ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ КРИОГЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР ГЕТЕРОДИНА СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ТУННЕЛЬНОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ СИСТЕМ
TUNABLE SUB-TERAHERTZ RANGE HETERODYNE CRYOGENIC GENERATOR BASED ON DISTRIBUTED TUNNEL JUNCTION FOR INTEGRATED RECEIVING SYSTEMS

Данное изобретение относится к области разработки новых элементов сверхпроводниковой электроники и создания на их основе сверхчувствительных приемных устройств субтерагерцового диапазона с предельно высоким спектральным разрешением; это изобретение может быть использовано при создании терагерцовых спектрометров, предназначенных для радиоастрономии, исследования атмосферы Земли, медицинской диагностики, а также для систем контроля и обеспечения безопасности.
Известен аналог предлагаемого технического решения - генератор субтерагерцового диапазона на основе лампы обратной волны (ЛОВ), состоящий из генераторной лампы обратной волны, помещенной в магнит с полем в зазоре порядка 1 Тл, высоковольтного блока питания и системы водяного охлаждения. ЛОВ перекрывают достаточно большой диапазон частот, например выпускаемый фирмой MICROTECH Instruments Inc. США прибор QS1-710 ov80 обеспечивает мощность 5 мВт в диапазоне 530-710 ГГц [1]. Однако генераторы на основе ЛОВ являются весьма громоздкими и дорогими системами, поскольку для их работы требуется: а) магнитное поле 1.2 Тл (создается специальным магнитом весом 18-20 кг); б) напряжение до 6 кВ, которое обеспечивается высоковольтным блоком питания; в) водяное охлаждение ЛОВ. Кроме того, гарантируемый ресурс работы ЛОВ составляет не более 100 часов. Стоимость же такой системы составляет 30-40 тыс. долларов США. В России ЛОВ выпускало НПО ИСТОК, однако в настоящее время производство практически свернуто.
Имеются также системы на основе полупроводниковых умножителей частоты, однако для их работы требуются усилители мощности диапазона 100 ГГц с мощностью порядка 100 мВт, такие усилители производятся только фирмой TRW для специальных приложений и на рынке пока недоступны. Кроме того, такие системы могут работать только при комнатной температуре и не очень подходят для использования в качестве генератора гетеродина для интегральных приемных систем.
Известен также аналог [2], разработанный на основе туннельной структуры Nb-NbOx-Pb. Сверхпроводниковый генератор гетеродина на основе распределенного туннельного джозефсоновского перехода (flux flow oscillator, FFO - «ФФО» в русской транскрипции) - это джозефсоновский переход с длиной значительно большей джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля в переход, в котором под действием магнитного поля и транспортного тока движутся джозефсоновские вихри. При выходе из перехода каждого такого вихря генерируется импульс напряжения.
Сигнал от криогенного генератора детектировался туннельным переходом микронной площади; было продемонстрировано, что генератор работает в диапазоне частот 100-400 ГГц, величина излучаемой мощности может достигать 1 мкВт. Недостатком этой системы является ее ненадежность, обусловленная использованием туннельного перехода Nb-NbOx-Pb с мягким верхним электродом. Существенным недостатком является небольшой частотный диапазон, что, по-видимому, также вызвано применением свинца в качестве верхнего электрода. Принципиальным является невозможность использования данного генератора в спектрометре с высоким частотным разрешением, так как не предусмотрена стабилизация его частоты и ее привязка по фазе к опорному генератору. Как известно, узкая и стабильная линия излучения и возможность ее привязки к опорному синтезатору являются основными требованиями к генератору гетеродина для спектрометра.
Прототипом предлагаемого технического решения является сверхпроводниковый генератор гетеродина (СГГ) на основе распределенного туннельного перехода Nb-AlOx-Nb [3]. Для работы в составе супергетеродинного приемника СГГ может быть интегрирован с гармоническим смесителем (ГС); ГС предназначен для стабилизации частоты генератора с помощью дополнительной системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Сверхпроводниковый генератор гетеродина представляет собой трехслойную пленочную структуру, изготавливаемую в едином вакуумном цикле на подложке из монокристаллического кремния. На нижний электрод из ниобия толщиной 200 нм методом магнетронного распыления наносится тонкий слой алюминия толщиной 5-7 нм. Затем этот слой частично окисляется для создания туннельного барьера, оставшийся тонкий слой алюминия является сверхпроводящим из-за эффекта близости с ниобием, поскольку длина когерентности в алюминии много больше толщины этого слоя. Следующей операцией производится напыление верхнего электрода из ниобия толщиной 100-150 нм. Длина генераторного перехода (порядка 500 мкм) во много раз превосходит глубину проникновения поля в туннельный барьер, именно поэтому такой переход называется распределенным. Сверхпроводниковые генераторы на основе распределенных джозефсоновских переходов Nb-AlOx-Nb были успешно испытаны в качестве интегрального источника гетеродина в диапазоне частот от 100 до 700 ГГц, обеспечивая достаточную мощность для накачки СИС смесителя (порядка 1 мкВт на частоте 500 ГГц). Как частота, так и мощность СГГ могут меняться в широких пределах без каких-либо механических перестроек.
