Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах

Изучение межзвездного пространства происходит на основании изучения электромагнитного излучения, и сверхпроводниковые детекторы играют ключевую роль в исследовании проблем астрономии и космологии, позволяя создавать приемные устройства с рекордными параметрами. Важнейшими свойствами сверхпроводниковых детекторов являются высокая нелинейность сверхпроводниковых элементов, возможность создания массива приемных элементов, возможность интеграции большого числа элементов в одну схему и предельно низкие собственные шумы. В настоящее время в миллиметровом (длины волн от 1 мм до 10 мм) и субмиллиметровом (длины волн от 0.1 мм до 1 мм) диапазоне длин волн сверхпроводниковые детекторы играют важнейшую роль. Проведение радиоастрономических наблюдений с поверхности Земли ограничивается существенным поглощением терагерцового излучения в атмосфере, в основном парами воды. По этой причине радиотелескопы субмиллиметрового диапазона располагаются на значительной высоте или устанавливаются на борту высотных зондов, исследовательских самолетов и спутников. Актуальной задачей является создание компактных и высокочувствительных детекторов в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Целевыми параметрами детекторов является мощность эквивалентной шуму (МЭШ) на уровне Ю" 20 Вт/Гцш в диапазоне 40−500 мкм для 100×100 элементов решетки болометров при температурах менее 100 мК [1], [2], [3]. Параметры существующих детекторов недостаточны для решения этой практической задачи. Таким образом, актуальность настоящей работы заключается в разработке чувствительного детектора субмиллиметрового диапазона длин волн. Анализ показывает, что предложенная нами концепция болометра на холодных электронах (БХЭ) с сильной электротермической обратной связью может стать лидирующей концепцией в этом развитии.

Интерес к криогенным болометрам в качестве систем некогерентного приема субмиллиметрового диапазона длин волн обусловлен высокой.

1Я 1/9 чувствительностью (МЭШ 10″ Вт/Гц"), широким диапазоном рабочих частот и отсутствием принципиальных ограничений при использовании в терагерцовом диапазоне. Значительный прогресс достигнут в разработке болометра на основе перехода из сверхпроводящего в резистивное состояние (БКП), однако его чувствительность ограничена избыточными шумами и перегревом токами электротермической обратной связи, задающими рабочую точку устройства. Параметры болометра на горячих электронах с андреевским отражением (АБГЭ) ограничены величиной энергетической щели сверхпроводящего материала. Конструкция болометра на холодных электронах (БХЭ), разработанного в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН совместно с Чалмерским технологическим университетом, является развитием идеи АБГЭ с дополнительным прямым электронным охлаждением и заменой «андреевских контактов» (сверхпроводник — нормальный металл) туннельными СИН переходами (сверхпроводник — изолятор — нормальный металл) [4]. Концепция БХЭ обладает целым рядом преимуществ, наиболее важным из которых является возможность электронного охлаждения, приводящего к возрастанию 4 отклика по сигналу и существенному снижению электронных шумов. Конструкция БХЭ позволяет избежать дополнительного теплового перегрева абсорбера (главной проблемы БКП) и заменяет его прямым электронным охлаждением, что является поворотным пунктом в реализации современных сверхчувствительных детекторов. Такое охлаждение может оказаться особенно важным при реализации в присутствии реальной тепловой фоновой нагрузки.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка сверхчувствительных криогенных болометров на холодных электронах (БХЭ), согласованных с антенным облучателем, обладающих высокой чувствительностью и низкой шумовой температурой для применения в радиоастрономии, и исследование физических принципов работы БХЭ с целью улучшения шумовых и сигнальных характеристик приемных структур на основе БХЭ.

Объектом исследования является болометр на холодных электронах согласованный с антенным облучателем, концепция которого разрабатывается в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН в сотрудничестве с Чалмерским технологическим университетом (Гетеборг, Швеция). БХЭ представляет собой микросхему, включающую в себя полоску нормального металла субмикронных размеров, температура электронного газа которой измеряется при помощи туннельного перехода сверхпроводник — изолятор — нормальный металл (СИН) — широкополосную приемную антенну и контактные площадки для соединения с измерительной аппаратурой. Концепция БХЭ позволяет решить существенную проблему сверхчувствительных детекторов — перегрев приемника фоновым излучением из-за высокой чувствительности детектора. Вся приходящая мощность удаляется из абсорбера в считывающую систему. Электронное охлаждение позволяет увеличить динамическое сопротивление и отклик БХЭ по сигналу. Измеренный отклик по сигналу 4×108 В/Вт и МЭШ=1.5×10″ 17 Вт/Гц" 172 делают БХЭ одним из перспективных детекторов для астрономических приложений.

