Тонкопленочные структуры «молибден-медь» с эффектом близости и сверхпроводниковым переходом для сверхчувствительных субмиллиметровых болометров

В.1.

Актуальность темы

.

К числу важнейших современных исследований в области радиоастрономии относятся наблюдение и измерение космического электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона длин волн (к = 3 — 0,1 мм, частоты 100 — 3000 ГГц). Установлено, что около 80% информации, доставляемой электромагнитным излучением к Земле из космоса, приходится на указанные длины волн. Ожидается, что полученная от этого излучения информация даст возможность расширить наши представления о Вселенной и происходящих в ней процессах.

Первейшими задачами наблюдений и измерений являются: (1) астрономическое исследование «холодной» компоненты вещества Вселенной, (2) проведение общего обзора источников в субмиллиметровом диапазоне длин волн для составления карт яркости, (3) измерение спектров излучения астрономических источников и их вариаций, (4) обзор атмосфер планет и их спутников.

До настоящего времени такие исследования выполнялись в очень ограниченном объеме, поскольку атмосфера Земли практически непрозрачна для подобных длин волн и, кроме того, она сама излучает шум на тех же частотах, что еще более ограничивает возможности приема космического субмиллиметрового излучения. С целью преодоления названных обстоятельств в ряде стран: в США, Европе, Японии и России (проект «Субмиллиметрон») — планируются космические миссии с установкой телескопов субмиллиметрового диапазона с приемной аппаратурой на космических носителях с целью выноса их за пределы атмосферы. Анализ показывает, что для выполнения названной программы наблюдений и измерений требуются приемники (датчики) прямого детектирования (прямые детекторы) с предельной чувствитель.

17 IS in ностью (noise equivalent power — NEP) Рпр = КГ" - 1(Г0 Вт/Гц и лучше. Основными мерами достижения такой предельной чувствительности являются: (а) выбор болометров, работающих на разогреве электронов излучением, в качестве прямых детекторов- (б) снижение их рабочей температуры до сверхнизких температур Т «0,4 — 0,1 К, что требует применения сверхнизкотемпературных рефрижераторов, обеспечивающих такие температуры- (в) уменьшение рабочего объема поглотителя — элемента болометра, принимающего излучение, за счет, А длины / и ширины w до субмикронного уровня (/ X W ~ 0,5 X 0,1 мкм), т. к. Рпр coV/xw [24]. Наиболее перспективными являются болометры на разогреве электронов, где поглотителем является датчик на краю сверхпроводникового перехода (ДКП — TES — transition edge sensors), при наличии андреевского отражения электронов на границе поглотителя и электродов, выполненных из сверхпроводника с высокой критической температурой. Андреевское отражение обеспечивает сохранение энергии, полученной электронами от излучения, в поглотителе и увеличивает тем самым эффективность разогрева электронов. Для изготовления таких болометров должны быть применены структуры, у которых температура края сверхпроводникового перехода находится в указанном выше интервале сверхнизких температур и соответствует рабочей температуре применяемого рефрижератора. Удовлетворить этому требованию можно путем применения двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный металл», в которых действует эффект близости. За счет этого эффекта, выбирая толщины слоев, можно обеспечить требуемую температуру края сверхпроводникового перехода.

В.2.

Цель и задачи исследования

.

Целью данной диссертации является разработка лабораторной методики получения и тестирования тонкопленочных структур «сверхпроводник-нормальный металл» с эффектом близости и сверхпроводниковым фазовым переходом для создания на их основе сверхчувствительных ДКП болометров на разогреве электронов с андреевским отражением. Для этого необходимо решить следующие задачи:

— выбор материалов и толщин слоев двухслойной структуры, при применении которых возможно получить упомянутые свойства структуры, т. е. получить достаточно резкий сверхпроводниковый фазовый переход при заданной температуре края перехода в диапазоне Т «0,4−0,1 К;

— разработка лабораторной методики получения названных структур;

— разработка сравнительно простой методики тестирования этих структур;

— оценка ожидаемой чувствительности болометров на основе таких структур.

