Torgashin

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова
Российской академии наук
Торгашин Михаил Юрьевич
Разработка и исследование джозефсоновских
генераторов терагерцового диапазона на основе
распределенных туннельных переходов
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
(Специальность 01.04.03 – Радиофизика)
Научный руководитель
проф., д.ф.-м.н. В.П. Кошелец
Москва, 2013
План доклада:
• Введение
– инструмент TELIS как тестовая площадка для отработки новых решений
• Экспериментальные методики, спектрометр Фурье.
– модернизация измерительных систем,
– исследование АЧХ входного тракта сверхпроводникового приемника для TELIS
• Распределенные джозефсоновские переходы Nb-AlOx-Nb
– принцип действия и конструкция, спектральные свойства,
– зависимость спектральных параметров от конструкции перехода
• Распределенные джозефсоновские переходы Nb-AlN-NbN
– конструкция перехода и экспериментальных образцов; выбор материалов,
– сравнение характеристик с образцами на основе Nb-AlOx-Nb
• Установка замкнутого цикла на основе Cryomech PT-405
– разработка криостата для системы охлаждения замкнутого цикла,
– применение установки для интегральных схем с распределенными
джозефсоновскими генераторами.
1 октября 2013 г
2
Раздел 1. Введение
• ТГц диапазон
– Радиоастрономия
– Исследование атмосферы, эко-мониторинг
– Медицина
– Системы безопасности
– Системы связи
1 октября 2013 г
3
TELIS – Terahertz and Submillimeter Limb Sounder
500 ГГц
500-650 ГГц
1,8 ТГц
Ведущий
разработчик
RAL, Англия
SRON, Нидерланды
DLR, Германия
Технология
смесителя
Nb-AlOx-Pb
Nb-AlOx-Nb
Nb-AlN-NbN
NbN HEB смеситель
Оконечный
спектрометр
Цифровой автокоррелятор, полоса 2 х 2 ГГц, разрешение ~ 2 МГц
Атмосферный спектр на высоте 27 км (расчет)
1 октября 2013 г
4
Сверхпроводниковый интегральный приемник
(СИП)
Криостат T = 4,2 К
Микросхема
СИС смеситель
ПЧ
4-8 ГГц
ПЧ
спектрометр
гармонический
смеситель
РДП Гетеродин
500-650 ГГц
20 ГГц
Система управления
и сбора данных
HEMT
усилитель
ФАПЧ
4 ГГц
Блок опорных
синтезаторов
400 МГц
1 октября 2013 г
5
Постановка задачи:
• Экспериментальное исследование и оптимизация характеристик
распределенных джозефсоновских переходов, предназначенных для
использования в качестве гетеродина для накачки СИС-смесителя.
• Исследование влияния электрофизических и топологических
параметров туннельных переходов на спектральные характеристики
генерации переходов на основе структур Nb-AlOx-Nb. Исследование
пределов возможной оптимизации генераторов на таких переходах.
• Исследование новых типов распределенных генераторов на основе
материалов с щелевым напряжением, отличным от ниобия, для
расширения области применения РДП в качестве интегрального
генератора гетеродина. Определение электрофизических параметров
переходов нового типа и их спектральных характеристик в
субтерагерцовом частотном диапазоне.
1 октября 2013 г
6
Раздел 2. Экспериментальные методики. Спектрометр Фурье.
Исследование
спектральных
характеристик
Измерение
вольт-амперных
характеристик
Измерение АЧХ антенны СИП
Модуль питания СИП для TELIS
1 октября 2013 г
7
Спектрометр Фурье.
𝑓𝑚𝑎𝑥 =
Оптическая схема
𝛿𝑓 =
𝑐
4∙𝑑𝑥
𝑐
2 ∙ 𝐿𝑚𝑎𝑥
Расчет интенсивности излучения, прошедшего через одно плечо интерферометра
для делителя луча из майлара различной толщины (пунктиром – с учетом поглощения).
1 октября 2013 г
8
Лабораторный спектрометр Фурье в ИРЭ РАН
1 – Криостат,
2 – неподвижное зеркало,
3 – делитель луча,
4 – подвижное зеркало,
5 – источник излучения
1 октября 2013 г
9
5-точечная схема подключения образца
Изготовлена печатная плата
трехканального НЧ фильтра питания.