В результате выполнения работы создана рабочая модель болометра на холодных электронах и изучены его электронные и физические свойства. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая чувствительность и низкая шумовая температура.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан методика изготовления чувствительного элемента болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через 7 подвешенную резистивную маску, позволивший добиться улучшения характеристик и повышения воспроизводимости электрофизических параметров приемных структур на основе БХЭ. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм.

2. Разработан, изготовлен и экспериментально исследован БХЭ. Отношение сопротивлений туннельного перехода Rj/RN при напряжениях ниже и выше сверхпроводящей щели при нулевом смещении достигало 1000 при рабочей температуре 0.26 К. Измерены электрические характеристики о.

БХЭ: чувствительность 4*10 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10″ 17 ВтЛ/Гц.

3. В системе с двумя переходами сверхпроводник — изолятор — нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИН переходами для измерения температуры достигнуто снижение электронной температуры от 250 мК до 90 мК, что соответствует лучшим опубликованным результатам.

4. Измерен оптический отклик по напряжению БХЭ в тонкой пленке нормального металла структуры сверхпроводник — изолятор — нормальный металл — изолятор — сверхпроводник (СИНИС) на излучение высокотемпературного джозефсоновского перехода в терагерцовом диапазоне. Максимум отклика болометра с двойной дипольной антенной был зарегистрирован на частоте 300 ГГц, которая соответствует расчетной. БХЭ было зарегистрировано излучение джозефсоновского перехода на частотах до 1.7 ТГц.

Положения, выдвигаемые на защиту:

1. Разработанная технология изготовления болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску позволяет получать образцы с отношением сопротивлений при нулевом смещении порядка 1000. Минимальные размеры чувствительного элемента приемной структуры составляют 0.1 мкм. Сигнальные характеристики составляют 4*108 В/Втмощность эквивалентная шуму 10″ 17 ВтЛуГц.

2. Использование электронного охлаждения БХЭ в конфигурации из двух переходов сверхпроводник — изолятор — нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двух СИН переходов для измерения температуры позволяет достичь снижения электронной температуры от 250 мК до 90 мК.

3. Использование БХЭ позволяет регистрировать излучение в терагерцовом диапазоне на частотах до 1.7 ТГц.

Научная новизна:

1. Впервые реализован БХЭ и исследованы особенности его работы.

2. Впервые измерены шумовые и оптические сигнальные характеристики БХЭ. о.

Измеренная чувствительность 4*10° В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10″ 17 ВтЛДц.

3. Впервые измерен оптический отклик БХЭ и показано, что возможно использование БХЭ на частотах как минимум до 1.7 ТГц.

4. Проведены измерения электронного охлаждения болометра от фононной температуры 250 мК до электронной температуры 90 мК, что позволило на порядок увеличить отклик по напряжению.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика изготовления БХЭ с минимальным размером чувствительного элемента приемной структуры 0.1 мкм, высоким качеством туннельных переходов (Ь^/Яи -1000).

2. Показано, что БХЭ обладает высокой чувствительностью (-4*108 В/Вт) и низким уровнем шумовых характеристик (~10″ 17 Вт/^Гц), что позволит создавать детекторы субмиллиметровых длин волн с рекордными параметрами.

Работы по созданию приемников на основе БХЭ являются актуальными и ведутся в соответствии с высочайшим уровнем требований к детекторам для радиоастрономических наблюдений.

1. European Space agency workshop. Cardiff: s.n., 2003. Technology requirements for future F1. Space astronomy.

2. European space agency workshop. Madrid: s.n., 2003. New Perspectives for Post-Herschel Far Infrared Astronomy from Space.

3. European programme. Paris: s.n., 2004. Cosmic Vision 2015;2025. Accepted at European science community meeting.

4. Kuzmin, L. On the concept of a hot-electron microbolometer with capacitive coupling to the antenna. Physica B: Condensed Matter. July 2000, Vols. 284−288, 2, pp. 2129−2130.

5. Nahum, M. and Martinis, J. M. Ultrasensitive-hot-electron microbolometer. Appl. Phys. Lett. Nov. 29, 1993, Vol. 63, 22, pp. 3075−3077.

6. Zmuidzinas, J. and Richards, P. L. Superconducting detectors and mixers for millimeter and submillimeter astrophysics. Proceedings of the IEEE. Oct 2004, Vol. 92, 10, pp. 1597−1616.

7. Transition-edge microbolometer. Wentworth, S. M. and Neikirk, D. P. ed.] Kul B. Bhasin and Vernon O. Heinen. Orlando, FL, USA: s.n., 1990. Proc. SPIE: Superconductivity Applications for Infrared and Microwave Devices. Vol. 1292, pp. 148−154.

