Автоматизированные методы исследования сверхпроводниковых структур и устройств на их основе
McGrath W.R., Javadi H.H.S., Cypher S.R., Bumble B., Hunt B.D., LeDuc H.G. Low-Noise 205 GHz SIS Mixer Using High Current Density Nb and NbN Tunnel Junctions. // Proc. Second Int. Symp. Space Terahertz Tech., 1991, P. 423 437. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, L.V. Filippenko, V.L. Vaks, J. Mygind, A.B. Baryshev, W. Luinge, N. Whyborn, Phase Locking of 270−440 GHz Josephson Flux Flow Oscillator, Rev… Читать ещё >
Содержание
- 6. 5. Выводы по главе 6
Разработана многоканальная и многофункциональная автоматизированная система с возможностью динамической конфшурации для исследования сложных сверхпроводниковых структур. Система написана на языке Си, и ее объем составляет около 56 тысяч строк. Основу системы составляют библиотеки измерительных приборов, измерительных процедур и алгоритмов расчета. Система не имеет принципиальных ограничений на количество используемых приборов, измерительных и расчетных каналов. Такая система была с успехом использована для исследования и управления таким сложным объектом как СИП, а именно для восстановления сверхгонкой структуры ВАХ, а также для оптимизации шумовой температуры СИС-приемника в диапазоне частот 480−560 ГГц. Использование данной системы позволило зарегистрировать шумовую температуру СИП на уровне 100 К, что близко к квантовому пределу.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе получены следующие основные результаты.
1. Для всестороннего исследования сверхпроводниковых туннельных переходов разработана методика автоматизированного измерения и расчета их основных электрофизических параметров. Методика позволяет тестировать как одиночные переходы, так и цепочки, что позволяет определить качество и перспективность их дальнейшего использования. Данной системой было измерено более 10 тысяч сверхпроводниковых переходов. Была создана База Данных для записи и анализа электрофизических параметров измеряемых образцов и 30-ти технологических параметров, по которым может быть проведена оптимизация технологических процессов.
2. Создана система численного моделирования туннельных СИС-переходов при СВЧ воздействии. Предложена нелинейная аналитическая зависимость, которая позволяет с необходимой точностью моделировать экспериментальные ВАХ СИС-переходов с учетом ее «коленообразной» особенности, вызванной эффектом близости. Проведен численный анализ влияния параметров СИС-перехода, в первую очередь его ВАХ, на эффективность гетеродинного преобразования частоты, шумовую температуру смесителя и приемника в целом. Показано, что смесители на переходах с КО при определенных условиях могут иметь более высокую эффективность преобразования. В результате экспериментального исследования, в основе которого лежали численные расчеты, был создан гетеродинный приемник на цепочке СИС-переходов, который на частоте 100 ГГц имел шумовую температуру около 20 К.
3. Для экспериментального исследования сложных сверхпроводниковых микросхем, в том числе СИС-приемников с интегрированным сверхпроводниковым гетеродином, была создана автоматизированная система «IRTECON», программное обеспечение которой написано в интегрированной среде Lab Windows на языке Си и составляет около 15 тысяч строк. Данная система позволяет определять основные параметры СИС-смесителя и ФФО, автоматически находить области оптимальной накачки СИС-смесителя в зависимости от режимов генерации ФФО, производить оптимизацию режимов работы источника гетеродина и СИС-смесителя для минимизации шумовой температуры. С помощью данной системы были произведены эксперименты по оптимизации работы интегрального приемника с внутренним гетеродином на основе ФФО в диапазоне частот 480 520 ГГц, и была измерена шумовая температура порядка 100 К, что близко к квантовому пределу. Система позволяет также поддерживать оптимальные режимы работы при перестройке гетеродина и автоматически восстанавливать режимы работы при сбоях, что особенно важно для автономной работы бортового приемника, а также в случае использования нескольких микросхем в составе единого матричного приемника. С помощью данной системы было исследовано более 100 микросхем интегральных приемников.
4. С помощью специальной процедуры на основе измерения частоты излучения джозефсоновского осциллятора была реконструирована ВАХ ФФО с точностью около 1 нВ, и была обнаружена сверхтонкая резонансная структура ступеней с чрезвычайно низким дифференциальным сопротивлением (расстояние между ступенями составило около 20 нВ). Экспериментально показано, что ширина линии генерации ФФО существенным образом зависит от величины дифференциального сопротивления R? = dVFFoldIcL, которое ранее не учитывалось ни в одной из известных теоретических моделей. Создана методика определения этого параметра из экспериментальных данных. В результате применения этой методики была оптимизирована топология ФФО, что позволило уменьшить ширину автономной линии генерации до величины порядка 10 МГц на частотах до 710 ГГц и реализовать режим фазовой автоподстройки частоты.