Частотное разрешение приемника (наряду с шумовой температурой и диаграммой направленности) является одним из основных параметров для радиоастрономии и мониторинга атмосферы. Для того чтобы получить требуемое частотное разрешение, сверхпроводниковый генератор гетеродина интегрального приемника должен быть синхронизирован к опорному синтезатору. Одной из основных характеристик генератора в режиме ФАПЧ является спектральное качество (СК), равное доле мощности излучения генератора, сосредоточенной в узкой полосе вокруг его центральной частоты. Для обеспечения режима ФАПЧ со спектральным качеством более 50% автономная ширина линии излучения ФФО не должна превышать 5-6 МГц [3], реализация такой узкой линии во всем частотном диапазоне стала возможной в результате оптимизации топологии и параметров СГГ [4].
Однако детальные измерения ширины линии излучения СГГ показали, что в спектре излучения криогенного генератора существует сверхтонкая структура [5] с расстоянием между провалами порядка 10 МГц, см. Фиг.1. Наличие такой структуры обусловлено присутствием резонансов на вольт-амперной характеристике (см Фиг.2), что существенно усложняет синхронизацию СГГ к опорному синтезатору на произвольной частоте. В работе [5] не было предложено адекватного объяснения новому эффекту, который препятствует реализации режима ФАПЧ на произвольной частоте СГГ (возможна работа только на резонансных ступенях - см. Фиг.2), что является существенным недостатком прототипа.
Цель предлагаемого изобретения заключается в реализации непрерывной перестройки частоты криогенного генератора для обеспечения возможности фазовой подстройки частоты к опорному синтезатору на произвольной частоте во всем диапазоне перестройки.
Поставленная цель достигается тем, что в криогенном генераторе гетеродина для интегральных приемных устройств субтерагерцового диапазона на основе распределенного туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, изготовленного на подложке из кристаллического изолирующего материала, обратная сторона подложки выполнена шероховатой, с размером неоднородностей соизмеримой с длиной звуковой волны субтерагерцового диапазона в кристаллической подложке.
Поставленная цель достигается также тем, что подложка выполнена из высокочистого кристаллического кремния.
Поставленная цель достигается также тем, что размер неоднородностей обратной стороны кремниевой подложки лежит в диапазоне 20-1000 нм.
Поставленная цель достигается также тем, что подложка выполнена из кристаллического кварца, MgO или другого материала, пригодного для изготовления туннельных переходов методами микроэлектроники.
Поставленная цель достигается также тем, что нижний сверхпроводниковый электрод туннельного перехода выполнен из Nb, a верхний - из NbN или NbTiN.
Поставленная цель достигается также тем, что изолятор в туннельной структуре выполнен из AlN или MgO.
Поставленная цель достигается также тем, что оба сверхпроводника выполнены из NbN или NbTiN.
Предлагаемые варианты туннельных структур изготавливаются в едином вакуумном цикле известными методами микроэлектроники.
Принципиально новым в представленном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что полученный таким образом криогенный генератор гетеродина позволяет непрерывно перестаивать частоту и обеспечивать режим ФАПЧ генератора в любой точке рабочего диапазона от 300 до 700 ГГц.
Перечень фигур и графических изображений.
Фиг.1. Спектры излучения СГГ на основе туннельного перехода Nb-AlN-NbN, изготовленного на полированной кремниевой подложке, измеренные на частоте 425 ГГц и преобразованные на промежуточную частоту с помощью гармонического смесителя: а) автономная линия в режиме частотной стабилизации; b) в режиме max hold при непрерывной перестройке частоты СГГ в диапазоне 100 МГц.
Фиг.2. Сверхтонкая резонансная структура на ВАХ джозефсоновского перехода Nb-AlN-NbN на полированной кремниевой подложке, восстановленная по измерению линии излучения СГГ на частоте 425 ГГц.
