальность этой методики позволяет использовать ее в широчайшем диапазоне частот. Однако в терагерцовой области частот Фурьеспектроскопия сталкивается с рядом трудностей. В первую очередь, это увеличение длины оптического пути и связанные с этим дифракционные потери, так как размеры спектрометра должны быть много больше длины волны излучения. Низкая спектральная плотность мощности традиционных источников излучения, таких как дуговые лампы и SiC глобары вынуждает использовать детекторы, работающие при температуре кипения жидкого гелия или еще более низких температурах. Также большую проблему представляет изготовление делителя пучка, способного работать в широком диапазоне частот. Так как принцип действия Фурье-спектроскопии основывается на изменении длины оптического пути одного из плеч интерферометра при помощи механического передвижения зеркала, то увеличение длины волны излучения сильно ухудшает быстродействие данной спектроскопической методики. Однако, несмотря на эти трудности, большой интерес к терагерцовой области частот привел к появлению коммерческих Фурье-спектрометров, способных работать в данной области частот. Спектральный диапазон таких Фурье-спектрометров обычно составляет 5 см'1 -55 000 см" 1, спектральное разрешение — 0,1 см" 1, динамический диапазон по мощности порядка 105 [16]. Другой распространенной спектроскопической методикой является гетеродинный прием на основе смешения сигнала с излучением монохроматического генератора и выделение разностной частоты. Коммерческие спектрометры, использующие эту методику, обычно работают на частотах до 300 ГГц [17]. Основной трудностью препятствующей распространению методики гетеродинного спектрального анализа на терагерцовую область частот является резкое падение мощности твердотельных и вакуумных генераторов излучения с увеличением их частоты, а также малая эффективность умножителей частоты и смесителей в терагерцовой области частот. Несмотря не то, что в настоящее время известны лабораторные макеты твердотельных генераторов микроволнового излучения с предельной частотой до 2,7 ТГц [18], коммерческие широкополосные гетеродинные спектрометры для терагерцового диапазона частот до сих пор недоступны. Более удачной методикой для спектрального анализа в терагерцовой области частот оказалась бурно развивающаяся импульсная терагерцовая спектроскопия («Terahertz time-domain spectroscopy») [19,20]. В данной спектроскопической методике генерация терагерцового излучения происходит при взаимодействии лазерных импульсов фемтосекундной длительности с полупроводниковой (GaAs, InP) мишенью или с нелинейными оптическими кристаллами (ZnTe, GaSe, LiNbCb). Проходящий или отраженный от исследуемого материала импульс попадает на детектор, управляемый фемтосекундными лазерными импульсами с заданной задержкой относительно терагерцового импульса. Значение сигнала, снимаемого с детектора пропорционально временной свертке лазерного и терагерцового импульсов. Сканируя время задержки можно вычислить зависимость спектр отраженного терагерцового импульса. К достоинствам импульсной терагерцовой спектроскопии можно отнести то, что она позволяет измерять как действительную, так и мнимую часть показателя преломления исследуемого материала. В настоящее время уже появились первые коммерческие импульсные терагерцовые спектрометры, спектральный диапазон которых составляет 40 ГГц- 4 ТГц, спектральное разрешение — 3 ГГц, динамический диапазон по мощности — 105 [21]. Получения одного спектра в таких системах обычно занимает время порядка 1 минуты. К недостаткам данной методики можно отнести невозможность спектрального анализа внешних источников излучения, относительно большое время сканирования спектра из-за наличия механической линии задержки, а также трудности с характеризацией субмиллиметровых объектов из-за относительно большой величины длины волны терагерцового излучения.

Также существуют различные терагерцовые спектроскопические методики, использующие явление сверхпроводимости. Для детектирования миллиметрового и субмиллиметрового излучения часто применяют сверхпроводниковые устройства на основе эффекта Джозефсона. При этом, джозефсоновский переход в роли преобразователя вниз с самонакачкой и джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме фактически представляют собой готовые миниатюрные электрически управляемые спектроанализаторы, не требующие дополнительного спектроскопического оборудования [22−25]. Стоит упомянуть и спектроскопическую методику на основе комбинации джозефсоновского перехода, используемого как узкополосный генератор терагерцового излучения, и высокочувствительного болометрического детектора [26]. Малые размеры таких сверхпроводящих спектроскопических систем, а также появление в последнее время относительно дешевых криокулеров с большим сроком службы, делают их перспективными для применения в областях где вес и размеры прибора играют решающую роль, например, на борту летательных аппаратов, на орбитальных спутниках, межпланетных космических станциях.

