МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ

В главе рассмотрены экспериментальная техника и методика эксперимента, позволяющие исследовать частотные и шумовые характеристики смесителей. В § 1 кратко описана технология осаждения и структурирования тонких сверхпроводящих пленок NbN и NbTiN, приведены характеристики образцов. В § 2.2 описываются экспериментальные установки, использованные в работе для исследования полосы преобразования NbN-смесителей на частоте 0,9 ТГц. Параграф 2.3 посвящен описанию экспериментальной установки по исследованию полосы преобразования смесителей в магнитном поле и для измерения коэффициента диффузии электронов. Методика измерений шумовой температуры приемника на основе смесителя на электронном разогреве на частотах 30 ТГц и 2,5 ТГц изложена в § 2.4.

Технология осаждения сверхпроводниковых пленок и изготовление исследуемых смесителей

2.1. Технология осаждения сверхпроводниковых пленок и изготовление исследуемых смесителей

Все смесители, исследованные в настоящей работе, основаны на эффекте электронного разогрева в ультратонких сверхпроводниковых пленках NbN или NbTiN. Структура смесителя может меняться, в зависимости от задачи, однако некоторые основные элементы присутствуют во всех типах смесителей. Основной частью смесителя, в которой непосредственно происходит преобразование частоты, является активный участок сверхпроводниковой пленки, выполненный в виде мостика между двумя металлическими берегами. Его длина ограничивается зазором между малыми контактами, которые служат также переходным звеном между сверхпроводниковым мостиком и планарной антенной. Ширина сверхпроводникового мостика обычно определяется защитной пленкой в виде прямоугольника поперек зазора, которая предохраняет мостик от стравливания пленки по полю и дальнейшего воздействия атмосферы.

Далее осаждается слой золота, из которого затем формируются рукава спиральной антенны, служащей для согласования сверхпроводникового мостика с падающим излучением. Большие золотые контакты, выполненные в виде отрезка 50-омной копланарной линии, служат для вывода сигнала промежуточной частоты и для смещения смесителя по постоянному току.

В зависимости от задачи, смесители изготавливались трех типов: А, В и С (см. таблицу 1). В смесителях типа А активный участок пленки имеет малые геометрические размеры в плане, порядка нескольких микрон в ширину и десятых долей микрона в длину. Это, с одной стороны, уменьшает объем смесителя и требуемую мощность гетеродина, а с другой стороны, позволяет вписать его в высокочастотную спиральную антенну, характерные геометрические размеры которой порядка нескольких микрометров. Этот тип смесителей использовался для проведения исследований на терагерцовых частотах, где малая требуемая мощность гетеродина имеет большое значение как для практических приборов, так и для удобства проведения измерений. На смесителях типа А проводились исследования зависимости полосы промежуточных частот NbN- и NbTiN-смесителей от толщины и материала подложки на частотах вблизи 900 ГГц. Смеситель типа А на основе NbTiN-пленки использовался для определения шумовой температуры приемника на частоте гетеродина 2,5 ТГц.

Таблица 1. Типы смесителей на эффекте электронного разогрева, использованные в различных задачах

Сверхпроводник

Материал

подложки

Тип

Толщина пленки, нм

Задача

NbN

кремний

А

3,5

Исследование полосы преобразования на частоте 900 ГГц

оксид магния

А

3,5

кремний

с подслое

MgO

А

  • 3,5
  • 2

арсенид

галлия

С

5

Исследование и разработка приемника на 30 ТГц

NbTiN

кремний

В

3,5

Исследование полосы преобразования на частоте 140 ГГц в зависимости от толщины пленки и температуры.

Определение коэффициента диффузии

сапфир

В

3,5

кремний с подслое MgO

в

  • 3,5
  • 4
  • 10

А

3,5

Исследование полосы преобразования на частоте 0,9 ТГц.

