Содержание.
Стр.
Введение. 5
1. Обзор литературы. 11
1.1 Эффект Джозефсона. 11
1.2 Основы теории Гильберт-спектросконии. 14
1.3 Основные типы бикристаллических переходов из ВТСП. 17
1.4 Основные модели барьера в бикристаллических переходах из ВТСП. 19
1.5 Избыточные низкочастотные шумы в бикристаллических переходах из ВТСП. 22
1.6 Изменение электрических характеристик бикристаллических переходов из ВТСП при помощи насыщения их кислородом. 24
1.7 Детекторные характеристики бикристаллических переходов из ВТСІ1. 25
1.8 Постановка задачи. 27
2. Основные черты экспериментальных установок. 30
2.1 Экспериментальная установка для исследования электрических и шумовых
характеристик бикристаллических переходов из ВТСП. 30
2.1 Л. Блок-схема установки для исследования электрических и шумовых характеристик
бикристаллических переходов из ВТСП. 30
2.1.2. Схема блока аналоговой электроники и его характеристики. 33
2.1.3.1Іринципиальная схема и характеристики малошумящего криогенного усилителя. 35
2.2. Экспериментальная установка для исследования детекторных характеристик
бикристаллических переходов в терагерцовой области частот. 36
2.2.1. Блок-схема установки для исследования детекторных характеристик
бикристаллических переходов в терагерцовой области частот. 36
2.2.2. Электрическая часть установки для исследования детекторных характеристик
бикристаллических переходов и ее характеристики. 38
2.2.2.1. Схема электрических измерений. 38
2.2.2.2. Блок аналоговой электроники и его характеристики. 41
2.2.2.3. Аналоговый малошумящий генератор развертки. 43
2.2.3. Квазиоптическая часть экспериментальной установки . 44
2.3. Экспериментальная установка для насыщения бикристаллических переходов
кислородом. 48
2.3.1. Обзор методик насыщения бикристаллических переходов кислородом. Выбор
методики насыщения бикристаллических переходов кислородом. 48
2
2.3.2. Блок-схема экспериментальной установки для насыщения бикристаллических
переходов кислородом. 49
3. Электрические и низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических
переходов из УВагСизСЬ-х. 52
3.1. Введение. 52
3.2. Методика измерения электрических и шумовых параметров бикристаллических
переходов. 53
3.3. Вольт-амперные характеристики бикристаллических переходов. 55
3.4. Основные отклонения ВАХ бикристаллических переходов от резистивной модели. 60
3.5. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллических переходов. 65
3.6. Анализ экспериментальных результатов. 76
3.7. Выводы. 78
4. Влияние отжига в атмосфере атомарного кислорода на электрические и шумовые
характеристики бикристаллических переходов. 80
4.1. Введение. 80
4.2. Влияние технологического процесса формирования тонкопленочного бикристаллического перехода на параметры бикристаллической границы. 81
4.3. Методика отжига мостиков из УВагСизСЬ-х и бикристаллических переходов в атмосфере озона. 86
4.4. Влияние отжига в атмосфере озона на критический ток и критическую температуру тонких пленок УВа2СизС>7-х. 89
4.5. Вольт-амперные характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001J до и после отжига в атмосфере озона. 92
4.6. Низкочастотные шумовые характеристики бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001 ] до и после отжига в атмосфере озона. 95
4.7. Анализ экспериментальных результатов. 97
4.8. Выводы. 103
5. Теоретическая оценка предельных характеристик частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода. 105
5.1. Введение. 105
5.2. Оценка предельной скорости сканирования спектра при помощи частотно-селективного детектора на основе джозефсоновского перехода. 105
5.3. Оценка NEP частотно-сслсктивного детектора с учетом избыточных низкочастотных
флуктуаций. 110
5.4. Оценка динамического диапазона по мощности частотно-селективного детектора. 117
3
5.5 Выводы. 123
6. Исследование детекторных характеристик частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001] в терагерцовой области частот. 124
6.1. Введение. 124
6.2. Методика измерений отклика напряжения бикристаллического перехода на внешнее
монохроматическое излучение. 125
6.3. Согласование бикристаллического перехода с внешним излучением. Оценки потерь
внутри квазиоптического тракта. 131
6.4. Экспериментальное исследование детекторных характеристик бикристаллических
переходов с взаимнонаклоненными осями [001 ] на частоте 692 ГГц. 134
6.5. Экспериментальное исследование полихроматического спектра излучения газового
лазера дальнего ИК диапазона при помощи частотно-селективного детектора на основе бикристаллического перехода с взаимнонаклоненными осями [001]. 143
6.6. Выводы. 148
Основные результаты и выводы. 150
Ссылки. 153
Благодарности. 160
4
Введение.