Для спектрального анализа излучения терагерцового диапазона с произвольным спектром более предпочтителен джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме, так как смеситель вниз с самонакачкой плохо принимает квазимонохроматические сигналы [27]. Было показано, что спектр внешнего сигнала может быть восстановлен из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода при помощи интегрального преобразования Гильберта [28]. Соответственно спектроскопическая методика восстановления спектра внешнего сигнала из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода получила название Гильберт-спектроскопия. К преимуществам Гильберт-спектрометра можно отнести отсутствие механических частей, высокое быстродействие детектора, малые размеры. Первые джозефсоновские переходы были сделаны из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), что ограничивало область их применения миллиметровой областью длин волн. Однако открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с большими значениями энергетической щели и разработка технологии изготовления высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП позволило продвинуть рабочую область джозефсоновского частотно-селективного детектора в терагерцовый диапазон частот, а также перейти к более дешевому азотному охлаждению детектора или охлаждению при помощи криокулера, что значительно удешевляет стоимость обслуживания Гильберт-спектрометра. Показано, что спектральный диапазон Гильберт-спектрометра на основе бикристаллического джозефсоновского перехода из УВа2Сиз07х составляет 5 ГГц — 5 ТГц, а спектральное разрешение порядка 1 — 3 ГГц [29]. На частоте 100 ГГц для частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода из УВагСиз07. х были получены значения мощности эквивалентной шуму 10″ 14 Вт/Гц½ и динамического диапазона по мощности 105 при температуре 80 К [30].

Развитие терагерцовых технология во многом сдерживалось отсутствием недорогих мощных источников терагерцового излучения. Фактически, до недавнего времени перечень доступных источников терагерцового излучения ограничивался маломощными (<100 мкВт) генераторами на основе ламп обратной волны или эффекта Ганна в сочетании с умножителями на основе диодов Шоттки и относительно мощными (-100 мВт), но неперестраиваемыми газовыми лазерами, а также неперестраиваемыми генераторами, использующими принцип преобразования вниз [6]. Однако, в последнее время появились новые источники терагерцового излучения такие как лазер на свободных электронах [31], широкополосные импульсные источники на основе эффекта фотопроводимости или на эффекте накачки нелинейных электрооптических кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами [19,20], квантовые каскадные лазеры [32], переходное излучение релятивистских электронных пучков [33]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения накладывает определенные требования на характеристики детектора. В первую очередь это малое время отклика. Высокая частота повторения импульсов некоторых мощных источников широкополосного терагерцового излучения позволяет проводить быстрый спектральный анализ, в частности, изучать переходные процессы при взаимодействии терагерцового изучения с исследуемым объектом, но реализация этой возможности требует высокой скорости сканирования спектра и большого динамического диапазона детектора.

Ясно, что из-за наличия механических частей ни Фурье-спектроскопия, ни импульсная терагерцовая спектроскопия не могут использоваться для быстрого спектрального анализа. Гетеродинные спектрометры удовлетворяют всем требованиям быстрого спектроанализатора и к тому же имеют высокое спектральное разрешение, однако в настоящее время их спектральный диапазон ограничен субтерагерцовыми частотами (300 ГГц для коммерческих гетеродинных спектроанализаторах, использующих внешние смесители). Таким образом, учитывая приведенные выше характеристики спектроскопических методик, Гильберт-спектроскопия является на сегодняшний день пожалуй единственной спектрометрической методикой, способной осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения.

Все вышесказанное определяет интерес к исследованию характеристик Гильберт-спектрометров на основе УВагСизО?.* джозефсоновских переходов в терагерцовой области частот. Известно, что минимум эквивалентной шумовой мощности частотно-селективного детектора лежит в области частот, соответствующих напряжению на джозефсоновском переходе равному 0,9 Vc, где Vc = IcRn — величина характерного напряжения перехода, 1С и R" - критический ток и сопротивление джозефсоновского перехода в нормальном состоянии, соответственно [30]. Таким образом, для частотно-селективного детектирования в терагерцовой области частот предпочтительны джозефсоновские переходы с высокими значениями характерного напряжения. Несмотря на высокие значения энергетической щели в высокотемпературных сверхпроводниках, до недавнего времени характерные напряжения джозефсоновских переходов из ВТСП не превышали 2 — 3 мВ при температуре 4,2 К. Максимальные значения характерного напряжения были достигнуты для бикристаллических переходов, получающихся напылением тонкой пленки из ВТСП с вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку. Недавно были получены бикристаллические переходы с взаимнонаклоненными осями [001], которые обладают рекордными значениями характерных напряжений до 8 мВ при температуре 4,2 К [34−36]. Благодаря высоким значениям характерного напряжения использование нового типа бикристаллических переходов в Гильберт-спектроскопии представляется перспективным как с точки зрения повышения чувствительности, так и для увеличения спектрального диапазона детектора. Однако в настоящее время известны лишь предварительные данные о средних характеристиках бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001]. Поэтому исследование параметров этого типа переходов и их детекторных характеристик представляет большой интерес. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электрических и низкочастотных шумовых параметров УВагСиз07. х бикристаллических джозефсоновских переходов взаимнонаклоненными осями [001] и изучению их детекторных характеристик в терагерцовой области частот.