Определение шумовой температры на частоте 2,5 ТГц

Тип В был специально разработан для исследования энергетической релаксации пленок NbTiN. Размеры сверхпроводникового мостика для этого типа смесителей составляют порядка 10 микрон в ширину и1 микрона в длину. Сравнительно большая длина мостика позволяет избежать диффузии разогретых электронов в металлические контакты и искажения результатов по характеристическим временам электрон-фононного взаимодействия и ухода неравновесных фононов в подложку. Такие размеры активного участка не позволяют использовать высокочастотную спиральную антенну, поэтому для этого типа смесителей была выбрана частота излучения 140 ГГц.

В смесителях типа С была реализована схема смесителя с прямым согласованием с излучением. На основе таких смесителей был разработан лабораторный прототип приемника на частоту 30 ТГц. Прямое поглощение излучения пленкой в смесителях этого типа позволяет не использовать планарную антенну, поэтому в смесителях типа С малые контакты сразу переходили в большие контакты. Размеры мостика составляли 20x30 мкм2, что определялось имеющимся фотошаблоном.

Осаждение ультратонких пленок NbN осуществлялось методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе мишени из чистого ниобия в газовой смеси азота (парциальное давление 5ТО-6 мбар) и аргона (парциальное давление 2-1(Г’ мбар). Следует отметить, что состав газовой смеси для каждой распылительной установки уникален, и подбирается экспериментально по максимальным сверхпроводящим свойствам осаждаемых пленок. Толщина пленки оценивается из времени процесса и скорости осаждения, которая определяется по прямым измерениям толщины сверхпроводниковой пленки с помощью профилометра-профилографа после длительного осаждения.

Осаждение ультратонких пленок NbTiN также производится с помощью реактивного магнетронного распыления на постоянном токе

NbTi-мишени. Мишень выполнена из химически чистого ниобия с мозаичными вставками из титана таким образом, что площадь поверхности титана относится к площади поверхности ниобия как 4 : 6, что приводит к оптимальному составу образующегося раствора NbN и TiN и максимальной температуре сверхпроводящего перехода, составляющей около 11 К для NbTiN-пленки толщиной 3-4 нм. Оптимальный состав газовой смеси составляет 3,2-10 1 мбар парциальное давление аргона и 1,2-104 мбар парциальное давление азота. При токе разряда 1 А и напряжении 300 В скорость осаждения составляет около 0,5 нм/с. Во время процесса осаждения подложка нагревается до температуры 600°С.

При оптимальных параметрах распыления мишени сверхпроводящие свойства (критическая температура, плотность критического тока, ширина сверхпроводящего перехода) осаждаемых таким способом сверхпроводниковых пленок зависят от материала подложки и толщины пленки. На рис. 2 и рис. 3 представлены зависимости температуры сверхпроводящего перехода от толщины для осажденных на различные подложки пленок NbN и NbTiN соответственно.

Толщина пленки, нм

Рис. 2. Зависимость температуры сверхпроводящего перехода пленок NbN от толщины для различных подложек (кремний с подслоем MgO - треугольники вверх, кремний - круги, MgO - треугольники вниз, сапфир - квадраты)

кремний+МдО -?-кремний -Лг сапфир

• кварц+МдО

30 40 50 во 70 80 90 100

Толщина пленки, А

Рис. 3. Зависимость температуры сверхпроводящего перехода пленок NbTiN от толщины

В качестве подложек обычно выбирается диэлектрический материал, устойчивый к механическим и химическим воздействиям, которым он подвергается в процессе изготовления структур. Дополнительным требованием к материалу подложки являлась прозрачность в соответствующем диапазоне длин волн (субмиллиметровый для смесителей типов А и В, средний инфракрасный для смесителей типа С), что еще более сужает выбор материала подложки для изготовления смесителя. В работе для изготовления смесителей миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (140 ГГц, 900 ГГц, 2,5 ТГц) использовались подложки из кремния, оксида магния и сапфира. Смесители для диапазона 20-70 ТГц изготавливались на подложках из арсенида галлия.