В последние годы наблюдается значительный прогресс в исследовании свойств материалов и создании источников излучения в тсрагерцовой области частот. Спектр применений терагерцовых технологий довольно обширен и включает в себя как прикладные, так и фундаментальные задачи. Например, исследование характеристик полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) [1,2], тсрагерцовую томографию [3], исследование поведения сложных биологических молекул, анализ генов без применения меток [4,5] и многое другое. Несмотря на отсутствие устоявшегося определения, что свидетельствует о продолжающемся развитии этой области науки, терагерцовой чаще всего считается область частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц [6], лежащая между инфракрасным и микроволновым диапазонами частот.
С исторической области зрения одной из первых областей применения детекторов терагерцового излучения является радиоастрономия [7]. Интерес радиоастрономов к этому диапазону частот во многом обусловлен тем, что примерно половина светимости галактик и 98% фотонов, излученных с момента большого взрыва, попадает в субмиллиметровый, тсрагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны частот [8]. Большая часть этой энергии приходится на излучение межзвездного газа. Терагерцовый диапазон частот также используется в атмосферной физике для изучения верхних слоев атмосферы [9]. Многие легкие молекулы, такие как вода, монооксид углерода, озон и монооксид хлора имеют вращательные уровни энергии в терагерцовой области частот. Поэтому терагерцовая спектроскопия используется, например, при исследовании состояния озонового слоя и для мониторинга веществ, вовлеченных в процесс разрушения озонового слоя, таких как монооксид хлора. Недавно было показано, что сложные биологические молекулы ДНК, РНК, а также различные виды белков имеют спектры поглощения в терагерцовой области частот [10,11]. Считается, что поглощение происходит при взаимодействии терагерцового излучения с фононными модами биоматериалов [12]. Данный эффект может быть использован для детектирования и идентификации биологических веществ, аналогично спектральному анализу. Значительный прогресс в технологии изготовления микроэлектронных устройств на настоящий момент времени привел к созданию прототипов элементной базы способных работать на частотах до 600 ГГц [13,14], что делает возможным в будущем создание электронных устройств, работающих в субтерагсрцовом и тсрагерцовом диапазоне частот, в частности для нужд телекоммуникационных систем. Серьезным препятствием на пути развития терагерцовой микроэлектроники является отсутствие методик характеризации
5
микроэлектронных устройств на столь высоких частотах, поэтому оценки их быстродействия, как правило, являются теоретическими. Поглощение в атмосфере сильно ограничивает использование терагерцового диапазона частот в наземных радарных и телекоммуникационных системах, однако он может быть использован вне земной атмосферы для увеличения емкости каналов межепутниковой связи [15].