5. Была разработана многоканальная и многофункциональная автоматизированная система с возможностью динамической конфигурации для исследования сложных сверхпроводниковых структур. Система написана на языке Си, и ее объем составляет около 56 тысяч строк. Основу системы составляют библиотеки измерительных приборов, измерительных процедур и алгоритмов расчета. Система не имеет принципиальных ограничений на количество используемых приборов, измерительных и расчетных каналов.
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям профессору А. Н. Выставкину и д.ф.-м.н. В. П. Кошельду за предложенную тему, постоянный интерес и помощь в работе, а также за их усилия по созданию современной технологической и компьютерной базы, без которой выполнение данной работы было бы невозможно. Автор считает своим долгом выразить благодарность всему коллективу лаборатории за постоянное внимание и помощь. Автор благодарен к. ф,-м.н. C.B. Шитову за проведение совместных расчетов и участие в разработке автоматизированного комплекса «IRTECON» для измерения ИП, A.M. Барышеву и к.ф.-м.н Э. Б. Голдобину за полезные дискуссии при создании новых автоматизированных систем. Автор выражает глубокую признательность JI.B. Филиппенко, П. Н. Дмитриеву, H.H. Иосаду и к.ф.-м.н. И. Л. Лапицкой за изготовление образцов СИС-структур высшего качества. Большую благодарность автор выражает Г. В. Прокопенко за создание измерительного оборудования для тестирования сверхпроводниковых структур в лаборатории.
Проведение комплексных исследований свойств СИП невозможно было бы без кооперации с российскими и зарубежными научными центрами. Автор признателен за большой вклад в создании необходимой аппаратуры для изучения ФФО В. Л. Ваксу из Института физики микроструктур РАН. Автор искренне благодарит профессора Е. Мюгинда из Технического университета Дании (Лингби, Дания) за активное участие в совместной работе по исследованию свойств ФФО.
Интенсивные исследования по созданию СИП стали возможны благодаря активной поддержке Институтом космических исследований (СРОН, Голландия) во главе с П. Весселиусом. Автор выражает благодарность всем сотрудникам этого Института и особенно В. Ляунге и Г. Де Ланге за постоянную помощь и участие в создании автоматизированной системы для исследования СИП.
Спасибо родным за терпение и заботу.
Работы автора по теме диссертационной работе.
А1. А. Н. Выставкин, А. Б. Ермаков, А. В. Козлов, В. П. Кошелец, Ю. В. Обухов Автоматизированная система измерения и анализа туннельных СИС-переходов.// Препринт ИРЭ АН СССР, No 3(478), 1988.
А2. А. Б. Ермаков. В. П. Кошелец, И. Л. Серпученко, С.В. Шитов
Эффективность преобразования частоты в мм диапазоне длин волн на СИСпереходах с коленообразной особенностью.//Тезисы докладов 1 Всесоюзной конференции молодых ученых, Ереван, с. 65−66, 1988.
A3. А. Н. Выставкин, А. Б. Ермаков, В. П. Кошелец, И. Л. Серпученко, Л. В. Филиппенко, С. В. Шитов Туннельные переходы из Nb, изготовленные по методу SNAP, для приемников миллиметровых волн.// Тезисы докладов Всесоюзной конф. «Интегральная электроника СВЧ», Красноярск, с. 6, 1988.
А4. An.B. Ermakov, V.P. Koshelets, I.L. Serpuchenko, L.V. Filippenko, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin SNAP Structures with Nb-A10x-Nb Junctions for MM Wave Receivers.// IEEE Trans on Magn., V. MAG-25, No.2, pp. 1060−1063, 1989.
A5. An.B. Ermakov, V.P. Koshelets, I.L. Serpuchenko, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin Nb-AlOx-Nb Junctions Structures for MM Wave Receivers. //ICMWIT, China, pp. 264−267, 1989.
A6. An.B. Ermakov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, I.L. Serpuchenko, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin Investigation of the Nb-AlOx-Nb Junctions and MM Wave Mixers. //Extended Abstracts ofISEC-89, Tokyo, Japan, pp. 294−297, 1989.