Также для изготовления отдельных партий смесителей на поверхность кремниевой подложки наносился слой оксида магния толщиной 200 нм, служащий подслоем для сверхпроводниковых пленок. Подслой наносится методом электронно-лучевого испарения перед осаждением сверхпроводниковой пленки и служит как для улучшения акустического согласования между сверхпроводниковой пленкой и подложкой, так и в качестве «росткового» подслоя для улучшения сверхпроводящих свойств ультратонких пленок NbN и NbTiN. При этом сверхпроводящие свойства получаемых пленок на подложке из высокоомного кремния с подслоем MgO оказались значительно выше, чем на других подложках для пленок всех толщин. Особенно же значительно улучшаются свойства самых тонких пленок 2,5-3 нм. С использованием кремниевой подложки с подслоем MgO удалось впервые получить пленки NbN толщиной 2 нм с температурой сверхпроводящего перехода более 9 К и изготовить на их основе практические смесители.

Для изготовления NbN-смесителей на частоту гетеродина 30 ТГц использовались подложки из арсенида галлия. Толщина пленки составляла 5 нм. Это связано с тем, что сверхпроводящие свойства пленок NbN на подложке GaAs значительно хуже, чем на всех остальных подложках, что определяется как качеством поверхности GaAs, так и необходимостью производить процесс осаждения на подложку, нагретую до значительно меньшей температуры, чем в случае кремниевых или сапфировых подложек. Осаждение на подложку из арсенида галлия осуществляется при температуре подложки ЗОО°С, поскольку при температуре 400°С происходит активная дегазация мышьяка, и нарушается состав подложки. Осаждение сверхпроводниковых пленок NbN на подложки из кремния и оксида магния осуществляется при температуре подложки 850°С.

При изготовлении смесителей субмикронных размеров типа А малые контактные площадки, внутренняя часть спиральной антенны и защитная пленка SiO поверх мостика формируются при помощи электронно-лучевой литографии в несколько этапов. С помощью дальнейшей фотолитографии у смесителей формируется внешняя часть спиральной антенны и большие контакты. На рис. 4 представлены общий вид смесителя типа А, интегрированного в спиральную антенну, и электронная фотография внутренней части субмикронных размеров.

Смесители типа В для исследования энергетической релаксации формировались из пленки NbTiN в несколько этапов. На первом этапе фотолитографии формировались малые контактные площадки, определяющие активный участок сверхпроводниковой пленки. Следующим этапом фотолитографии формируются спиральная антенна из золота, оптимизированная на частоту 140 ГГц, и большие контактные площадки. На рис. 5 представлена фотография центральной части смесителя на частоту 140 ГГц и указана область, покрытая фоторезистом, определяющая активный участок сверхпроводниковой пленки NbTiN после стравливания NbTiN по полю.

Смесители типа С, предназначенные для работы в среднем инфракрасном диапазоне (20-70 ТГц), также формируются без использования электронно-лучевой литографии. На первом этапе формируются контактные площадки, также выполненные в виде участка копланарной линии. Зазор между центральными участками нулевого и сигнального контактов определяет длину активного участка NbN-пленки. Следующим этапом фотолитографии над зазором формируется участок пленки SiO, который определяет ширину NbN-мостика. На последнем этапе пленка сверхпроводника стравливается по полю за исключением участков, защищенных золотом или SiO. При стравливании NbN также стравливается верхний слой подложки из GaAs, что приводит к неровностям на поверхности. Подобные неровности на оборотной стороне подложке не позволяют осуществить оптически плотный контакт подложки с плоской поверхностью линзы, поэтому обратная сторона подложки покрывалась резистом на время стравливания NbN. На рис. 6 представлена фотография смесителя типа С на частоту гетеродина 30 ТГц.

Фотография субмикронного смесителя типа А (слева). Справа -фотография мостика и малых контактов, полученная на электронном микроскопе

Рис. 4. Фотография субмикронного смесителя типа А (слева). Справа -фотография мостика и малых контактов, полученная на электронном микроскопе

Фотография центральной части смесителя типа В

Рис. 5. Фотография центральной части смесителя типа В

Фотография смесителя типа С (слева). Справа - фотография мостика и малых контактов в этом смесителе, полученная на электронном микроскопе

Рис. 6. Фотография смесителя типа С (слева). Справа - фотография мостика и малых контактов в этом смесителе, полученная на электронном микроскопе

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >