криогенный генератор гетеродина на основе распределенного туннельного перехода для интегрального спектрометра субмм волн с системой фапч

Формула изобретения

Криогенный генератор гетеродина для интегрального спектрометра субмиллиметровых волн с системой фазовой автоподстройки частоты, выполненный в виде интегральной микросхемы, содержащей длинный переход Джозефсона, гармонический смеситель, выполненный на отдельном переходе Джозефсона, и сверхпроводниковые элементы для их соединения и согласования импедансов, отличающийся тем, что оба джозефсоновских перехода выполнены на основе сверхпроводниковой туннельной структуры Nb-AlN-NbN.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области новых элементов сверхпроводниковой электроники и создания на их основе сверхчувствительных приемных устройств субмм диапазона волн с высоким спектральным разрешением; это изобретение может быть использовано при создании бортовых и наземных систем, предназначенных для радиоастрономии и мониторинга атмосферы Земли, а также медико-биологических исследований.

Известен аналог предлагаемого технического решения - генератор субмм волн 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, в частности, система QS1-710 ov80 фирмы MICROTECH Instruments Inc. США имеет диапазон 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.

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 длинный джозефсоновский 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 маленьким туннельным переходом; 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 на основе распределенного туннельного перехода Nb-AlOx-Nb [3], интегрированный с гармоническим смесителем (ГС); ГС предназначен для стабилизации частоты генератора с помощью дополнительной системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Интегральный генератор гетеродина представляет собой трехслойную пленочную структуру, изготавливаемую в едином вакуумном цикле. На нижний электрод из ниобия толщиной 200 нм методом магнетронного распыления наносится тонкий слой алюминия толщиной 5-7 нм. Затем этот слой окисляется, причем оставшийся не окисленным 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 смесителя, на основе СИС сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник перехода (порядка 1 мкВт на частоте 500 ГГц). Как частота, так и мощность ФФО 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. Для реализации этих требований разработана концепция интегрального приемника с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) криогенного генератора гетеродина [4, 5]. Согласно этой концепции сигнал сверхпроводникового генератора распределяется между двумя СИС-смесителями, один из них используется как приемный квазичастичный элемент, в то время как второй работает в режиме гармонического смесителя. 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].

В ходе детальных измерений излучения ФФО была исследована зависимость ширины линии излучения ФФО от частоты для всех исследованных плотностей тока [3-6]. Был обнаружен и объяснен эффект "джозефсоновского самовоздействия" в распределенных туннельных СИС-переходах с высокой плотностью тока. Предложена модель, согласно которой джозефсоновское излучение ФФО на частотах выше 1/3 энергетической щели (порядка 450 ГГц для переходов Nb-AlOx-Nb) приводит к увеличению туннельного тока квазичастиц (photon assistant tunneling) и, как следствие, к существенному увеличению затухания в распределенном переходе. При этом происходит переход от резонансного режима к вязкому течению вихрей. На вольт-амперной характеристике при этом возникает характерная особенность с четкой границей.

Изменение характера процессов в переходе существенным образом отражается также и на ширине линии излучения ФФО. На частотах немного выше границы (порядка 500 ГГц) при плотности тока порядка 10 кА/см ², которая является оптимальной для СИС смесителей субмм волн, ширина линии ФФО составляет 10-30 МГц, что делает невозможным реализацию режима ФАПЧ с высоким качеством спектра на этих частотах. Именно эта область является чрезвычайно важной для многих практических приложений, в частности для мониторинга атмосферы Земли с борта высотных аэростатов. Описанное выше уширение линии генерации является существенным недостатком ФФО на основе переходов Nb-AlOx-Nb. Кроме того, в области частот ниже 450 ГГц становится невозможной плавная перестройка частоты таких ФФО, что связано с наличием резонансных ступеней Фиске (см., например, [4]). Все это делает невозможной работу генератора гетеродина для интегрального спектрометра на основе переходов Nb-AlOx-Nb в диапазоне частот 350-550 ГГц, который чрезвычайно важен для практических приложений. Таким образом, для работы сверхпроводникового генератора гетеродина на основе распределенного туннельного перехода в составе интегрального спектрометра субмм волн требуется, чтобы ширина линии генерации не превышала 5 МГц, а частота гетеродина перестаивалась непрерывно. Для генератора гетеродина на основе переходов Nb-AlOx-Nb эти условия осуществляются только в диапазоне 600-700 ГГц [3].