В.З. Научная новизна работы.

— Впервые получены тонкопленочные структуры «молибден-медь», работающие на основе эффекта близости.

— Впервые выполнены измерения температурной зависимости сопротивления полученных структур при сверхнизких температурах (1−0,6К).

— На основе уравнения баланса энергии электронов в исследованных структурах и вычисленных вольтамперных характеристик получено уточненное выражение для токового отклика на падающее излучение ДКП болометров.

В.4. Практическая ценность работы.

1. Разработана лабораторная методика получения тонкопленочных двухслойных металлических структур «молибден-медь» с заданной критической температурой (0,4−0,1 К). Эти структуры могут быть использованы в качестве чувствительного элемента болометра.

2. На основе уравнения баланса энергии электронов и измеренных температурных зависимостей сопротивления этих структур оценены ожидаемые предельные чувствительности болометров, в которых полученные структуры являются одновременно поглотителем излучения и датчиком продетектированного сигнала:

— разработана методика получения вольтамперных и вольтваттных характеристик болометра;

— получено выражение для токового отклика на падающее излучение- -разработана методика оценки амперваттной чувствительности.

3. Эти методики позволяют производить оперативный отбор болометров перед их установкой в радиометр, что упрощает тестирование приборов.

В.5. Личный вклад диссертанта в данную работу.

1. Разработана лабораторная методика получения тонкопленочных двухслойных металлических структур «молибден-медь». Изготовлена большая партия таких структур для исследования.

2. Выполнены исследования вышеуказанных пленок на микроскопе атомных сил и растровом электронном микроскопе.

3. Совместно с соавторами (А.Н. Выставкин, В. В. Дмитриев, В. В. Завьялов, С.А. Ковтонюк) разработана методика и проведены измерения температурных зависимостей сопротивления изготовленных двухслойных структур при сверхнизких температурах ~ 0,05 — 1,0 К.

4. Совместно с соавторами (А.Н.Выставкин, С.А. Ковтонюк) разработана методика и выполненен расчет вольтамперных и вольтваттных характеристик возможных болометров на основе изготовленных и исследованных в данной работе структур, токового отклика таких болометров, а также дана оценка их предельной чувствительности.

В.6. Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально показано, что возможно получение на основе эффекта близости тонкопленочных двухслойных структур «сверхпроводник-нормальный металл» со сверхпроводниковым фазовым переходом при заданной критической температуре.

2. Экспериментально исследовано влияние толщин слоев сверхпроводника и нормального металла для выбранных материалов (молибден-медь) на значение критической температуры двухслойной структуры, определена необходимая точность толщин слоев.

3. При использовании предложенной в работе технологии изготовления, получены качественные и надежные структуры Мо/Cu с Тк~0,1−0,4К, что соответствует рабочим температурам рефрижераторов.

4. Предложена методика получения вольтамперных и вольтваттных характеристик на основании измеренных зависимостей R (T) и уравнения баланса энергии электронов в таких структурах при включении их в цепь с фиксированным электрическим смещением.

5. Получено выражение для токового отклика на излучение для возможных ДКП болометров. На основе этого выражения сделаны оценки значения предельной чувствительности болометров: для 0,4К Рпр~10-, 8Вт/Гц,/2, РПро, 27 = 2-Ю" 20 Вт/Гц½, для.

0,08К Рпр~ 10*20Вт/Гц1 /2.

В.7. Апробация работы.

Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих научных конференциях:

• 10-й и 14-й Междунар. симпозиумы по космическим терагерцовым технологиям: 1999 г. (THZ-10), Шарлотсвиль, США и 2003 г. (THZ-14), Таксон, США.

• 10-я Международная конференция по низкотемпературным детекторам, 2003 г. (LTD-10), Генуя, Италия.