Диссертационная работа состоит из введения и 6 главсодержит 160 страниц, 43 рисунка, 7 таблиц и список ссылок из 138 пунктов.

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны экспериментальные установки для исследования электрических, низкочастотных шумовых и детекторных характеристик тонкопленочных бикристаллических переходов в интервале температур 7 + 90 К при напряжениях смещения на переходе до 20 мВ. Входные шумы напряжения криогенного усилителя постоянного напряжения экспериментальной установки для исследования шумовых характеристик составили 2,3−10″ 10 В/Гц½, а коэффициент нелинейных искажений был меньше 10″ 4 при напряжениях на переходе до 10 мВ. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик позволяла исследовать характеристики переходов в частотном диапазоне 0,5 — 5 ТГц и в диапазоне мощностей, изменяемом на 45 дБ.

2. Впервые исследованы низкочастотные шумовые характеристики УВагСизСЬ-х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] и их связь с транспортными характеристиками перехода. Обнаружено, что спектральная плотность мощности низкочастотных флуктуаций напряжения Sy (f) имеет вид 1/f с, а = 0,7−1,0 в диапазоне частот 100 Гц — 25,6 кГц.

3. Разработана технология низкотемпературного отжига УВа2Сиз07. х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] в атмосфере озона, активированного ультрафиолетовым излучением, которая позволяет повышать проводимость и снижать низкочастотные шумы УВа2Сиз07-х бикристаллических переходов без ухудшения характерного напряжения. Изменения электрических характеристик бикристаллических переходов вследствие отжига могут быть объяснены уменьшением толщины барьера перехода из-за повышения концентрации кислорода в области бикристаллического шва.

4. Обнаружено, что после отжига вольт-амперные характеристики исследовавшихся переходов при температурах выше 50 К с точностью до долей процента описывается резистивной моделью джозефсоновского перехода, что существенно упрощает оптимизацию параметров детекторов и спектрометров на основе этих переходов.

5. На основе модели, в которой причиной избыточного шума являются флуктуации критического тока 81с и флуктуации сопротивления перехода 8R", показано, что в отожженных переходах с наклонными осями [001] флуктуации 81с и 8R" полностью коррелированны, а их нормированные спектральные плотности равны, что позволяет сделать вывод о том, что механизмом транспорта сверхтока и квазичастиц является прямое туннелирование через одни и те же места барьера.

6. В рамках резистивной модели с учетом тепловых флуктуаций получена формула, связывающая величину скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного джозефсоновского детектора с относительной ошибкой измерения положения и амплитуды нечетно-симметричного резонанса, вызванного взаимодействием внешнего монохроматического излучения с джозефсоновской генерацией. Показано, что если относительная ошибка измерения положения и амплитуды частотно-селективного отклика не превышает 10*, а спектральное разрешение равно 1 ГГц, то можно достичь предельной скорости сканирования спектра.

9,2−103 ТГц/сек.

7. Проведен численный расчет величины верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора и предложен соответствующий критерий, согласующийся с численным расчетом. Согласно этому критерию величина динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе YBa2Cu307. x бикристаллического перехода с наклонными осями [001] с сопротивлением 1 Ом варьируется от 56 до 62 дБ в терагерцовой области частот.

8. Впервые экспериментально исследован полный набор детекторных характеристик УВа2Сиз07. х бикристаллических переходов с наклонными осями [001]. На частоте 0,7 ТГц в диапазоне температур 53 — 75 К достигнуты значения вольт-ваттной чувствительности, NEP и динамического диапазона по мощности, равные (7±2)-104 В/Вт, (2,6±0,8)-10*13 Вт/Гц½ и 47±3 дБ, соответственно.

9. Экспериментально показано, что измеренные величины вольт-ваттной чувствительности и верхней границы динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора на основе УВагСиз07. х бикристаллических переходов с наклонными осями [001] с точность до ошибки эксперимента соответствовали предложенным теоретическим оценкам, базирующимся на резистивной модели. Таким образом, можно ожидать, что при более высоких частотах модуляции внешнего излучения или при использовании импульсных источников излучения, уже при азотных температурах детектора можно достигнуть предельные значения NEP около 5−10″ 15 Вт/Гц½ и динамического диапазона около 60 дБ.

10, Экспериментально подтверждено, что бикристаллические переходы с наклонными осями [001] имеют лучшие детекторные характеристики в терагерцовой области частот, чем бикристаллические переходы с вертикальными осями [001].

11. Продемонстрирована возможность использования бикристаллических переходов с наклонными осями [001] для терагерцовой Гильберт-спектроскопии полихроматического излучения газового лазера. Показано, что с помощью исследовавшихся переходов возможно измерение спектров в области частот до 3 ТГц за время 2 сек.