Расчетная АЧХ фильтров показана справа.
1 октября 2013 г
10
Криостат для спектрометра Фурье
1 октября 2013 г
11
АЧХ входного тракта СИП, измеренная с помощью спектрометра Фурье
T4m-061#01
T4m-061#04
T4m-061#20
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
450
500
550
600
650
700
750
800
Histogram of FFO lines
Частота (ГГц)
8
Гистограмма количества
потенциально наблюдаемых
спектральных линий для TELIS
6
5
4
3
2
1
0
0
0
68
66
64
0
0
0
0
0
62
60
58
56
54
0
0
0
52
Line occurrence
7
50
Детекторный отклик (отн. ед.)
0.16
10 GHz FFO-Frequency bin (GHz)
1 октября 2013 г
R. Hoogeveen, TELIS technical notes
TLS-SRON-TN-2004-028, 14/01/2005
12
Раздел 3. Исследование распределенных джозефсоновских
генераторов на основе Nb-AlOx-Nb
а) Модель распределенного джозефсоновского перехода в разрезе,
б) переход с продольной инжекцией тока,
в) переход с поперечной инжекцией тока.
1 октября 2013 г
13
Экспериментальные образцы
СИС
250-700
ГГц
Развязка
питания
Трансформатор
импеданса
Тракт ПЧ
и 20 ГГц
20 ГГц
смеситель
160
1 - Прямая ветвь
2 - Обратная ветвь
140
Ток смещения, мА
РДП
0 - 1 ГГц
120
100
80
60
40
1
20
2
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Напряжение смещения, мВ
ВАХ РДП в отсутствие магнитного поля
1 октября 2013 г
14
Семейство вольт-амперных характеристик РДП
Джозефсоновская
самонакачка:
VJSC = Vg/(2n+1)
Ступени Фиске:
𝑉𝑛 =
ℎ
ℎ 𝑐0 𝑛
𝑓𝑛 =
2𝑒
2𝑒 2𝐿
Спектральная
характеристика:
𝛿𝑓 = 𝑅𝑑2 𝑆𝐼 0 ,
𝑅𝑑 = 𝑅𝑑𝐵 + 𝐾𝑅𝑑𝐶𝐿 =
𝜕𝑉
𝜕𝑉
=
+𝐾
𝜕𝐼𝐵
𝜕𝐼𝐶𝐿
А. Pankratov, Physical Review B, 65(5),
054504-1–9 (2002).
Шаг по току контрольной линии между кривыми ΔIcl = 2 мА
1 октября 2013 г
V.P. Koshelets et. al., Superconductor
Science and Technology, (14), 10401043, (2001)
15
Согласование РДП и гармонического СИС смесителя
Зависимость ВАХ СИС-смесителя от частоты РДП
Зависимость ВАХ СИС смесителя от
мощностиРДП на частоте 600 ГГц.
Профили тока накачки СИС смесителя вдоль
кривых вольт-амперной характеристики
РДП.
Продемонстрировано согласование РДП
и СИС в диапазоне 360-710 ГГц
1 октября 2013 г
16
Исследование спектральной характеристики РДП
Блок-схема измерительной установки
1 – РДП,
2 – СИС-смеситель,
3 – источник питания,
4 - направленный ответвитель,
5 – опорный синтезатор 20 ГГц,
6 - охлаждаемый усилитель ПЧ,
7 – «теплый» усилитель ПЧ,
8 - система ФАПЧ,
9 - анализатор спектра
1 октября 2013 г
17
Спектральные свойства РДП
IF Output Power
(dBm)
(дБм)
на ПЧ
Вых. мощность
-10
-15
Phase Locked
at 707.45 GHz
-20
Frequency
Locked
Span - 100 MHz
Resolution
bandwidth - 1 MHz
-25
B
-30
A
-35
707,40
707,42
707,44
707,46
707,48
707,50
Полуширина линии генерации (МГц)
50
HD11-01#20 (W = 5 m)
HD11-01#25 (W = 8 m)
HD11-01#25 (W = 12 m)
HD11-01#10 (W = 16 m)
40
30
20
10
FFOЧастота
Frequency
(GHz)
РДП
Спектр излучения РДП в режиме частотной и
фазовой стабилизации (кривые А и В,
соответственно) на частоте 707,45 ГГц
1 октября 2013 г
0
400
500
600
700
Частота РДП (ГГц)
Зависимость полуширины спектральной
линии генерации распределенного перехода
от частоты для разной ширины перехода.