Цель предлагаемого изобретения заключается в существенном расширении рабочей области частот сверхпроводникового генератора гетеродина с гармоническим смесителем для стабилизации частоты генератора, предназначенных для интегрального приемника. Рабочей областью генератора гетеродина является диапазон частот, в котором автономная ширина линии излучения генератора не превышает 5 МГц, что делает возможным реализацию режима ФАПЧ со спектральным качеством более 50%.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве - сверхпроводниковом генераторе гетеродина на основе распределенного туннельного перехода (ФФО) и интегрированном с ним гармоническом смесителе - все туннельные элементы выполнены в виде трехслойной пленочной структуры Nb-AlN-NbN.

Принципиально новым в представленном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что используется новый тип туннельных переходов Nb-AlN-NbN с величиной энергетической щели до 3.7 мВ, что потенциально позволяет повысить рабочую частоту ФФО на основе таких переходов до 900 ГГц.

Перечень фигур и графических изображений.

Фиг.1. Блок-схема криогенного генератора гетеродина в составе интегрального спектрометра субмм волн. 1 - распределенный туннельный переход; 2 - гармонический смеситель; 3 - согласующая структура; 4 - приемный СИС-смеситель

Фиг.2. Микрофотография интегральной структуры с криогенным генератором гетеродина на основе распределенного туннельного перехода. Длина джозефсоновского перехода 1 - 400 мкм, ширина - 14 мкм; площадь гармонического смесителя 21,2 мкм ²; для согласования импедансов этих элементов и их развязки по постоянному току служит структура 3; приемный СИС-смеситель с двойной щелевой антенной обозначен цифрой 4.

Фиг.3. Зависимость отношения сопротивления утечки на участке вольт-амперной характеристики ниже щели к сопротивлению в нормальном состоянии Rj/Rn, характеризующего качество туннельного перехода, от плотности критического тока Jc.

Фиг.4а. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) Nb-AlN-NbN-Nb ФФО, измеренные при различных магнитных полях, заданных с помощью интегральной линии управления. Оттенки серого передают уровень увеличения постоянного тока гармонического смесителя, индуцированного ФФО. Темные области соответствуют параметрам ФФО, при которых рост тока на гармоническом смесителе превысил 25% скачка тока на щелевом напряжении перехода (Ig). Этот уровень заведомо выше минимально достаточного для нормальной работы смесителя.

Фиг.4b. Максимальный ток ГС в рабочей точке V=3 мВ, нормированный на величину скачка тока при щелевом напряжении как функция частоты ФФО (см. Фиг.5) - сплошная линия. Пунктир - аналогичная характеристика для образца на Nb-AlOx-Nb, приведена для сравнения. Расчетный диапазон согласования 400-650 ГГц. Хороший уровень накачки при низких частотах обусловлен высшими гармониками соответствующих джозефсоновских частот.

Фиг.5. ВАХ СИС смесителя, накачанные ФФО на различных частотах.

Фиг.6. Увеличенный фрагмент ВАХ ФФО в районе ступеней Фиске. Можно заметить, что вертикальные участки соседних ступеней объединяются, образуя общие наклонные кривые. Вдоль этих кривых возможна непрерывная перестройка частоты, и значения ширины линии наименьшие.

Фиг.7. Спектр Nb-AlN-NbN ФФО в режиме ФАПЧ. Сплошная кривая соответствует фазово-синхронизированному ФФО на частоте 502 ГГц (спектральное качество - 94%), пунктирная - частотной синхронизации ФФО. Ширина автономной линии генерации 0.7 МГц; разрешение спектроанализатора - 1 МГц. Фиг.8. Зависимость ширины линии ФФО от частоты; сплошная кривая - Nb-AlN-NbN, пунктир - Nb-AlOx-Nb. Наличие нескольких звездочек на красной кривой, соответствующих одной частоте, означает, что лучшая точка может быть выбрана путем подстройки рабочей точки ФФО в области ступеней Фиске.