• 5-й Международный Харьковский симпозиум по физике и технике сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн, 2004 г. (MSMW'04), Харьков, Украина.

В.8. Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в семи статьях в научных журналах и трудах научных конференций.

В.9. Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка публикаций по теме диссертационной работы и списка цитированной литературы из 84 наименований.

1. И. И. Зинченко, Современная миллиметровая и субмиллиметровая астро-номия, Известия ВУЗ’ов, Радиофизика, 2003, т. 46, № 8−9, сс. 641 659.

2. Т. Encrenaz, Observations of planetary and satellite atmospheres with FIRST, Proc. of the ESA Symposium «The Farlnfrared and Submillimeter Univerese», 15−17 April 1997, Grenoble, France, pp. 39−44.

3. J. Crovisier, D. Bockelee-Morvan, Comets at submillimetric wavelengths, ibid, pp. 45−50.

4. P. Andre, The potential of FIRST for the earliest stages of star formation, ibid, pp. 51−60.

5. A. Omont, Circumstellar matter, ibid, pp. 61−66.

6. P. Schilke, T.G. Fillips, D.M. Mehringer, FIRST wide band submillimeterline surveys, ibid, pp. 73−80.

7. P. Andreani, A. Franceschini, G.L. Granato, Far-IR and mm properties of quasars, ibid, pp. 133−138.

8. M. Rowan-Robinson, The search for primeval galaxies, ibid, pp. 139−144.

9. A. Franceschini, H. Aussel, A. Bressan et al, Source-counts and background radiation, ibid, pp. 159−168.

10. G.I. Melnik, A. Dajgarno, N.R. Frickson et al, The submillimeter wave astronomy: science objectives and instrument description, ibid, pp. 189−194.

11. J.E. Carlstrom, J. Zmuidzinas, Millimeter and submillimeter techniques, «Review of Radio Science 1993;1995», ed. W.R. Stone, Oxford, The Oxford Univeraity Press, 1996.

12. M. Griffin, International situation and missions concepts, Proc. of Workshop on technology requirements for future FIR space astronomy, 20, 21 May 2003, Cardif University, pp.17−24.

13. M. Bradford, SAFIR Single aperture far infrared observatory, Proc. of Workshop on technology requirements for future FIR space astronomy, 20, 21 May 2003, Cardif University, pp.25−36.

14. V.D. Gromov, N.S. Kardashev, L.S. Kuzmin, Submillimeter and millimeter wave sky mapping in the space project Submillimetron, Proc. of the 2K1BC Workshop «Experimental Cosmology @ mm-waves», Breuil-Cervinia (AO), Italy, July 9−13, 2001, pp. 67−71.

15. J.E. Ruhl, P.A.R. Ade, J. E Carlstrom et al., The South Pole Telescope, Archive: astro-ph/411 122 vl 4 Nov 2004.

16. B.S. Karasik, W.R. McGrath, H.G. LeDuc, M.E. Gershenson, A hot-electron detector for radioastronomy, Supercond. Sci. Technol., 1999, v. 12, pp. 745−747.

17. B.S. Karasik, W.R. McGrath, H.G. LeDuc, M.E. Gershenson, A hot-electron detector for radioastronomy, Proc. of the 10th Intern. Symp. on Space Terahertz TechnolMarch 16−18, 1999, Charlottesville, USA, pp. 121−123.

18. A.N. Vystavkin, Comparison of two types of Andreev reflection hot-electron microbolometer for submillimeter radio astronomy, Proc. of the 11th Intern. Symp. on Space Terahertz TechnolMay 1−3, 2000, Ann Rbor, USA, pp. 197−208.

19. A.H. Выставкин, Микроболометр субмиллиметрового диапазона на горячих электронах с андреевским отражением для радиоастрономии, Известия вузов, Радиофизика, 2003, т. 46, № 8−9, сс. 813−821.

20. А. Н. Выставкин, В. В. Мигулин, Приемники миллиметровых и субмиллиметровых волн, Радиотехника и электроника, 1967, т. 12, № 11, сс. 1989;1998.