A7. V.Yu. Belitski, An.B. Ermakov, V.K. Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P. Koshelets, K.K. Likharev, A.N. Matlashov, O.A. Mukhanov, V.K. Semenov, I.L. Serpuchenko, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin, Yu.Ye. Zhuravlev Preparation and Investigation of Integrated Superconducting Structures for Signal Detection and Data Processing. // Proceedings of the 15th USSR-Japan Electronics Symposium on «NEW MATERIALS FOR ELECTRONIC DEVICES», Edited GRO, Tokai University, pp. 221−244, 1989.
А8. Ан.Б. Ермаков, С. В. Шитов Расчет СИС-смесителя.// Тезисы XXI Всесоюзной конференции «Радиоастрономическая аппаратура», Ереван, 1989, с. 151−152.
А9. А. Н. Выставкин, А. Б. Ермаков. В. П. Кошелец, С. В. Шитов Малошумящий смеситель диапазона 43−50 ГГц на СИС переходах // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990, No 3, стр. 1726−1737
А10. An.B. Ermakov. V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, S.V. Shitov Parallel Biased SIS-array for MM-wave Mixers: Main Ideas and Experimental Verification. // IEEE Trans onMagn., V. MAG-27, No.2, pp. 2642−2645, 1991.
All. S.V. Shitov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, An.B. Ermakov. N.D. Whyborn., C.O. Lindstrom Ultraslow Noise 100 GHz Receiver Based on Parallel Biased SIS Arrays. // Extended Abstracts of ISEC'91, Glasgow, pp. 542−545, (1991) — Super. Sci. Technology, v.4, p. 406−408,1991.
A12. An.B. Ermakov. V.K. Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, A.V. Shchukin, S.V. Shitov, A.N. Vystavkin Integrated Superconducting Microcircuits for MM Wave Receivers and Digital Devices. // J. of Advanced Science, V.3, No 3, p. 105−130, 1991.
A13. Ан.Б. Ермаков, С. А. Ковтонюк, В. П. Кошелец, И. Л. Серпученко, Л. В. Филиппенко, А. В. Щукин Высококачественные переходы Nb-AlOx-Nb для СВЧ приемных и цифровых одноквантовых устройств. // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, т. 4, No 10, с. 2034−2042, 1991.
А14. С. В. Шитов, В. П. Кошелец, С. А. Ковтонюк, Ан.Б. Ермаков Цепочки СИС-переходов с параллельным смещением для приемников мм волн.// Сверхпроводимость: физика, химия, техника, т. 4, No 10, с. 2023−2033, 1991.
А15. An.B. Ermakov. V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, S.V. Shitov, Ultra Low Noise SIS-receiver for MM-wave Radio Astronomy. // Abstracts of XXIV Young European Radio Astronomers Conference, Chalmers University of Technology, Gothenburg, August 1991.
A16. S.V. Shitov, V.P. Koshelets, S.A. Kovtonyuk, An.B. Ermakov, A.M. Baryshev Ultra Low Noise SIS-Receivers for MM Wave Radio Astronomy.// ICEC/ICMC, Report EC-DP 10, Kiev-92,1992.// Cryogenics, V.32, pp. 497−500,1992.
AI7. В. Ю. Белицкий, S.W. Jacobsson, Л. В. Филиппенко, В. П. Кошелец, Ан.Б. Ермаков, E.L. Kollberg, А. Н. Выставкин, «Широкополосный лабораторный приемник на 500 ГГц на основе квазиоптического СИС смесителя», Радиотехника и электроника, No 1,1996.
AI8. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, L.V. Filippenko, A.B. Ermakov. W. Luinge, J.R. Gao, P. Lehikoinen. «Integrated Submm Wave Receivers with Superconducting Local Oscillator», presented at EUCAS'97, 30 June — 3 July, The Netherlands, report 4Pa-6, (1997), Inst, of Phys. Conf. Ser. Number 158, pp 389−392,1997.
A19. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev, A. V Shchukin, G.V. Prokopenko, and A.B. Ermakov, «Integrated Submm Wave Receiver with Superconductive Local Oscillator», Proceedings of X-th Trilateral German-Russian-Ukrainian seminar on HTS, N.Novg., 11−15 Sept., p. 60,1997.
A20. S.V. Shitov, A.B. Ermakov. L.V. Filippenko, V.P. Koshelets, W. Luinge, A.M. Baryshev, J-R. Gao, and P. Lehikoinen «Recent Progress on the Superconducting Imaging Receiver at 500 GHz», Proc. 9-th Int. Symp. on Space Terahertz Tech., Pasadena, CA, USA, March, 1998.