Предлагаемое устройство представляет собой интегральную структуру, включающую в себя генератор гетеродина на основе длинного (распределенного) туннельного перехода (1), гармонический смеситель (2) на основе СИС-перехода и СВЧ элементы для их согласования (3), см. Фиг.1. На Фиг.2 приведена микрофотография одной из интегральных структур, которая использовалась для исследования ФФО. На фотографии видны все основные элементы схемы: длинный джозефсоновский переход (1), гармонический смеситель (2), согласующая структура (3) и приемный СИС-смеситель с двойной щелевой антенной (4).

Микросхема устройства представляет собой трехслойную пленочную структуру, изготавливаемую в едином вакуумном цикле. На нижний электрод из ниобия толщиной 200 нм методом магнетронного распыления наносится тонкий слой алюминия толщиной 5-7 нм. Затем этот слой нитридизируется в плазме из чистого азота, причем возможно получение требуемой толщины туннельного барьера путем варьирования мощности разряда и времени нитридизации. Как и в случае термического окисления, 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 нитрида ниобия толщиной 100-150 нм.

В криогенном генераторе на основе распределенного джозефсоновского перехода Nb-AlN-NbN под действием приложенного магнитного поля и транспортного тока движутся джозефсоновские вихри. Каждый такой вихрь содержит квант магнитного потока Ф₀ =h/2e. Для создания магнитного поля в ФФО могут быть использованы как внешняя катушка, так и интегральная линия управления (ЛУ) с током I_CL. В соответствии с соотношением Джозефсона

согласно которому джозефсоновский переход, находящийся при напряжении V, генерирует электромагнитные колебания с частотой f (порядка 483.6 ГГц/мВ). Здесь Ф₀ - квант магнитного потока = 2·10^-15 Вб. Скорость и плотность флаксонов, а следовательно, мощность и частоту излучения можно перестраивать путем изменения транспортного тока или/и магнитного поля.

Технология изготовления высококачественных Nb-AlN-NbN переходов описана в работе [7]. Наши исследования показали, что внедрение туннельного барьера из нитрида алюминия в комбинации с верхним электродом из нитрида ниобия обеспечивает значительное улучшение качества СИС переходов. Зависимость величины качества туннельных переходов (которое характеризуется отношением сопротивления на участке вольт-амперной характеристики ниже щели к нормальному сопротивлению перехода, Rj/Rn) от плотности критического тока (Jc) для изготовленных нами переходов различных типов представлена на Фиг.3. Легко увидеть, что Nb-AlN-NbN переходы обладают очень высоким качеством при высоких плотностях критического тока, что важно для создания смесителей терагерцового диапазона. Та же методика была использована для изготовления сложных интегральных микросхем, содержащих на одном кристалле как ФФО, так и СИС-смесители.

Ниже представлены детальные результаты исследования новых переходов на Nb-AlN-NbN. Наши исследования показали перспективность использования таких переходов в качестве элементов сверхпроводникового интегрального приемника на частотах 350-600 ГГц.

На Фиг.4 представлено семейство вольт-амперных характеристик (ВАХ) ФФО, каждая кривая соответствует определенному значению магнитного поля, которое задается при пропускании тока через специальную управляющую линию (от 10 мА для первой кривой (крайняя левая), до 80 мА для последней кривой в правой части графика). ФФО этого образца представляет собой длинный джозефсоновский переход с перекрывающейся геометрией, длиной L=400 м, шириной W=14 M, с критической плотностью тока порядка 7 kA/см ². Ток накачки СИС перехода, индуцированный ФФО, представлен на Фиг.4а оттенками серого тона; зависимость этого тока от частоты ФФО представлена на Фиг.4b. Профиль, представленный на этом рисунке, определяется максимальной мощностью, попадающей от ФФО на гармонический СИС смеситель, которая, в свою очередь, определяется качеством согласования между генератором и смесительным элементом. Как можно заметить, максимумы огибающих кривых для образцов на Nb-AlOx-Nb и Nb-AlN-NbN с разводкой из Nb очень хорошо совпадают; кривая накачки для NbN более гладкая в диапазоне 500-700 ГГц.

