авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Фоминский Михаил Юрьевич

Разработка и исследование криогенного болометра на холодных электронах

Специальность 01.04.01: «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук.

МОСКВА 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В А. Котельникова РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Тарасов Михаил Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Куприянов Михаил Юрьевич

кандидат физико-математических наук,

Финкель Матвей Ильич

Ведущая организация:

Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН

Защита состоится « 18 »  февраля  2011 г., в 12-00, на заседании диссертационного совета Д.002.231.03 при ИРЭ им. В А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан « 14 »      января      2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук В.Н. Корниенко

Общая характеристика работы

    1. Актуальность работы

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 при разработке детекторов является мощность эквивалентная шуму (МЭШ) на уровне 10-20 Вт/Гц1/2 в диапазоне 40-500 мкм для 100х100 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 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 чувствительностью (МЭШ 10-18 Вт/Гц-1/2), 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 отклика по сигналу и существенному снижению электронных шумов. БХЭ избегает дополнительного теплового перегрева (главной проблемы БКП) и заменяет его прямым электронным охлаждением абсорбера, что является поворотным пунктом в реализации современных сверхчувствительных детекторов. Такое охлаждение может оказаться особенно важным при реализации в присутствии реальной тепловой фоновой нагрузки.

Все вышесказанное позволяет сформулировать основные задачи данной работы.

    1. 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.

    1. Объект исследования

Объектом исследования являются болометры на холодных электронах (БХЭ) согласованные с квазиоптическими антенными системами, изготовленные на диэлектрических подложках кремния.

    1. Основные результаты диссертационной работы:
  1. Разработана методика изготовления чувствительного элемента болометра на холодных электронах (БХЭ) методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску, позволившая 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 БХЭ: чувствительность 4*108 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10-17 Вт/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.
    1. Научная новизна
  1. Впервые реализован БХЭ и исследованы особенности его работы.
  2. Впервые измерены шумовые и оптические сигнальные характеристики БХЭ. Измеренная чувствительность 4*108 В/Вт и мощность эквивалентная шуму 10-17 Вт/Гц.
  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.
    1. Практическая ценность работы
  1. Разработана методика изготовления БХЭ с минимальным размером чувствительного элемента приемной структуры 0.1 мкм, высоким качеством туннельных переходов (Rj/RN ~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.
    1. Основные положения, выносимые 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/Вт; мощность эквивалентная шуму 10-17 Вт/Гц.
  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.
    1. Апробация работы

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 15 работах, в том числе в 6 статьях, из них 6 - в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в 9 докладах на международных и российских конференциях c публикацией расширенных тезисов.

Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 60 мп. страниц.

Работы публиковались в ведущих специализированных изданиях: «Радиотехника и Электроника», «Письма в ЖЭТФ». Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание; они хорошо известны специалистам, на них имеются ссылки в научной периодике.

    1. Личный вклад автора

Работы были выполнены М.Ю. Фоминским в соавторстве с сотрудниками лаборатории сверхпроводниковой электроники ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, и Чалмерского технологического института (г.Гётеборг, Швеция). Автором разработана топология ИС БХЭ в среде AutoCAD, разработана методика изготовления и изготовлены образцы БХЭ с использованием электронной литографии методом теневого напыления через подвешенную резистивную маску, автор принимал участие в проведении измерений электрических характеристик и оптического отклика образцов БХЭ в криостате с откачкой паров He3, в обработке результатов и подготовке публикаций.

    1. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа изложена на 115 страницах, содержит 45 рисунков и 4 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 35 работ.

Основное содержание работы

    1. Введение

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и определены её цели. Сформулированы научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту.

    1. Первая глава

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан краткий обзор существующих типов болометров субмиллиметрового диапазона. Описаны общие концепции, параметры и реализация следующих типов болометров:

  • болометр на основе резистивного перехода (§1.1), Оценка МЭШ дает ~4*10-19 Вт/Гц для нагрузки 10 фВт и сверхпроводника с критической температурой 500 мК [5],
  • болометр на основе кинетической индуктивности сверхпроводящего конденсата (§1.2), оценка МЭШ дает ~7*10-19 Вт/Гц для нагрузки 10 фВт и сверхпроводника Al с критической температурой 1.2 К [5],
  • болометр на горячих электронах как прямой детектор фотонов (§1.3),
  • болометр на горячих электронах с андреевским отражением (§1.4),
  • болометр на холодных электронах (§1.5), Оценка МЭШ дает ~1*10-19 Вт/Гц для нагрузки 10 фВт и электронной температуры 50 мК [5].

Приведены краткий обзор принципов работы данных типов болометров и их основные характеристики, такие как мощность эквивалентная шуму (МЭШ), чувствительность по принимаемому сигналу. Предложен принцип построения БХЭ. В заключении сформулированы основные задачи исследования.





    1. Вторая глава

Во второй главе проведено исследование и анализ характеристик БХЭ, а также выработаны требования к параметрам БХЭ.

В §2.1 анализируется работа БХЭ с использованием уравнения теплового баланса, приведены результаты численных расчетов.

В §2.2 рассматривается вопрос о предельных шумовых характеристиках БХЭ в связи с высокими требованиями к МЭШ для будущих радиоастрономических проектов.

В §2.3 приведены результаты численного анализа чувствительности и шумовых свойств БХЭ с учетом уровня фоновой нагрузки (0.01 пВт для 100 мК) и реалистичных параметров БХЭ.

    1. Третья глава

Третья глава посвящена технологии изготовления БХЭ и описанию оборудования для экспериментального исследования БХЭ. Приведены технологические карты основных этапов изготовления БХЭ.