21. М. Nahum, P.L. Richards, С.А. Mears, Design analysis of a novel hot-electron microbolometer, IEEE Trans, on Appl. Supercond., 1993, v. 2, № 1, pp. 2124−2127.

22. M. Nahum, J.M. Martinis, Ultrasensitive hot-electron microbolometer, Appl. Phys. Lett., 1993, 29 November, 63(22), pp. 3075−3077.

23. A.H. Выставкин, Сверхвысокочувствительный микроболометр с андреевским отражением на горячих электронах для субмиллиметровой радиоастрономии, Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, № 7, сс. 806 815.

24. А. Н. Выставкин, Д. В. Шуваев, JI.C. Кузьмин, М. А. Тарасов, Э. Андерстед, М. Вилландер, Т. Клаесон, Болометр на горячих электронах в нормальном металле с андреевским отражением в сверхпроводниковых берегах, ЖЭТФ, 1999, т. 115, вып. З, сс. 1085−1092.

25. D.V. Shuvaev, D. A Golubev, M.A. Tarasov, L.S. Kuzmin, T. Claeson, Optimization of the normal metal hot-electron microbolometer, Proc. of the10th Intern. Symp. on Space Terahertz TechnolMarch 16−18, 1999, Charlottesville, USA, pp. 78−81.

26. K.D. Irwin, G.C. Hilton, D.A. Wollman, J. M. Martinis, X-ray detection using a superconducting transition-edge sensor microcalorimeter with electrothermal feedback, Appl. Phys. Lett., 1996, 23 September, 69 (13), pp. 1945;1947.

27. K.D. Irwin, G.C. Hilton, J.M. Martinis, B. Cabrera, A hot-electron microbolometer for X-ray detection using a superconducting transition edge sensor with electrothermal feedback, Nucl. Instr. and Meth., 1996, A370, pp. 177−179.

28. K.D. Irwin, An application of electrothermal feedback for high resolution cryogenic particle detection, Appl. Phys. Lett., 1995, 10 April, 66 (15), pp. 1998;2000.

29. S.W. Nam, B. Cabrera, B. Chugg, R.M. Clarke, C. Fertig, K.D. Irwin, B.A. Young, SQUID based W A1 quasiparticle trapping assisted transition edge sensor, Nucl. Instr. and Meth., 1996, A370, pp. 187−189.

30. M. Nahum, J.M. Martinis, Hot-electron microbolometers as high-resolution x-ray detectors, Appl. Phys. Lett., 1995, 5 June, 66 (23), pp. 32 033 205.л.

31. J.M. Martinis, Hot-electron microbolometers with area 0.25 mm, Nucl. Instr. and Meth., 1996, A370, pp.171−172.

32. A.T. Lee, P.L. Richards, S.W. Nam, B. Cabrera, K.D. Irwin, A superconducting bolometer with strong electrothermal feedback, Appl. Phys. Lett., 1996, 16 September, 69 (12), pp. 1801−1803.

33. M.J. Myers, A.T. Lee, P.L. Richards et al, Antenna-coupled arrays of voltage-biased superconducting bolometers, Proc. of 9-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 22−27 July 2001, Melville, USA, pp. 247−250.

34. P. Tan, L.D. Cooley, D. Lin et al, Mo-Cu bilayers as transition edge sensors for X-ray astronomy, ibid, pp. 255−257.

35. J.G. Staguhn, C.A. Allen, D. J Bedford et al, TES detector noise limited readout using SQUID multiplexers, ibid, pp. 321−324.

36. Y. Noguchi, H. Takahashi, D. Fukuda et al, A new readout scheme for imaging TES based on cooling time measurement, idid, pp. 325−328.

37. B. Sadoulet, Cosmology and low temperature detectors, Proc. of 9-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 22−27 July 2001, Melville, USA, pp. 581−584.