8. Wentworth, S. M. and Neikirk, D. P. Composite microbolometers with tellurium detector elements. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. Feb 1992, Vol. 40, pp. 196−201.

9. Еру, И. И. Высокочувствительные системы некогерентного приема инфракрасного диапазона. Радиофизика и радиоастрономия. 2006, Vol. 11,2, pp. 198−210.

10. Clarke, J., et al. Superconductive bolometers for submillimeter wavelengths. Journal of Applied Physics. Dec 1977, Vol. 48, 12, pp. 48 654 879.

11. Cabrera, B. Introduction to TES Physics. Journal of Low Temperature Physics. Apr 2008, Vol. 151, 1−2, pp. 82−93.

12. Гудкайнд, Дж. Применения сверхпроводимости, ed.] Н. И. Гинзбург. Успехи физических наук. Март 1972, Vol. 106, 3, pp. 505−525.

13. Меныциков, Е. М., et al. Сверхпроводниковый быстродействующий детектор на основе индуктивного неравновесного отклика пленки нитрида ниобия. Письма в ЖТФ. 1997, Vol. 23, 12, pp. 74−80.

14. Multiplexable kinetic inductance detectors. Mazin, B. A., et al. ed.] F. S. Porter, et al. 2002. Proc. 9th Int. Workshop Low temperature detectors. Vol. 605, pp. 309−312.

15. Simons, R. N. Coplanar waveguide circuits, components, and systems. New York: Wiley-IEEE Press, 2001.

16. Gol’tsman, G. N., et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Applied Physics Letters. August 6, 2001, Vol. 79, 6, pp. 705 707.

17. Sergeev, A. V. and Reizer, M. Yu. Photoresponse mechanisms of thin superconducting films and superconducting detectors. International Journal of Modern Physics B. 1996, Vol. 10, 6, pp. 635−667.

18. Корнеев, A., et al. Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN. Квантовая электроника. 2005, Vol. 35, 8, pp. 698−700.

19. Santavicca, D. F., et al. Energy resolution of terahertz single-photonsensitive bolometric detectors. Applied Physics Letters. Feb 2010, Vol. 96, 8, pp. 83 505 83 505−3 .

20. Андреев, А. Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников. ЖЭТФ. 1966, Vol. 46, 5, pp. 1823−1828.

21. Выставкин, A., et al. Болометр на горячих электронах в нормальном металле с андреевским отражением в сверхпроводящих берегах. ЖЭТФ. Март 1999, Vol. 115, 3, pp. 1085−1092.

22. Nahum, М., Richards, P. L. and Mears, C.A. Design analysis of a novel hot-electron bolometer. Applied superconductivity, IEEE transactions on. Mar1993, Vol. 3, 1, pp. 2124−2127.

23. Kuzmin, L., Devyatov, I. and Golubev, D. «Cold-electron» bolometer with electronic microrefrigeration and the general noise analysis. Proceeding of SPIE: The 4th International conference on mm and submm waves. July 1998, Vol. 3465, pp. 193−199.

24. Nahum, M, Eiles, T M and Martinis, J M. Electronic microrefrigerator based on a normal-insulator-superconductor tunnel junction. Appl. Phys. Lett.1994, Vol. 65, 24, pp. 3123−3125.

25. Leivo, M, Pecola, J and Averin, D. Efficient Peltier refrigeration by a pair of normal metal/insulator/superconductor junctions. Appl. Phys. Lett. 1996, Vol. 68, 14, pp. 1996;1998.

26. Wellstood, F. C., Urbina, C. and Clarke, J. Hot-electron effect in Metals. Phys.Rev.B. 1994, Vol. 49, p. 5942.

27. Tsud, N. Pd/A1203 interaction: the influence of ionicity character of different alumina surfaces. Surface Science. 2002, Vols. 507−510, 1−3, pp. 808 812.

28. Dolan, G J. Offset masks for lift-off photoprocessing. Appl. Phys. Lett. 1977, Vol. 31, 5, pp. 337−339.

29. Duband, L. and Collaudin, B. Sorption cooler development at CEA-SBT. Cryogenics. 1999, Vol. 39, 8, pp. 659−663.

30. Grossman, E. N. Lithographic antennas for submillimeter and infrared frequencies. IEEE. 1995, pp. 102−107.

31. Bardas, A. and Averin, D. Phys.Rev.B. 1995, Vol. 52, p. 12 873.

32. Jochum, J., Mears, C. and Golwala, S. J.Appl.Phys. 1998, Vol. 83, p. 3217.

33. Quirion, D., Lefloch, F. and Sanquer, M. Physica E. 2002, Vol. 12, p. 934.

34. Golubev, D. and Kuzmin, L. J.Appl.Phys. 2001, Vol. 89, p. 6464.