Для исследования спектрального состава излучения, свойств веществ и характеристик электронных приборов необходимы инструменты, способные осуществлять спектральный анализ в терагерцовом диапазоне частот. На настоящий момент времени существует несколько методик спектрального анализа в терагерцовой области частот. В первую очередь это Фурье-слектроскопия. Универсальность этой методики позволяет использовать ее в широчайшем диапазоне частот. Однако в терагерцовой области частот Фурье- спектроскопия сталкивается с рядом трудностей. В первую очередь, это увеличение длины оптического пути и связанные с этим дифракционные потери, так как размеры спектрометра должны быть много больше длины волны излучения. Низкая спектральная плотность мощности традиционных источников излучения, таких как дуговые лампы и 8ІС глобары вынуждает использовать детекторы, работающие при температуре кипения жидкого гелия или еще более низких температурах. Также большую проблему представляет изготовление делителя пучка, способного работать в широком диапазоне частот. Так как принцип действия Фурьс-спектроскопии основывается на изменении длины оптического пути одного из плеч интерферометра при помощи механического передвижения зеркала, то увеличение длины волны излучения сильно ухудшает быстродействие данной спектроскопической методики. Однако, несмотря на эти трудности, большой интерес к терагерцовой области частот привел к появлению коммерческих Фурье-спектрометров, способных работать в данной области частот. Спектральный диапазон таких Фурьс-сиектрометров обычно составляет 5 см'1 -55000 см'1, спектральное разрешение - 0,1 см"1, динамический диапазон по мощности порядка 105 [16]. Другой распространенной спектроскопической методикой является гетеродинный прием на основе смешения сигнала с излучением монохроматического генератора и выделение разностной частоты. Коммерческие спектрометры, использующие эту методику, обычно работают на частотах до 300 ГГц [17]. Основной трудностью препятствующей распространению методики гетеродинного спектрального анализа на терагерцовую область частот является резкое падение мощности твердотельных и вакуумных генераторов излучения с увеличением их частоты, а также малая эффективность умножителей частоты и смесителей в терагерцовой области частот. Несмотря не то, что в настоящее время известны лабораторные макеты твердотельных
6
генераторов микроволнового излучения с предельной частотой до 2,7 ТГц [18], коммерческие широкополосные гетеродинные спектрометры для тсрагерцового диапазона частот до сих пор недоступны. Болес удачной методикой для спектрального анализа в терагерцовой области частот оказалась бурно развивающаяся импульсная терагерцовая спектроскопия (“Terahertz time-domain spectroscopy”) [19,20]. В данной спектроскопической методике генерация терагерцового излучения происходит при взаимодействии лазерных импульсов фемтосекундной длительности с полупроводниковой (GaAs, 1пР) мишенью или с нелинейными оптическими кристаллами (ZnTc, GaSc, LiNbC>3). Проходящий или отраженный от исследуемого материала импульс попадает на детектор, управляемый фемтосекундными лазерными импульсами с заданной задержкой относительно терагерцового импульса. Значение сигнала, снимаемого с детектора пропорционально временной свертке лазерного и терагерцового импульсов. Сканируя время задержки можно вычислить зависимость спектр отраженного терагерцового импульса. К достоинствам импульсной терагерцовой спектроскопии можно отнести то, что она позволяет измерять как действительную, так и мнимую часть показателя преломления исследуемого материала. В настоящее время уже появились первые коммерческие импульсные терагерцовые спектрометры, спектральный диапазон которых составляет 40 ГГц- 4 ТГц, спектральное разрешение - 3 ГГц, динамический диапазон по мощности - 105 [21]. Получения одного спектра в таких системах обычно занимает время порядка 1 минуты. К недостаткам данной методики можно отнести невозможность спектрального анализа внешних источников излучения, относительно большое время сканирования спектра из-за наличия механической линии задержки, а также трудности с характеризацией субмиллиметровых объектов из-за относительно большой величины длины волны терагерцового излучения.
Также существуют различные терагерцовые спектроскопические методики, использующие явление сверхпроводимости. Для детектирования миллиметрового и субмиллиметрового излучения часто применяют сверхпроводниковые устройства на основе эффекта Джозефсона. При этом, джозефсоновский переход в роли преобразователя вниз с самонакачкой и джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме фактически представляют собой готовые миниатюрные электрически управляемые спектроанализаторы, не требующие дополнительного спектроскопического оборудования [22-25]. Стоит упомянуть и спектроскопическую методику на основе комбинации джозефсоновского перехода, используемого как узкополосный генератор терагерцового излучения, и высокочувствительного болометрического детектора [26]. Малые размеры таких сверхпроводящих спектроскопических систем, а также появление в последнее время
7
относительно дешевых криокулеров с большим сроком службы, делают их
перспективными для применения в областях где вес и размеры прибора играют решающую роль, например, на борту летательных аппаратов, на орбитальных спутниках, межпланетных космических станциях.
Для спектрального анализа излучения терагерцового диапазона с произвольным спектром более предпочтителен джозефсоновский переход в частотно-селективном режиме, так как смеситель вниз с самонакачкой плохо принимает
квазимонохроматические сигналы [27]. Было показано, что спектр внешнего сигнала может быть восстановлен из частотно-селективного отклика джозефсоновского перехода при помощи интегрального преобразования Гильберта [28]. Соответственно спектроскопическая методика восстановления спектра внешнего сигнала из частотноселективного отклика джозефсоновского перехода получила название Гильберт-
спектроскопия. К преимуществам Гильбсрт-спектромстра можно отнести отсутствие механических частей, высокое быстродействие детектора, малые размеры. Первые джозсфсоновские переходы были сделаны из низкотемпературных сверхпроводников (НТСГІ), что ограничивало область их применения миллиметровой областью длин волн. Однако открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с большими значениями энергетической щели и разработка технологии изготовления
высококачественных джозефсоновских переходов из ВТСП позволило продвинуть рабочую область джозефсоновского частотно-селективного детектора в терагерцовый диапазон частот, а также перейти к более дешевому азотному охлаждению детектора или охлаждению при помощи криокулера, что значительно удешевляет стоимость обслуживания Гильберт-спектрометра. Показано, что спектральный диапазон Гильберт-спектрометра на основе бикристаллического джозефсоновского перехода из УВагСщСЬ-х составляет 5 ГГц - 5 ТГц, а спектральное разрешение порядка 1 - 3 ГГц [29]. На частоте 100 ГГц для частотно-селективпого детектора на основе джозефсоновского перехода из УВагСиз07.х были получены значения мощности эквивалентной шуму 10‘14 Вт/Гц1/2 и динамического диапазона по мощности 105 при температуре 80 К [30].
Развитие терагерцовых технология во многом сдерживалось отсутствием недорогих мощных источников терагерцового излучения. Фактически, до недавнего времени перечень доступных источников терагерцового излучения ограничивался маломощными (<100 мкВт) генераторами на основе ламп обратной волны или эффекта Ганна в сочетании с умножителями на основе диодов Шоттки и относительно мощными (—100 мВт), но неперестраиваемыми газовыми лазерами, а также непересграиваемыми генераторами, использующими принцип преобразования вниз [6]. Однако, в последнее время появились
8
новые источники терагерцового излучения такие как лазер на свободных электронах [31], широкополосные импульсные источники на основе эффекта фотопроводимости или на эффекте накачки нелинейных электроонтических кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами [19,20], квантовые каскадные лазеры [32], переходное излучение релятивистских электронных пучков [33]. Отличительной чертой новых терагерцовых источников является нестационарность происходящих в них физических процессов и, как следствие этого, импульсный характер их выходного излучения. Импульсный характер излучения накладывает определенные требования на характеристики детектора. В первую очередь это малое время отклика. Высокая частота повторения импульсов некоторых мощных источников широкополосного терагерцового излучения позволяет проводить быстрый спектральный анализ, в частности, изучать переходные процессы при взаимодействии терагерцового изучения с исследуемым объектом, но реализация этой возможности требует высокой скорости сканирования спектра и большого динамического диапазона детектора.
Ясно, что из-за наличия механических частей ни Фурье-спектроскопия, ни импульсная терагерцовая спектроскопия не могут использоваться для быстрого спектрального анализа. Гетеродинные спектрометры удовлетворяют всем требованиям быстрого спектроанализатора и к тому же имеют высокое спектральное разрешение, однако в настоящее время их спектральный диапазон ограничен субтсрагсрцовыми частотами (300 ГГц для коммерческих гетеродинных спектроанализаторах, использующих внешние смесители). Таким образом, учитывая приведенные выше характеристики спектроскопических методик, Гильберт-спектроскопия является на сегодняшний день пожалуй единственной спектрометрической методикой, способной осуществлять быстрый спектральный анализ как непрерывных, так и импульсных терагерцовых источников с произвольным спектром излучения.