18
30
90
25
75
20
60
15
10
,
fFFO = 526 GHz
,
fFFO = 616 GHz
,
fFFO = 706 GHz
45
30
5
15
0
0
4
6
8
Спектральное качество РДП (%)
Ширина спектральной линии (МГц)
Зависимость спектральных свойств РДП от ширины перехода
С ростом ширины перехода
растет и необходимый ток
смещения
РДП.
Это
приводило
к
перегреву
микросхем
в
полетной
конструкции держателя.
На
основании
данных
измерений микросхем СИП
рекомендована
ширина
перехода W = 16 мкм.
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Ширина РДП, W (m)
Зависимость полуширины спектральной линии (левая ось) и
спектрального качества (правая ось) для РДП с различной шириной перехода,
измеренные для трех частот (526 ГГц, 616 ГГц, 706 ГГц).
1 октября 2013 г
19
Влияние плотности критического тока
• Увеличение плотности критического тока туннельных структур позволяет
повысить рабочую частоту СИС смесителей и расширить динамический диапазон.
Полуширина спектральной линии (МГц)
Оптимальное значение
Jc = 6 – 7 кА/см2
50
2
Jc=8.5kA/cm , Ib=15mA
2
Jc=5.8kA/cm , Ib=11mA
2
Jc=4.2kA/cm , Ib=12mA
40
30
20
10
0
300
350
400
450
500
550
Частота РДП (ГГц)
600
650
700
Ширина линии норм. на плотность тока (a.u.)
• Показано, что увеличение плотности критического тока приводит к
пропорциональному росту ширины линии генерации РДП.
800
Jc=9.5kA/cm2
Jc=6.9kA/cm2
Jc=5.5kA/cm2
600
400
200
0
900
1 октября 2013 г
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Напряжение РДП (мкВ)
20
Переходы с гребенчатым верхним электродом
ПЧ выход и
20 ГГц
РДП
Согласующая
структура
Гармонический
СИС смеситель
0.5 мм
1 октября 2013 г
21
Ширина спектральной линии (МГц)
Переходы с гребенчатым верхним электродом
Частота РДП (ГГц)
1 октября 2013 г
22
Раздел 4. Генераторы на основе структур Nb-AlN-NbN
HD13-09#26 (Vg=3.7 мВ, Rn = 21 Ом)
300
Ток СИС (мкА)
250
200
150
Частота ФФО:
0 ГГц
400 ГГц
500 ГГц
600 ГГц
700 ГГц
100
50
0
0
Схематическое изображение туннельного
перехода на основе трехслойной структуры
Nb-AlN-NbN с разводкой из Nb
1
2
3
4
5
6
7
Напряжение СИС, (мВ)
ВАХ СИС смесителя Nb-AlN-NbN
под воздействием излучения РДП на
частоте 400, 500, 600 и 700 ГГц.
• Щелевое напряжение изготовленных переходов Vg = 3,7 мВ
1 октября 2013 г
23
Семейство вольт-амперных характеристик РДП
Джозефсоновская
самонакачка:
Vjsc = Vg/3
Ток смещения РДП (мВ)
Vjsc = Vg/5
VJSC = Vg/(2n+1)
Энергетическая
щель в полученной
пленке NbN:
ΔNbN/e = 2,3 мВ.
Полоса согласования с
СИС смесителем:
~ 0,8 – 1,5 мВ
380-700 ГГц
Напряжение РДП (мВ)
1 октября 2013 г
24
Поиск рабочей точки на ступенях Фиске
Продолжение работ:
Киселев О.С.,
Диссертация к.ф.-м.н.
«Исследование основных
характеристик и разработка
алгоритмов управления
сверхпроводниковым
интегральным приемником»,
Москва, 2011
Кинев Н.В.
Диссертация к.ф.-м.н.
«Генерация и прием ТГц
излучения с использованием
сверхпроводниковых
интегральных устройств»,
Москва, 2013
• Для распределенных переходов на основе Nb-AlN-NbN (W = 16 мкм, L = 400 мкм,
Jc = 7kA/см2) реализовано сплошное покрытие спектрального диапазона в
режиме ступеней Фиске.