A21. А. Б. Ермаков, Г. В .Прокопенко, С. В. Шитов, «Автоматизированная система для исследования характеристик сверхпроводниковых интегральных приемных структур.», Под ред. В. П. Кошельца, препринт МГУ, 1999.
А22. S.V. Shitov, A.B. Ermakov. L.V. Filippenko, V.P. Koshelets, A.B. Baryshev, W. Luinge, Jian-Rong Gao, «Superconducting Chip Receiver for Imaging Applications», presented at ASC-98, Palm Desert, CA, USA, Report EMA-09, IEEE Trans, on Appl. Supercond., v.9, No 2, pp. 3773−3776, 1999.
A23. P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov. A.G. Kovalenko, V.P. Koshelets, N.N. Iosad, A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, «Niobium Tunnel Junctions with Multi-Layered Electrodes», presented at ASC-98, Palm Desert, CA, USA, Report EOB-05, IEEE Trans, on Appl. Supercond., v.9, No 2, pp. 3970−3973,1999.
A24. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.B. Ermakov. L.V. Filippenko, V.L. Vaks, A.M. Baryshev, W. Luinge, and J. Mygind, «Superconducting Integrated Submm Wave Receivers», Proceedings of 24th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, IR&MMW99, Report TU-B1, September 5−10, Monterey, CA, USA, 1999.
A25. S.V. Shitov, V.P. Koshelets, L.V. Filippenko, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, V.L. Vaks, A.M. Baiyshev, W. Luinge, N.D. Whyborn, J.-R. Gao, «A Superconducting Integrated Receiver With Phase-Lock Loop», presented at EUCAS'99, report 6−100, Sit-ges, Spain, September, 1999, Proceeding of the Fourth European Conference of Applied Superconductivity. Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, vol 2, pp. 647−650, 2000.
A26. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov. S.V. Shitov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev, W. Luinge, J. Mygind, V.L. Vaks, D.G. Pavel’ev, «Externally Phase Locked Sub-MM Flux Flow Oscillator for Integrated Receiver», Proceedings of the 11th International Symposium on Space Terahertz Technology, University of Michigan, Ann Arbor. May 1−3, pp 532−541, 2000.
A27. S.V. Shitov, A. M. Shtanyuk, V. P. Koshelets, G. V. Prokopenko, L. V. Filippenko, An. B. Ermakov. M. Levitchev, S. V. Veretennikov, H. Kohlstedt and A. V. Ustinov, «Integrated Superconducting Receiver as a Tester for Sub-Millimeter Devices at 400−600 GHz», Proceedings of the 11th International Symposium on Space Terahertz Technology, University of Michigan, Ann Arbor. May 1−3, pp. 359−367, 2000.
A28. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, A.B. Ermakov. L.V. Filippenko, P.N. Dmitriev, A.M. Baryshev, W. Luinge, and J. Mygind, «Integrated Fully Superconducting Submm Receivers», Italy, EURESCO Conference «Future Perspectives of Superconducting Jo-sephson Devices», July, 2000.
A29. L.V. Filippenko, S.V. Shitov, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov. V.P. Koshelets, and J.R. Gao, «Integrated Superconducting Receiver: fabrication and yield», Applied Superconductivity Conference ASC'2000, September (2000), Report 4EA01, IEEE Trans. onAppl. Supercond., v. 11, No 1, pp. 816−819, 2001.
A30. S.V. Shitov, M. Levitchev, A.V. Veretennikov, V.P. Koshelets, G.V. Prokopenko, L.V. Filippenko, A.B. Ermakov, A.M. Shtanyuk, H. Kohlstedt, A.V. Usti-nov, «Integrated Superconducting Receiver as 400 — 600 GHz Tester for Coolable Devices», Applied Superconductivity Conference ASC'2000, September (2000), Report 4EA08, IEEE Trans, on Appl. Supercond, v. ll, No 1, pp. 832−835, 2001.
A31. A.B. Ermakov. S.V. Shitov, A.M. Baryshev, V.P. Koshelets, W. Luinge. A data acquisition system for test and control of superconducting integrated receivers.//
Applied Superconductivity Conference ASC'2000, September, 2000, Report 4EA10, IEEE Trans, on Appl. Supercond., v. l 1, No 1, pp. 840−843, 2001.
A32. A.M. Baryshev, A.V. Yulin, V.V. Kurin, V.P. Koshelets, A.B. Ermakov. P.N. Dmitriev, L.Y. Filippenko.// Cherenkov Flux-Flow Oscillator Linewidth Measurements Applied Superconductivity Conference ASC'2000, September, 2000, Report 5EF05.