Все вышесказанное определяет интерес к исследованию характеристик Гильбсрт-спектрометров на основе УВагСизСЬ-х джозефсоновских переходов в терагерцовой области частот. Известно, что минимум эквивалентной шумовой мощности частотноселективного детектора лежит в области частот, соответствующих напряжению на джозефсоновском переходе равному 0,9Гс, где Ус = 1СЯ„ - величина характерного напряжения перехода, 1С и Яп - критический ток и сопротивление джозефсоновского перехода в нормальном состоянии, соответственно [30]. Таким образом, для частотноселективного детектирования в терагерцовой области частот предпочтительны джозефсоновские переходы с высокими значениями характерного напряжения. Несмотря на высокие значения энергетической щели в высокотемпературных сверхпроводниках, до
9
недавнего времени характерные напряжения джозсфсоновских переходов из ВТСП не превышали 2 - 3 мВ при температуре 4,2 К. Максимальные значения характерного напряжения были достигнуты для бикристаллических переходов, получающихся напылением тонкой пленки из ВТСП с вертикальной осью [001] на бикристаллическую подложку. Недавно были получены бикристаллические переходы с взаимнонаклоненными осями [001], которые обладают рекордными значениями характерных напряжений до 8 мВ при температуре 4,2 К [34-36]. Благодаря высоким значениям характерного напряжения использование нового типа бикристаллических переходов в Гильберт-сиектросконии представляется перспективным как с точки зрения повышения чувствительности, так и для увеличения спектрального диапазона детектора. Однако в настоящее время известны лишь предварительные данные о средних характеристиках бикристаллических переходов с взаимнонаклоненными осями [001]. Поэтому исследование параметров этого типа переходов и их детекторных характеристик представляет большой интерес. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию электрических и низкочастотных шумовых параметров УВагСизОу-х бикристаллических джозефсоновских переходов взаимнонаклоненными осями [001] и изучению их детекторных характеристик в терагерцовой области частот.
Диссертационная работа состоит из введения и 6 глав; содержит 160 страниц, 43 рисунка, 7 таблиц и список ссылок из 138 пунктов.
10
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Эффект Джозефсона.
Эффект Джозефсона является одним из важных макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках. Он состоит в том, что ток через слабую связь между двумя сверхпроводниками может содержать компоненту, которая зависит не только от
напряжения между электродами, но также от разности фаз волновых функций
сверхпроводников. Структуру, состоящую из двух сверхпроводников соединенных слабой связью, в которой наблюдается эффект Джозефсона, принято называть джозефсоновским переходом (ДП).
В классической работе Б. Джозефсона [37], где в качестве слабой связи рассматривался туннельный переход, было показано, что ток сверхпроводящих пар через слабую связь является периодической функцией разности фаз волновых функций сверхпроводников (р. В простейшем случае эта функция имеет вид Тогда ток пар через ДП и напряжение на нем описываются уравнениями Джозефсона:
1!=1,-5т<р, (1)
— ■ — = 2еУ, (2)
2л- Л
где /5 - ток сверхпроводящих пар через переход, /с - критический ток ДП, V - напряжение на ДП. Уравнение (2) является фундаментальным, так как величина коэффициента пропорциональности между частотой и напряжением на переходе зависит только от отношения фундаментальных констант.
Для описания вольтамперных характеристик джозефсоновских переходов была предложена резистивная модель [38-40], в рамках которой полный ток через ДП может быть представлен суммой тока пар 1Р и тока квазичастиц 1Я:
/ = (3)
Ток квазичастиц описывается законом Ома:
'■■Ь т
где /?„ - сопротивление ДП в нормальном состоянии. А зависимость тока
сверхпроводящих пар от напряжения на ДП имеет вид:
1г = 1с’Ь\л2я~-^У{1)Л\. (5)
Тогда зависимость напряжения на ДП от тока через него может быть найдена
11
аналитически:
v =
rRn.p*-IlI<-Ic
где V и / - усредненные по времени значения тока и напряжения на переходе.