Фиг.3. Изображение поверхности оптически полированной подложки кремния, полученное с помощью микроскопа атомных сил. Наибольшее значение неоднородностей поверхности на шкале справа имеет порядок 1 нм.
Фиг.4. Изображение обратной поверхности кремниевой подложки, полученное с помощью микроскопа атомных сил, после обработки абразивным порошком с размером частиц порядка 1 мкм (показана также линия поперечного разреза - см. Фиг.5).
Фиг.5а. Поперечный разрез изображения обратной поверхности кремниевой подложки, полученного с помощью микроскопа атомных сил, после обработки абразивным порошком с размером частиц порядка 1 мкм (см. Фиг.4).
Фиг.5б. Гистограмма, показывающая число неоднородностей с определенным размером на поверхности кремниевой подложки после обработки абразивным порошком с размером частиц порядка 1 мкм (см. Фиг.4).
Фиг.6. Спектры излучения СГГ на основе туннельного перехода Nb-AlN-NbN, измеренные на частоте 512 ГГц, после обработки обратной стороны кремниевой подложки абразивным порошком с размером частиц порядка 1 мкм; спектры измерены путем преобразования на промежуточную частоту с помощью гармонического смесителя: а) автономная линия в режиме частотной стабилизации;б) режим ФАПЧ; в) режим «max hold», измерения выполнены при непрерывной перестройке частоты СГГ в диапазоне 100 МГц. Ширина автономной линии излучения 1.5 МГц, отношение сигнал/шум 36 дБ, спектральное качество - 93.5%.
Фиг.7. Изображение обратной поверхности кремниевой подложки, обработанной методом химического травления; изображение получено с помощью растрового электронного микроскопа.
Предлагаемое устройство - криогенный генератор гетеродина субтерагерцового диапазона на основе распределенного туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник - представляет собой интегральную структуру, изготавливаемую в едином вакуумном цикле методами микроэлектроники.
0
CL
В криогенном генераторе на основе распределенного туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник под действием приложенного магнитного поля и транспортного тока движутся джозефсоновские вихри. Каждый такой вихрь содержит квант магнитного потока Ф=h/2e. Для создания магнитного поля в ФФО могут быть использованы как внешняя катушка, так и интегральная линия управления (ЛУ) с током I. В соответствии с соотношением Джозефсона
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><msub><mi>Ф</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>V</mi><mo>,</mo><mtext>                         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
-15
согласно которому джозефсоновский переход, находящийся при напряжении V, генерирует электромагнитные колебания с частотой f (порядка 483.6 ГГц/мВ). Здесь Ф - квант магнитного потока =2*10 Вб. Скорость и плотность флаксонов, а следовательно, мощность и частоту излучения можно перестраивать путем изменения тока или/и магнитного поля.
Для успешной работы интегрального приемника необходима непрерывная перестройка частоты генерации гетеродина. Однако, как уже указывалось выше, в спектре излучения распределенных джозефсоновских переходов (РДП), напыленных на оптически полированные кремниевые подложки, были обнаружены необычные резонансные структуры [5]. Такие же структуры были нами обнаружены и для наиболее широко применяемых сейчас туннельных переходов Nb-AlN-NbN. В отличие от требуемой равномерной зависимости мощности излучения от частоты наблюдаются эквидистантные «провалы» (см. Фиг.1, красная кривая), что делает невозможным задание любой желаемой частоты генерации СГГ. Режим max-hold на этом рисунке - это такой режим работы спектроанализатора, в котором он «запоминает» только наибольшие значения в каждом частотном канале. Таким образом, работа генератора гетеродина возможна только в точках между провалами, что значительно осложняет, а зачастую делает невозможной работу системы ФАПЧ.
Эта сверхтонкая резонансная структура проявляется и на вольт-амперной характеристике (ВАХ) джозефсоновского перехода (см. Фиг.2). Для восстановления вида ВАХ с высокой точностью изменялся ток смещения (от 18730 мкА до 18790 мкА) и регистрировалась частота генерации СГГ, которая затем по известному соотношению Джозефсона hf=2eV была пересчитана в напряжение. Поскольку точность измерения частоты порядка 1 МГц, это позволяло определять напряжение с точностью лучше 2 нВ.
