Полоса преобразования NbTiN-смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц

3.2. Полоса преобразования NbTiN-смесителей вблизи критической температуры в магнитном поле на частоте гетеродина 140 ГГц

Полоса преобразования NbTiN-смесителей в режиме низкой физической температуры и большой мощности гетеродина значительно меньше, чем для смесителей на основе ультратонких пленок NbN. Большинство других научных групп, исследовавших NbTiN-смесители позже, получили значения того же порядка для полосы преобразования в оптимальной по шумовой температуре рабочей точке. Так, волноводные NbTiN-смесители на кварцевой подложке с подслоем A1N демонстрируют полосу преобразования 0,9-1,2 ГГц [88]. Несмотря на сравнительно хорошие шумовые характеристики, которые демонстрируют приемники на основе NbTiN-смесителей [16], столь малая полоса не позволяет разрабатывать конкурентоспособные смесители. Чтобы определить направление для дальнейшей оптимизации таких смесителей, необходимо глубже исследовать механизм энергетической релаксации электронной подсистемы в NbTiN.

Для этого необходимо исследовать полосу преобразования NbTiN-смесителей в ситуации, когда физическая температура близка к критической температуре пленки. В этом квазиравновесном состоянии точно известна температура электронов 0 = Т_с, а следовательно, и время электрон-фононного взаимодействия, i_e__ph(0). Мощности гетеродина и постоянного тока много меньше того, что требуется для оптимального смещения при низкой температуре. При этом параметр саморазогрева С = C₀I₀²« 1 в основном за счет малости величины транспортного тока 1₀, и поэтому можно пренебречь влиянием эффекта термоэлектрической обратной связи по постоянному току, который приводит к изменению времени релаксации электронной температуры и, следовательно, полосы ПЧ смесителя вдоль вольт-амперной характеристики.

Таким образом, полоса ПЧ смесителя при физической температуре, близкой к критической, определяется только соотношением времен т_{с ph}, т_рь _с и x_esc, что дает возможность проще интерпретировать полученные результаты.

Полоса преобразования для смесителей на эффекте электронного разогрева, изготовленных из пленок NbTiN, нанесенных на подложки из кремния, сапфира и кремния с подслоем MgO, исследовалась с использованием экспериментальной установки на основе СВЧ-генераторов диапазона 127-142 ГГц. Этот частотный диапазон был выбран потому, что мостик шириной 10 микрон и длиной 1 микрон требует больших размеров спиральной антенны, в которую он интегрирован, а масштаб центральной части спиральной антенны определяет верхнюю границу рабочего диапазона входных частот антенны. Как было сказано в первом параграфе второй главы, такие размеры мостика позволяют уменьшить влияние диффузии разогретых электронов в контактные площадки на время энергетической релаксации электронной подсистемы смесителя. Зависимости выходной мощности смесителей от промежуточной частоты для NbTiN-смесителей с толщиной пленок 3,5 нм, 4 нм и 10 нм представлены на рис. 17. Экспериментально полученные значения выходной мощности смесителей обозначены треугольниками для смесителей, изготовленных из пленки NbTiN толщиной 10 нм, квадратами для NbTiN-плёнки толщиной 4 нм и кружками для толщины 3,5 нм. Значения полосы преобразования, при которых стандартные подгоночные кривые максимально близко проходят рядом с экспериментальными данными, составляют 100 МГц, 300 МГц и 400 МГц для смесителей на основе NbTiN-плёнок толщиной 10 нм, 4 нм и 3,5 нм соответственно. На рис. 18 представлены зависимости выходной мощности от промежуточной частоты для NbTiN-смесителей с толщиной пленки

3,5 нм на кремниевой и сапфировой подложках. Полоса преобразования для исследованных смесителей составляет 270 МГц для кремниевой подложки и 350 МГц для сапфировой подложки.

Промежуточная частота, ГГц

Рис. 17. Графики зависимостей выходной мощности от промежуточной частоты для NbTiN-смесителей с толщиной пленки 10 нм, 4 нм и 3,5 нм на кремниевой подложке с подслоем MgO

Рис. 18. Графики зависимостей выходной мощности от промежуточной частоты для NbTiN-смесителей с толщиной пленки 3,5 нм на кремниевой подложке (слева) и на сапфировой подложке (справа)

Для смесителей на электронном разогреве, находящихся вблизи температуры сверхпроводящего перехода, когда распределение эффективной электронной температуры однородно по всей площади сверхпроводящего мостика, постоянная времени болометра на эффекте электронного разогрева T_Ph зависит лишь от характеристических времен т_ерь и x_esc. Полоса преобразования смесителя на эффекте электронного разогрева может завесить от температуры, в силу зависимости от температуры электрон-фононного взаимодействия, и от толщины пленки сверхпроводника из-за зависимости времени ухода неравновесных фононов в подложку от толщины пленки и от акустического согласования между пленкой сверхпроводника и подложкой. На рис. 19 представлено время энергетической релаксации исследованных NbTiN-смесителей в зависимости от толщины пленки. Как видно из рисунка, время релаксации т© = l/2rcf исследованных смесителей на основе эффекта электронного разогрева в пленке NbTiN с длиной мостика 1 мкм удовлетворяет зависимости T₀(d) = 0,2 l (d- 1,5). Пересечение графика зависимости с осью абсцисс в точке 1,5 нм можно объяснить погрешностью определения толщины пленок. Как указывалось в главе 2, толщина ультратонких пленок оценивается по времени процесса при известной скорости осаждения. Скорость осаждения рассчитывается из прямого измерения толщины пленки, осажденной в длительном процессе. Однако скорость неустановившегося процесса в самом начале осаждения может быть как больше, так и меньше усредненной скорости в длительном процессе.

Толщина пленки, А

Рис. 19. График зависимости времени энергетической релаксации от толщины пленки для NbTiN-смесителя на кремниевой подложке с подслоем MgO

Принимая во внимание тот факт, что полоса преобразования исследованных смесителей не зависит заметным образом от рабочей температуры, можно предположить, что в случае пленок NbTiN толщиной

3,5 нм и более, нанесенных на кремниевые подложки с подслоем MgO, характеристическое время электрон-фононного взаимодействия значительно короче x_esc и не оказывает влияния на полосу преобразования в исследованном диапазоне температур. Полоса преобразования таких смесителей ограничена лишь временем ухода неравновесных фононов в подложку, и постоянная времени болометра равна r_csc.

Полоса преобразования, получаемая в условиях низкой рабочей температуры при оптимальной накачке смесителя мощностью гетеродина, зависит от напряжения смещения вследствие термоэлектрической обратной связи. Влияние этого эффекта уменьшается с увеличением напряжения смещения. Поэтому результаты, полученные при больших смещениях (в рабочей точке 2 на рис. 11), должны больше соответствовать результатам, полученным в условиях однородного распределения эффективной электронной температуры вдоль сверхпроводникового мостика, чем полоса преобразования, демонстрируемая в оптимальной по шумовой температуре рабочей точке.