1 октября 2013 г
25
Зависимость спектральной характеристики от частоты
• Проведено сравнение спектральных характеристик для РДП
оптимизированной конструкции (W = 16 мкм, длина L = 400 мкм,
ширина области перекрытия электродов Wi = 10 мкм).
20
Полуширина линии (МГц)
Nb-AlN-NbN
Nb-AlOx-Nb
Характерные спектральные
линии, выбранные для TELIS
15
Частота
Измеряемые вещества
РДП, ГГц
10
5
0
350
400
450
500
550
600
650
700
495.04
H218O
496.88
HDO
505.60
BrO
507.27
ClO
515.25
O2
519.25
BrO и NO2
607.70
O3
619.10
HCl, ClO и HOCl
750
Частота РДП (ГГц)
1 октября 2013 г
26
Зависимость спектральных свойств РДП от частоты
Ширина перехода W = 30 мкм
HD14#23
80
6
5
СК Nb-AlN-NbN
f Nb-AlN-NbN
СК Nb-AlOx-Nb
f Nb-AlOx-Nb
60
4
3
40
2
20
1
0
Ширина линии РДП (МГц)
Спектральное качество РДП (%%)
100
7
0
300
400
500
600
700
Частота РДП (ГГц)
Зависимость полуширины спектральной линии РДП от частоты
(пунктирные кривые) и спектрального качества РДП (сплошные
кривые) в режиме ФАПЧ для переходов на основе Nb-AlN-NbN/Nb
и Nb-AlOx-Nb.
1 октября 2013 г
27
Раздел 5. Криогенная система замкнутого цикла
Система охлаждения замкнутого
цикла на импульсных трубках
Cryomech PT-405
•
Потребляемая мощность:
7 кВт
•
Производительность второй
ступени системы охлаждения
500 мВт @4,2 К
Запас мощности у оснащенной
системы:
около 70 мВт
Трехмерная модель криостата с охлаждающей головкой
Cryomech PT-405
1 октября 2013 г
28
Осцилляции температуры
Амплитуда колебаний температуры,
измеренная на рабочей пластине
составляет 0.05 К
3.46
Temperature (Sens 207)
Температура, К
3.45
3.44
3.43
3.42
3.41
3.40
1600
1610
1620
1630
1640
1650
Время, с
Осцилляции тока СИС смесителя в
заданной рабочей точке при подаче
сигнала РДП. (Vsis = 3 мВ, частота
излучения РДП 497 ГГц).
Период колебаний Т ~ 0,7 с,
амплитуда < 1.5 мкА
1 октября 2013 г
29
Измерение сверхпроводникового интегрального приемника
Рабочая температура ниже 4 К приводит к
изменению вольт-амперных
характеристик: при тех же напряжениях
требуется задавать больший ток
контрольной линии.
Фазовая синхронизация
-10
Частотная синхронизация
(с усреднением)
В зависимости от рабочей точки осцилляции
частоты РДП могут составлять сотни МГц.
Система ФАПЧ справляется с колебаниями
+/- 100 МГц.
• Необходимо применение
дополнительных систем для
стабилизации температуры.
Амплитуда, дбм
Частотная синхронизация
(без усреднения)
-20
-30
-40
-50
360
380
400
420
440
Промежуточная частота, МГц
1 октября 2013 г
30
Заключение. Результаты работы
1) Экспериментально исследована зависимость электрофизических и спектральных
характеристик РДП от топологии туннельного контакта. Выявлена зависимость
дифференциального сопротивления РДП от геометрической ширины перехода и
размера области перекрытия электродов; определены оптимальные значения
параметров, приводящие к существенному уменьшению ширины линии генерации
РДП.
2) Исследован генератор на основе распределенного джозефсоновского перехода NbAlN-NbN с согласующими структурами из Nb, который позволяет расширить область
применения генераторов на основе РДП в диапазоне 250-700 ГГц.
3) Экспериментально исследованы спектральные характеристики образцов РДП на
основе туннельных структур Nb-AlN-NbN в диапазоне 250 – 700 ГГц. Ширина
автономной линии генерации в диапазоне 250-700 ГГц составляет от 2 до 7 МГц,
излучаемая мощность - около 0,5 мкВт. Форма спектральной линии определяется,
как и в случае переходов Nb-AlOx-Nb, широкополосными токовыми флуктуациями
1 октября 2013 г
31
Заключение. Результаты работы
4) Проведено экспериментальное исследование спектральной чувствительности
интегральных линзовых антенн для серии образцов микросхем сверхпроводниковых
приемников. Цель исследования: отбор микросхем для проекта TELIS (наклонное
зондирование атмосферы, канал 490 - 630 ГГц).