Для экспериментального исследования эффекта была использована новая методика измерения излучения сверхпроводниковых генераторов субтерагерцового диапазона, которая была создана и апробирована авторами заявки. Ее суть состоит в использовании СИС-перехода в качестве гармонического смесителя сигналов от высокостабильного синтезатора и исследуемого генератора. В результате на выходе усилителя промежуточной частоты мы измеряем преобразованный вниз по частоте спектр излучения сверхпроводникового генератора гетеродина (см. Фиг.1 - синяя кривая, где представлен спектры СГГ в режиме частотной стабилизации). В случае использования стандартных монокристаллических подложек из кремния с оптической полировкой, необходимой для применения методов микроэлектроники, из-за взаимодействия с отраженной АВ акустической волной в спектре генерации РДП возникает характерная тонкая структура, что было впервые обнаружено в наших работах (см. Фиг.1 - красная кривая).
Теоретическое объяснение этого необычного эффекта было изложено в работе [6]. В этой работе теоретически показана возможность образования связанных электромагнитно-упругих колебаний в распределенном джозефсоновском переходе, расположенном на подложке, которая играет роль акустического резонатора. Была развита теория генерации и детектирования когерентных фононов субтерагерцовых частот (от 100 до 700 ГГц) в туннельном джозефсоновском переходе, изготовленном на монокристаллической подложке. Рассчитана вольт-амперная характеристика (ВАХ) перехода и показано, что резонансная генерация когерентных акустических волн проявляется как сверхтонкая структура ВАХ (в виде дополнительных ступенек на фоне обычных ступеней Фиске). При этом расстояния между ступеньками по частоте (напряжению) соответствуют расстояниям между резонансами продольных акустических волн в подложке (порядка нескольких мегагерц).
-6
-6
Таким образом, проведенный нами анализ показал, что обнаруженный эффект вызван резонансным возбуждением звука. Звук возбуждается джозефсоновским переходом, а подложка выступает в качестве резонатора. Это подтверждается тем фактом, что расстояние между резонансами хорошо согласуется с расстоянием между модами стоячей звуковой волны в подложке. Нами были исследованы интегральные приемные структуры, изготовленные на подложках толщиной 500 и 300 мкм. Продольная скорость звука в кремнии в направлении <100> составляет около 8500 м/с [7]; это приводит к расстоянию между модами стоячей звуковой волны в подложке, равной 8500/2/300·10≈14,2 МГц для толщины подложки 300 мкм, и 8500/2/500·10≈8.5 МГц для толщина подложки 500 мкм (см. Фиг.1). Расчетные значения хорошо согласуются с экспериментальными данными; это подтверждает правильность предположения о том, что сверхтонкие резонансные структуры вызваны возбуждением звука в подложке за счет генерации СГГ и последующего детектирования отраженной волны джозефсоновским переходом.
В наших экспериментах СГГ были изготовлены на подложках из оптически полированного кремния. Оптическая полировка позволяет добиться предельно низкого размера неоднородностей поверхности, что было подтверждено измерениями с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), размер неоднородности лежит в пределах 1 нм, что близко к разрешающей способности этого атомно-силового микроскопа (Фиг.3).
Понимание причины возникновения эффекта позволяет предложить и способ его подавления. Это станет возможным, если обеспечить диффузное отражение звуковой волны от обратной стороны подложки. Акустические свойства подложки оказывают прямое влияние на сверхтонкую резонансную структуру, так как она выступает в роли высокодобротного резонатора. Нами предложено обработать поверхность подложки для обеспечения диффузного рассеяния. Следует отметить, что это весьма непростая задача, длина звуковой волны в кремнии при частоте 500 ГГц равна примерно 20 нм, то есть необходимо создавать размеры неоднородностей на поверхности подложки, сравнимые с этой величиной. При этом нужно учитывать, что микросхема интегрального приемника изготавливается методами микроэлектроники, требующими высокой плоскостности подложек. Кроме того, подложка устанавливается обратной стороной на кремниевую линзу для концентрации принимаемого субтерагерцового излучения на приемную антенну. Это означает, что размер неоднородностей не должен превышать 1 мкм для обеспечения приемлемых оптических потерь.
Одним из самых простых и относительно быстрых методов является обработка поверхности с помощью полировочных средств: шлифовальная бумага, полировочные порошки, полировочные растворы, содержащие мелкие частицы абразивного материала.