A33. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov, S.V. Shitov, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev, W. Luinge, J. Mygind, V.L. Vaks, D.G. Pavel’ev.// Superfine Resonant Structure on IVC of Long Josephson Junctions and its Influence on Flux Flow Oscillator Linewidth, Applied Superconductivity Conference ASC'2000, September, 2000, Report 5EG06, IEEE Trans. onAppl. Supercond., v. ll, No l, pp. 1211−1214, 2001.
A34. S.V. Shitov, M. Levitchev, A.V. Veretennikov, V.P. Koshelets, G.V. Prokopenko, L.V. Filippenko, A.B. Ermakov. A.M. Shtanyuk, H. Kohlstedt, A.V. Ustinov.// Integrated Superconducting Receiver as 400 — 600 GHz Tester for Coolable Devices, IEEE Trans. onAppl. Supercond., v. ll, No l, pp. 832−835, 2001.
A35. V.P. Koshelets, A.B. Ermakov. P.N. Dmitriev, A.S. Sobolev, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, J. Mygind. Radiation linewidth of flux flow oscillators.// Extended Abstracts of the 8-th International Superconductive Conference ISEC'2001, pp. 207−208, Osaka, Japan, June 2001, Superconductor Science and Technology, v. 14, pp. 1 -4, 2001.
A36. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, L.V. Filippenko, V.V. Khodos, V.L. Vaks, A.M. Baryshev, P.R. Wesselius, J. Mygind.// Towards a Phase-Locked Superconducting Integrated Receiver: Prospects and Limitations report ND-2 presented at SDP'2001, Tokyo, Japan, June 2001, Physica C, 2001.
A37. V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov. A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, V.V. Khodos, V.L. Vaks, P.R. Wesselius, C. Mahaini J. Mygind.// Superconducting Phase-Locked Local Oscillator For Submm Integrated Receiver, Presented at 13-th International Symposium on Space Terahertz Technology, Harvard University, USA March 26−28, 2002.
A38. S.V. Shitov, V.P. Koshelets, P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, An.B. Ermakov V.V. Khodos, V.L. Vaks A Superconducting Spectrometer with Phase-Locked Josephson
Oscillator.// Presented at 13-th International Symposium on Space Terahertz Technology, Harvard University, USA March 26−28, 2002.
A39. N.N. Iosad, An.B. Ermakov. F.E. Meijer, B.D. Jackson, T.M. Klapwijk, «Characterization of fabrication process of Nb/Al-A1NX/Nb tunnel junctions with low RnA values up to 1 fl jim2», to be published in Supercond. Sci. Techrt. 2002.
A40. N.N. Iosad, F.E. Meijer, T.M. Klapwijk, An.B. Ermakov. B.D. Jackson Characterization of Fabrication Process of Nb/Al-AIN/Nb Tunnel Junctions with Low RnA Values.// Applied Superconductivity Conference ASC'2002, Хьюстон, 4−9 August, 2002, Report 1EH09.
A41. P.N. Dmitriev, I.L. Lapitskaya, L.V. Filippenko, An. B. Ermakov. S.V. Shi-tov, G.V. Prokopenko, S.A. Kovtonyuk, V. P. Koshelets High Quality Nb-based Integrated Circuits for High Frequency and Digital Applications.// Applied Superconductivity Conference ASC'2002, Хьюстон, 4−9 August, 2002, Report 1EH02.
A42. S.V. Shitov, V.P. Koshelets, An.B. Ermakov. P.N. Dmitriev, L.V. Filippenko, V.V. Khodos, V.L. Vaks, Pavel A. Yagoubov, P.R. Wesselius An Integrated Receiver with Phase-Locked Superconducting Oscillator.// Applied Superconductivity Conference ASC'2002, Хьюстон, 4−9 August, 2002, Report 2ED03.
A43. V.P. Koshelets, S.V. Shitov, P.N. Dmitriev, An.B. Ermakov, A.S. Sobolev, M.Yu. Torgashin, V. V. Khodos, V.L. Vaks, P.R. Wesselius, P. A. Yagoubov, C. Ma-haini, J. Mygind Externally Phase-Locked Flux Flow Oscillator for Submm Integrated Receivers: Achievements and Limitations.// Applied Superconductivity Conference ASC'2002, Хьюстон, 4−9 August, 2002, Report 4EF07.