В §3.1 дается описание топологии БХЭ. Рабочие структуры БХЭ изготавливали на кремниевых подложках размером 7.4x7.4 мм с 16 контактными площадками по периметру образца (Рисунок 1). Каждый образец включал 6 БХЭ структур: одну интегрированную с логопериодической антенной (Рисунок 2), четыре с двойными дипольными антеннами для центральных частот 300 и 600 ГГц (Рисунок 3), одну тестовую структуру с двумя дополнительными туннельными переходами для измерения температуры вдоль полоски абсорбера. Характерный размер чувствительного элемента БХЭ составлял:

(3~10)мкм * (0,1~0,3)мкм * 0,06мкм.

 отография чипа болометра с 16-1

Рисунок 1 Фотография чипа болометра с 16 контактными площадками и 6 БХЭ структурами. В центре расположена логопериодическая антенна, справа две двойных дипольных антенны для центральной частоты 300 ГГц, слева и внизу в центре для 600 ГГц.

 отография центральной части-2

Рисунок 2 Фотография центральной части логопериодической антенны с чувствительным элементом БХЭ (фотография сделана на электронном микроскопе Raith в ИРЭ им.В.А.Котельникова РАН).

Рисунок 3 Фотография центральной части двойной дипольной антенны с чувствительным элементом БХЭ и двумя дополнительными туннельными СИН переходами (фотография сделана на электронном микроскопе Raith в ИРЭ им.В.А.Котельникова РАН).

В §3.2 подробно описывается процесс изготовления БХЭ, который состоял из двух этапов: формирование контактных площадок и антенн на кремниевой пластине размером 51 мм посредством электронно-лучевой и фотолитографии, и разделение пластины со сформированными структурами на отдельные образцы размером 7.4х7.4 мм. Второй этап состоял в формировании на подготовленных образцах БХЭ посредством электронно-лучевой литографии и теневого напыления.

В §3.2.1 описывается процесс формирования контактных площадок и антенн на кремниевой пластине размером 51 мм.

В §3.2.2 приводится описание технологии теневого напыления с использованием двухслойного резиста с указанием параметров технологических процессов. Для изготовления субмикронных туннельных структур без разрыва вакуума нами применялась технология теневого напыления с использованием двухслойного резиста. Толщина нижнего слоя резиста при используемых параметрах нанесения составляла 800 нм, верхнего – 140 нм. Порядок толщин распыляемых материалов составлял: Al =60 nm; Cu=70 nm.

В §3.2.3 приводится описание процедуры формирования структур методом фотолитографии.

В §3.2.4 приводится описание процедуры формирования структур методом электронной литографии.

В §3.2.5 приводятся технологические карты резистов для электронно-лучевой литографии, использовавшихся в работе для формирования микроструктур.

В §3.2.6 приводится описание оборудования, вспомогательных материалов для напыления пленок.

В §3.2.7 приводится описание технологии создания туннельных переходов при помощи формирования трехслойных структур.

В §3.3 приводится описание и параметры оборудования, использованного для измерения электрического и оптического откликов БХЭ при милликельвиновых рабочих температурах, в частности описываются: электрическая измерительная система для криостата (§3.3.1), держатели для образцов БХЭ в криостате для проведения оптических измерений (§3.3.2), источник излучения черного тела с модулируемой температурой (§3.3.3), криостаты (§3.3.4).

    1. Четвертая глава

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию параметров БХЭ, реализации электронного охлаждения и измерения оптического отклика БХЭ.

В §4.1 приведены результаты электрической и оптической квалификация БХЭ: температурный отклик болометра измерялся при охлаждении до 260 мК. Экспериментально наблюдался отклик в диапазоне dV/dT=(0.65-1.7) мВ/К, что соответствует чувствительности S=(0.15-0.4)*109 В/Вт. Измеренные шумы на выходе усилителя составили Vna=4 нВ/Гц1/2, что соответствует мощности эквивалентной шуму МЭШ=0.6.10-17 Вт/Гц1/2. Для измерения чувствительности и шумов болометра по реальному микроволновому сигналу в качестве источника сигнала был использован источник излучения черного тела с модулируемой температурой. Измеренный оптический отклик по напряжению на излучение черного тела составил 20 мкВ, что находится в хорошем соответствии с электрической МЭШ измеренной при вариации температуры (Рисунок 4). Полученные результаты свидетельствуют об эффективности работы БХЭ.

Рисунок 4 Отклик по напряжению БХЭ на изменение температуры (электрическая нагрузка, DVT) и на излучение черного тела (оптическая нагрузка, DV249mV).

В §4.2 приводятся результаты измерения электронного охлаждения БХЭ, позволяющие существенно снизить влияние этого паразитного перегрева токами утечки и улучшить характеристики БХЭ. Для изучения электронного охлаждения в БХЭ были изготовлены и экспериментально исследованы БХЭ с двумя переходами сверхпроводник – изолятор - нормальный металл (СИН) для электронного охлаждения и двумя СИН переходами для измерения температуры. Ток через СИН переход рассматривается как ток идеального СИН перехода и параллельный ток утечки. Эффективная электронная температура определяется из уравнения теплового баланса:

где Tph – фононная температура, V – напряжение постоянного смещения, Rs – шунтирующее сопротивление утечки, Pbgn – мощность фонового излучения, – параметр материала абсорбера, – объем абсорбера. Численное решения уравнения дает значение установившейся электронной температуры Te в равновесии (Рисунок 5).

 ривая Pep соответствует-6



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.