Была произведена ручная обработка поверхности подложек с помощью порошка с размером частиц 1 мкм, АСМ изображение поверхности подложки, обработанной 1 мкм порошком, представлено на Фиг.4. На Фиг.5а показан разрез изображения, а на Фиг.5в представлена гистограмма, на которой показано число неоднородностей с определенным размером. Гистограмма получена анализом изображения (Фиг.4) с помощью программы NOVA компании NT-MDT. Несмотря на то что поверхность была обработана порошком, размер частиц которого составляет 1 мкм, наибольшее число неоднородностей имеет размер порядка 150 нм. По-видимому, это связано с тем, что с самой обрабатываемой поверхностью контактирует лишь часть поверхности частиц.
В результате проведенной абразивной обработки отражение от обратной поверхности стало диффузным и возникновение стоячих волн (резонансов в подложке) стало невозможным. Это привело к полному подавлению резонансной структуры и дало возможность реализовать непрерывную перестройку частоты и режим фазовой автоподстройки частоты во всем диапазоне работы СГГ (см. Фиг.6).
При обработке поверхности с помощью полировочной жидкости, в которой взвешены частицы алмаза размером 0.1 мкм, на поверхности появлялись небольшие царапины шириной 20-30 нм и глубиной порядка 5 нм. Обработка происходила на специальном полировочном бархатном диске, используемом для финальной полировки поверхностей, на который наливалась эта жидкость. Однако обработка поверхности подложки таким способом не привела к заметному уменьшению эффекта. Это говорит о том, что либо размер неоднородностей мал по сравнению с длиной звуковой волны, либо количество образуемых неоднородностей недостаточно.
Еще один способ создания необходимого уровня шероховатости состоит в использовании процесса травления поверхности пластины из монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты. Получаемый в результате рельеф обратной стороны подложки (см. Фиг.7) также приводит к полному подавлению сверхтонкой резонансной структуры. Такой способ представляется более технологичным, так как обработка может проводиться до начала формирования сверхпроводниковых структур.
Таким образом, подавление сверхтонкой резонансной структуры в спектре излучения и на ВАХ сверхпроводникового генератора гетеродина позволило реализовать непрерывную перестройку частоты генерации и возможность режима фазовой автоподстройки частоты гетеродина во всем частотном диапазоне 300-750 ГГц. Отметим, что фазовая стабилизация частоты генератора требуется для использования интегрального приемника для спектральных измерений с предельно высоким разрешением. Это результат чрезвычайно важен для применения интегральных приемных устройств со сверхпроводниковым генератором гетеродина субтерагерцового диапазона как в бортовых системах для радиоастрономии и мониторинга атмосферы Земли, так и в лабораторных системах для медицинской диагностики и систем безопасности.
Ссылки
[1] Система QS1-710 ov80 на основе ЛОВ фирмы MICROTECH Instruments Inc. США; http://www.mtinstmments.com/thzsources/index.htm.
[2] Т.Nagatsuma, К.Enpuku, F.Irie, and K. Yoshida, "Flux-flow type Josephson oscillator for mm and submm wave region," J. Appl. Phys., vol.54, p.3302, 1983.
[3] V.P.Koshelets, P.N.Dmitriev, A.B.Ermakov, A.S.Sobolev, M.Yu. Torgashin, V.V.Kurin, A.L.Pankratov, J.Mygind, "Optimization of the Phase-Locked Flux-Flow Oscillator for the Submm Integrated Receiver", "IEEE Trans. on Appl. Supercond. ", vol.15, pp.964-967, 2005.
[4] V.Koshelets, M.Birk, D.Boersma, J.Dercksen, P.Dmitriev, A.Ermakov, L.Filippenko, et al, "Integrated Submm Wave Receiver: Development and Applications", - 'Chapter in the book "Nanoscience Frontiers - Fundamentals of Superconducting Electronics", Springer Serie: Nanoscience and Technology_35372, pp.263-296, Editor: Anatolie Sidorenko, (August 2011).
[5] 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", IEEE Trans. on Appl. Supercond., v.11. №1, pp.1211-1214, (2001).
[6] Polzikova, N.I.; Mansfeld, G.D.; Tokpanov, Y.S.; Koshelets, V.P.; "Resonant Subterahertz Coherent Acoustic Waves Excitation by Josephson Junction", Proceedings of the 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & European Frequency and Time Forum, San Fransisco, USA, ISSN: 1075-6787; DOI: 10.1109/FCS.2011.5977826, 483 (2011)
[7] Sea-Fue Wang, Yung-Fu Hsu, Jui-Chen Pu, James C. Sung, L.G. Hwa, "Determination of acoustic wave velocities and elastic properties for diamond and other hard materials", Materials Chemistry and Physics 85 (2004) 432-437.