На Фиг.5 представлены вольт-амперные характеристики переходов на Nb-AlN-NbN (площадь около 2 м²) с накачкой от Nb-AlN-NbN ФФО (сплошная линия - ненакачанная ВАХ, пунктирные - с накачкой на различных частотах). Частота, вычисляемая из первой туннельной ступени как f_LO=e(Vg-Vstep)/h (где Vg=3. 7mV - это щелевое напряжение СИС перехода, е - заряд электрона, h - постоянная Планка), находится в согласии с частотой ФФО, вычисленной по напряжению смещения ФФО через соотношение Джозефсона f=2eV/h. Можно видеть, что ФФО обеспечивает более чем достаточную мощность для накачки СИС смесителя в тестовой схеме с низкими потерями в цепи согласования, настроенной на частоты 500-700 ГГц. Для работы СИП этой мощности также достаточно.

Хотя ФФО на Nb-AlN-NbN обладают схожими характеристиками с традиционными ниобиевыми ФФО, существуют и важные различия (см. Фиг.4а). Первая особенность на этом графике (около 1 мВ) вероятно обусловлена сингулярностью соответствующей разности энергетических щелей _NbN- _Nb. Вторая особенность при ˜1.2 мВ (600 ГГц), где возрастает плотность кривых, это граничное напряжение джозефсоновской самонакачки. Выше этого напряжения внутреннее затухание в ФФО возрастает из-за самонакачки. Самонакачка (поглощение излученного ФФО СВЧ излучения квазичастицами в канале длинного перехода) значительно изменяет свойства ФФО при напряжениях V V_JSC=1/3·Vg. При достижении напряжений V>V_JSC дифференциальные сопротивления ФФО значительно увеличиваются, что приводит к уширению линии ФФО в этой области. В свою очередь, это усложняет или делает невозможной фазовую синхронизацию ФФО. У полностью ниобиевого ФФО V_JSC соответствует напряжениям ˜0,94 мВ (450ГТц). Таким образом, используя переходы с NbN, мы можем закрыть неудобную для Nb область 450-550 ГГц.

Непрерывная перестройка частоты Nb-AlN-NbN ФФО средней длины в области ниже 600 ГГц (1.2 мВ) возможна, хотя затухание недостаточно для полного подавления резонансной структуры ступеней Фиске. Для коротких переходов с маленьким волновым фактором затухания расстояние между ступенями Фиске может быть настолько большим, что перестраивать ФФО можно будет только в некоторых «разрешенных» областях частот. Для 400-микронного Nb-AlN-NbN перехода коэффициент затухания достаточно высок, ступени Фиске имеют заметный наклон, и расстояние между ними невелико (см. Фиг.6). Это позволяет установить любую частоту ФФО в режиме Фиске, но для каждой частоты значения тока смещения должны лежать в определенных пределах. Таким образом, в этом случае мы имеем запрещенные значения токов, в отличие от запрещенных значений напряжения у ниобиевых ФФО. По-видимому, в данном режиме будет довольно трудно создать систему автоматической подстройки рабочей точки, но задача не выглядит неразрешимой.

Для измерения ширины линии излучения ФФО использовались специально спроектированные микросхемы, в которых интегрированы ФФО, гармонический СИС-смеситель и высокочастотные согласующие структуры. Экспериментальная схема включала в себя смеситель с СИС-переходом, площадью порядка 1 мкм² и настроечной структурой для компенсации его емкости на рабочей частоте; трехступенчатый трансформатор импеданса и распределенный джозефсоновский переход - ФФО - в качестве исследуемого устройства. Параметры всех СВЧ структур были оптимизированы с помощью специально разработанных программ для диапазона частот 300-700 ГГц. Сигнал от ФФО смешивался в СИС детекторе с "m"-ой гармоникой опорного генератора f_ref, давая сигнал промежуточной частоты f_IF=±(I_ФФО-mf _ref).