5) Разработано несколько криогенных измерительных систем, в частности,
криогенная система замкнутого цикла для сверхпроводникового интегрального
приемника. Продемонстрирована возможность эксплуатации сверхпроводникового
интегрального приемника с РДП в криосистеме замкнутого цикла. Обнаружены
ограничения, возникающие при работе с такой системой. Предложены способы
решения возникающих проблем.
1 октября 2013 г
32
Спасибо за внимание!
1 октября 2013 г
33
1 октября 2013 г
34
Диаграмма направленности СИП для
ТЕЛИС
-80.00
40
-72.00
-64.00
-56.00
-48.00
-40.00
20
-24.00
-16.00
-8.000
0
0
40
-180.0
-120.0
-60.00
-20
0
20
60.00
-40
-40
-20
0
20
Horizontal scan, mm
Амплитуда
40
Vertical scan, mm
Vertical scan, mm
-32.00
120.0
180.0
0
-20
-40
-40
-20
0
Horizontal scan, mm
Фаза
20
40
Теоретические модели:
• Уравнение синус-Гордона
𝜑𝑥𝑥 − 𝜑𝑡𝑡 − sin 𝜑 = 𝛼𝜑𝑡 − 𝛽𝜑𝑥𝑥𝑡 − 𝛾,
𝜑𝑥 0, 𝑡 + 𝛽𝜑𝑥𝑡 0, 𝑡 = −Г𝑒 ,
𝜑𝑥 𝐿, 𝑡 + 𝛽𝜑𝑥𝑡 𝐿, 𝑡 = −Г𝑒 − 𝜑𝑡 (𝐿, 𝑡)/𝑅𝐿𝑜𝑎𝑑
Y. Zhang, Theoretical and experimental studies
of the flux-flow type Josephson oscillator,
Ph.D.-thesis, Chalmers University of Technology, (1991)
Уравнение синус-Гордона позволяет исследовать динамику сверхпроводящей фазы
в распределенном джозефсоновском переходе в зависимости от времени
(движение вихрей), а также позволяет получить общий вид вольт-амперных
характеристик в зависимости от профиля тока смещения.
• Ширина спектральной линии
𝛿𝑓 = 𝑅𝑑2 𝑆𝐼 0 ,
𝑅𝑑 =
1
𝑆𝐼 0 =
𝑒𝐼 + 2𝑒𝐼𝑆
2𝜋 𝑁
𝑅𝑑𝐵
+
𝐾𝑅𝑑𝐶𝐿
𝜕𝑉
𝜕𝑉
=
+𝐾
𝜕𝐼𝐵
𝜕𝐼𝐶𝐿
А. Pankratov, Physical Review B, 65(5),
054504-1–9 (2002).
𝐼𝑆 + 𝐼𝑁 = 𝐼
V.P. Koshelets et. al., Superconductor Science
and Technology, (14), 1040-1043, (2001)
1 октября 2013 г
36
What is a Terahertz?
•
f = 1 Terahertz = 1012 Hz  l = 300 m
•
100-1000 THz (=UV/Vis/IR)
0.01 THz (=10 GHz)
•
 optics
 electronics
Terahertz signals are hard to detect:
• Cannot directly be picked up by electronics
• Optical detectors are blind for THz radiation
Detection recipe = use radio techniques:
• Generate THz signal with well known characteristics
• Mix atmospheric signal with generated signal 
GHz difference frequency
• Analyse difference frequency with conventional electronics
3rd International Atmospheric
Limb Workshop
37
Why being interested in THz?
•
Very rich spectrum with well resolved lines
•
•
Almost no Rayleigh scattering (~f 4)
Relative insensitive to PSCs, aerosols, cirrus clouds etc
• Audience: is this true?
•
Thermal emission spectrum  not dependent on light source
•
What kind of transitions?
 Electronic
1014 Hz (100 THz)
 Vibrational
1013 Hz (10 THz)
 Rotational
1012 Hz (1 THz)
3rd International Atmospheric
Limb Workshop
38