Успех резистивной модели определяется ее простотой и возможностью нахождения аналитических решений на ее основе. Однако, в реальных ДП, даже при условии соблюдения синусоидальной зависимости тока пар от разности фаз параметров порядка в берегах, имеют место отклонения от этой модели. Прежде всего, они связаны с наличием
конечной емкости у ДП и тепловыми флуктуациями тока. С учетом этих факторов
уравнение для полного тока ДП приобретает вид:
сйп<р+1,=1, (7)
Ък dt1 2ttRn dt 1
где С - емкость ДП, Фо = h/2e - квант магнитного потока, I/ -ток тепловых флуктуаций. В общем случае это уравнение не имеет аналитического решения.
Для практического применения, как правило, требуются ДП с малой емкостью. Критерий, по которому можно определить насколько сильным является вклад емкости перехода, может быть выведен из сравнения следующего параметра с единицей:
p = (2e!h)IcRlC (8)
Этот параметр показывает, насколько эффективно емкость шунтирует джозефсоновские колебания на частоте (Dc=(2e/h)Vç=(2e/f))IcRn, где iус- характерная джозефсоновская частота, a Vc= IcRn - характерное джозефсоновское напряжение. При Р « 1 влиянием емкости можно пренебречь.
Вольт-амиерная характеристика (ВАХ) ДП с малой емкостью при температуре 77 К, вычисленная при помощи численного решения уравнения Фоккера-Планка для резистивной модели с учетом тепловых флуктуаций, показана на рис. 1. Нели ток, текущий через переход меньше, чем критический ток, напряжение на нем равно нулю и весь ток переносится сверхпроводящими парами. При этом разности фаз остается постоянной. Если ток, текущий через переход, превышает критический, то в процессе переноса тока начинают участвовать квазичастицы. При этом на ДП появляется ненулевое среднее напряжение. Разность фаз нарастает линейно со временем, и ток через ДП начинает осциллировать с частотой, которая связана со средним напряжением на переходе
12
0 1 2 3 4 5
Нормированное напряжение, \’-У/1И
Рис. 1. Зависимости тока (сплошная линия) и дифференциального сопротивления (штриховая линия) ДП с малой емкостью от напряжения при Т=77К.
13
фундаментальным соотношением / = У1 Ф0. Асимптота к которой стремится
вольтамперная зависимость при напряжениях много превышающих характерное джозефсоновское напряжение, показана штрихпунктирной линией. Также на рис. 1 штриховой линией показана зависимость дифференциального сопротивления ДП от напряжения на нем. Согласно резистивной модели дифференциальное сопротивление ДП К(1 * Кп(У2+Ус)1П/У должно стремится к бесконечности при напряжении,
приближающемся к нулю, а при напряжениях много превышающих характерное джозефсоновское напряжение асимптотически приближаться к величине нормального сопротивления. Однако из-за влияния тепловых флуктуаций дифференциальное сопротивление вблизи критического тока имеет конечное значение, как это показано на рис.1. Причем, ток, при котором наблюдается максимум /?«*, соответствует значению критического тока перехода в отсутствие тепловых флуктуаций.
Таким образом, ДП является генератором электрических колебаний, частота которых контролируется величиной среднего напряжения на нем. Существование джозефсоновской генерации в ДП было экспериментально подтверждено как прямым [41] и так косвенным [42] методами. Наличие высокочастотной джозефсоновской генерации в ДП делает возможным его применение, как в качестве генератора микроволнового излучения, так и в качестве детектора миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн [27].
1.2 Основы теории Гильберт-спектроскопии.
Рассмотрим эффект взаимодействия малого внешнего сигнала с джозефсоновской генерацией на средние параметры ДГ1. Пусть в ДП приложен внешний сигнал вида Аз1п(оХ),гдс А- амплитуда сигнала, со=27г/- его частота. В данном случае малость сигнала определяется отношением его амплитуды величине критического тока перехода (А/1С)«1. Взаимодействие внешнего монохроматического сигнала с джозефсоновской генерацией вызывает заметные изменения автономной ВАХ ДГ1 при малых напряжениях, а также при напряжениях близких к У=Фо}. Изменение ВАХ ДП при малых напряжениях соответствует несслективному режиму детектирования, а при напряжениях, близких к частоте внешнего сигнала - частотно-селективному режиму детектирования. В случае частотно-селективного режима детектирования функция зависимость отклика тока на внешнее монохроматическое излучение будет иметь вид:
14
- Киев+380960830922