Мы исследовали ширину линии Nb-AlN-NbN ФФО, используя ту же установку и методику, что и для полностью ниобиевых схем [4]. Измерена лоренцевская форма линии, также как и у Nb-AlOx-Nb переходов. Предварительные наблюдения, выполненные для переходов с различной топологией, позволяют предположить, что все зависимости ширины линии ФФО от топологии, справедливые для полностью ниобиевых переходов, справедливы и для переходов с NbN. Как пример, наблюдается уменьшение автономной ширины линии генерации ФФО с увеличением ширины перехода.

В системе с Nb-AlN-NbN-Nb ФФО не было обнаружено дополнительных шумов, что позволило синхронизировать ФФО во всем рабочем диапазоне частот. В частности, ширина линии всего в 1.7 МГц была измерена на частоте 605 ГГц, что позволяет синхронизировать до 92% мощности ФФО и обеспечить низкий фазовый шум на уровне -90 дБ/Гц. На частотах порядка 500 ГГц (проблемных для переходов Nb-AlOx-Nb) получена ширина линии излучения менее 1 МГц (см. Фиг.7). Отметим, что значение 0.7 МГц было измерено при разрешении спектроанализатора 100 кГц, в то время как на Фиг 7 приведены данные, измеренные с разрешением 1 МГц.

На Фиг.8 представлен сравнительный график ширины линии ФФО. Видно, что ширина линии Nb-AlN-NbN-Nb ФФО примерно в два раза ниже на частотах до 600 ГГц. Следует опять обратить внимание на то, что благодаря перекрыванию ступеней Фиске возможна настройка любой частоты и непрерывная перестройка в ограниченных диапазонах. Несколько звездочек, соответствующих одной частоте ФФО с NbN, означают, что возможен выбор рабочей точки в зависимости от тока смещения (в то же время разброс значений ширины линии не слишком значителен, и работа возможна при всех приведенных значениях). Каждая звездочка соответствует разрешенному диапазону токов смещения, как описано выше. Хотя настройка ФФО на ступенях Фиске затруднена, затраченные усилия окупаются автономной шириной линии менее 3 МГц во всем диапазоне от 350 до 600 ГГц.

Таким образом, предлагаемый интегральный сверхпроводниковый генератор гетеродина на основе туннельных переходов Nb/AlN/NbN с напряжением энергетической щели 3.7 мВ и малыми токами утечки (R_j/R _n=30) обеспечивает генерацию в диапазоне частот 350-700 ГГц, при этом показано, что использование электрода из нитрида ниобия не приводит к появлению дополнительных шумов. Ширина линии на частоте 500 ГГц составляет менее 1 МГц, что позволяет синхронизировать более 90% мощности ФФО и получать низкий уровень фазовых шумов (около -90 dBc).

Источники информации

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 К.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.P.Koshelets and J.Mygind. "Flux Flow Oscillators For Superconducting Integrated Submm Wave Receivers", Studies of High Temperature Superconductors, edited by A.V.Narlikar, NOVA Science Publishers, New York, vol.39, pp.213-244, (2001).

5. V.P.Koshelets, S.V.Shitov, A.V.Shchukin, L.V.Filippenko, J.Mygind, A.V.Ustinov. "Self-Pumping Effects and Radiation Linewidth of Josephson Flux Flow Oscillators" Phys. Rev. B, vol.56, pp 5572-5577, (1997).

6. V.P.Koshelets, S.V.Shitov, P.N.Dmitriev, A.B.Ermakov, L.V.Filippenko, V.V.Khodos, V.L.Vaks, A.M.Baryshev, P.R.Wesselius, J.Mygind. "Towards a Phase-Locked Superconducting Integrated Receiver: Prospects and Limitations", Physica C, 367, pp.249-255, (2002).

7. P.N.Dmitriev, I.L.Lapitskaya, L.V.Filippenko, A.B.Ermakov, S.V.Shitov, G.V.Prokopenko, S.A.Kovtonyuk, and V.P.Koshelets. "High Quality Nb-based Integrated Circuits for High Frequency and Digital Applications", "IEEE Trans. on Appl. Supercond. ", vol.13, No 2, pp.107-110, June 2003.