38. J. Gundersen, P. Ade, J. Bock et al, BLAST a balloon-borne large aperture submillimeter telescope, Proc. of 9-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 22−27 July 2001, Melville, USA, pp. 585−588.

39. D.J. Benford, S.H. Moseley, J.G. Staguhn et al, Parameter comparison for low-noise Mo/Au bolometers, Proc. of 10-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 7−11 July 2003, Genoa, Italy, pp. 270−273.

40. U. Morita, Y. Ishisaki, T. Koga et al, Analyses on the operating point dependenceof the energy resolution with a Ti/Au TES microbolometer, ibid, pp.277−280.

41. S.R. Bandler, E. Eigueroa-Feliciano, C.K. Stahle et al, Design of transition edge sensor microcalorimeters for optimal performance, ibid, pp. 285−288.

42. J.E. Olsen, E.C. Kirk, Ph. Lerch et al, Study of Mo-Au TES deposited directly on a freestanding membrane, ibid, pp. 296−299.

43. D.J. Benford, S.H. Moseley, Cryogenic detectors for infrared astronomy: Single Aperture Far-Infrared (SAFIR) Observatory, ibid, pp. 379−383.

44. M.J. Myers, W. Holzapfel, A.T. Lee et al, Arrays of antenna-coupled bolometers using transition edge sensors, ibid, pp. 424−426.

45. T.C. Chen, A. Bier, B.A. Campano et al, Development of molybdenum-gold proximity bilayers as transition edge sensors for the SPEED camera, ibid, pp. 446−448.

46. M.D. Audley, W.S. Holland, W.D. Duncan et al, SCUBA-2: A large-format array for submillimetre astronomy, ibid, pp. 479−482.

47. M.D. Audley, W.D. Duncan, W.S. Holland et al, Fabrication of the SCUBA-2 detector arrays, ibid, pp. 483−486.

48. M. Yun, J. Bock, H. Leduc et al, Fabrication of antenna-coupled transition edge polarization-sensitive bolometer arrays, ibid, pp. 487−489.

49. S. Ali, S. Malu, D. McCammon et al, Antenna-coupled transition-edge hot-electrn microbolometer, ibid, pp. 490−492.

50. N. Tralshawala, R.P. Brekovski, M.J. Li et al, Fabrication of Mo/Au transitionedge sensors for X-ray spectrometry, IEEE Trans, on Appl. Supercond., 2001, v. 11, No 1, pp. 755−758.

51. A.T. Lee, S.F. Lee, J.M. Gildemeister, P.L. Richards, Voltage-biased superconducting bolometers for infrared and mm-wave astronomy, Proc. of 7th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 27 July 2 August 1997, Munich, Germany, pp. 123−125.

52. S.F. Lee, J.M. Gildemeister, W. Holmes et al, Voltage-biased superconducting transition-edge bolometer with strong electrothermal feedback operated at 370 mK, Applied Optics, 1998, v. 37, No 16, pp. 3391−3307.

53. A.T. Lee, J.M. Gildemeister, S.F. Lee, P.L. Richards, Voltage-biased high-Tc superconducting infrared bolometers with strong electrothermal feedback, IEEE Trans, on Appl. Supercond., 1997, v. 7 (2378), pp. 546−549.

54. T. Saab, E. Apodacas, S.R. Badler et al., Characterization and modeling of transition edge sensors for high resolution X-ray calorimeter arrays, Proc. of 10-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 7−11 July 2003, Genoa, Italy, pp. 281−288.

55. R.F. Silverberg, S. Ali, A. Bier et al., A bolometer array for the spectral energy distribution (SPEED) camera, ibid., pp. 421−423.

56. R. Fujimoto, K. Mitsuda, N.Y. Yamasaki et al., TES microcalorimeter development for future Japanese X-ray missions, ibid., pp. 431−434.

57. G.C. Hilton, J.A. Beall, S. Geiker et al., X-ray microcalorimeter arrays fabricated by surface micromashining, ibid., pp. 435−438.

58. D.A. Wollman, G.C. Hilton, K.D. Irwin et al, Cryogenic microcalorimeters for x-ray microanalyses, Proc. of NCSL Workshop and Symposium, 1999, Session 8C, pp. 811−819.

59. N.R. Werthamer, Theory of the superconducting transition temperature and energy gap function of superposed metal films, Phys. Rev., 1963, v. 132, # 6, pp. 2440−2445.

60. B.B. Шмидт, Введение в физику сверхпроводников, Из-во МЦНМО, Москва, 2000, 398 с.

61. А. Ф. Андреев, Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников, ЖЭТФ, 1964, т. 46, вып.5, сс. 1823−1828.

62. О. В. Лоунасмаа, Принципы и методы получения температур ниже 1 К, пер. с англ., Из-во «Мир», Москва, 1977, 356 с.

63. С. Hagmann, P.L. Richards, Adiabatic demagnetization refrigerators for small laboratory experiments and space astronomy, Cryogenics, 1995, v. 35, # 5, pp. 303−309.

64. J.P. Torre, G. Chanin, Miniature liquid 3He refrigerator, Rev. Sci. Instrum., 1985, v. 56, pp. 318−320.

65. L. Duband, B. Collaudin, Sorption coolers development at CEA-SBT, Cryogenics, 1999, v. 39, pp. 659−663.

66. L. Duband, L. Hui, A.E. Lange, A space-borne 3He refrigerator, Cryogenics, 1990, v. 30, pp. 263−270.

67. L. Duband, Two-stage sorption cooler down to 200 mK for space, Proc. of the 2-nd Int. School/Workshop for Young Scientists «From Andreev Reflection to the International Space Station», Bjorklinden, Sweden, March 2001.

68. V. Shvarts, L. Bobb, M. Jirmanus, Z. Zhao, Custom-built research refrigerators for ultralow temperatures, Proc. of 10-th Internat. Worcshop on Low Temperature Detectors, 7−11 July 2003, Genoa, Italy, pp. 631−633.

69. P.J. Shirron, E.R. Canavan, M.J. DiPirro et al, A compact continuous adiabatic demagnetization refrigerator with high heat sine temperature, ibid, pp. 647−650.

70. Технология тонких пленок, Справочник, под. ред. JI. Майссела и Р. Глэнга, Москва, «Советское радио», 1977, 392 с.

71. B.C. Эдельман, Работа криостата растворения в микрорежиме, ПТЭ, 2002, № 3, СС. 139−144.

72. V.V. Dmitriev, I.V. Kosarev, D.V. Ponarin, V.V. Zavjalov, Dilution refrigerator with circulation both He-III and He-IV, Proc. of 1-st SSwedish-ussian-Finnish School for Young Scientists, Bjorklinden, Sweden, Marcn 2000.

73. A.S. Borovik-Romanov, Yu.M. Bunkov, V.V. Dmitriev, Yu.M. Mukharski, A nuclear demagnetization ciyostat and 3 He-4 He delution Refrigerator, Jap. J. of Appl. Phys., 1987, v. 26, pp. 34−36.

74. Ю. М. Бунков, B.B. Дмитриев, Ю. М. Мухарский, Г. К. Твалашвили, Криостат на размагничивании ядер и криостат растворения на 3 Не-4 Не высокой производительности, ПТЭ, 1085, № 3, сс. 17−19.

75. Model SR830 DSP lock-in amplifier, Description and instruction manual, Stanford Research Systems, Sunnyvale, California, Nov. 2002.

76. G.M. Gutt, J.S. Kim, M.R. Condron et al., A ultralow noise amplifier for superconductive detectors, Supercond. Sci. Technol., 1991, No 4, pp. 633−636.

77. В. И. Трофимов, B.A. Осадченко, Рост и морфология тонких пленок, Москва, Энергоатомиздат, 1993, 273 с.