автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Детектирование инфракрасного и миллиметрового излучения болометрами на основе YBaCuO

ы оа

На правах рукописи

КОРОТКОВ Андрей Леноктович

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО И МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛОМЕТРАМИ НА ОСНОВЕ УВаСиО

05.27.01 — твердотельная электроника, микроэлектроника н наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1995

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

Научные руководители

доктор физ.-мат. наук Гавриленко В.И. доктор физ.-мат. наук Красильник З.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук Рахманов А.Л. кандидат физ.-мат. наук Курин В.В.

Ведущая организация НЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова" (С.Петербург).

Зашита состоится 18 декабря 1995 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 003.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Институте прикладной физики РАН (603600, г.Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянона, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФ РАН.

Автореферат разослан ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Белянцев АМ.

Общая характеристика работы.

Создание чувствительных детекторов инфракрасного и миллиметрового диапазонов является одним из перспективных направлений применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Использование резкой температурной зависимости сопротивления при переходе из сверхпроводящего в нормальное состояние при создании тепловых приемников излучения болометрического типа известно с 40-х годов, однако широкое распространение такие детекторы не получили из-за конкуренции с более простыми в эксплуатации полупроводниковыми болометрами и разного рода фотодетекторами, эффективно работающими при низких (гелиевых) температурах. С открытием высокотемпературной сверхпроводимости оказалось возможным использовать резкое изменение сопротивления при фазовом переходе в области температур 80 -г 90 К, т.е. выше температуры кипения жидкого азота. Создание чувствительных приемников азотного уровня охлаждения позволило бы в значительной степени решить проблему с приемниками инфракрасного диапазона, которые необходимы в спектроскопии, радиометрии, тепловидении, импульсной фотометрии, диагностике плазмы, астрофизических исследованиях, - в таких исследовательских и прикладных задачах, когда использование жидкого гелия по техническим или экономическим соображениям затруднительно, а применение жидкого азота вполне возможно. С этим связана актуальность исследований, проведенных в данной работе.

Величина минимально обнаружимой мощности излучения идеального ВТСП болометра, ограниченная только термофлуктуационными (фонон-ными) шумами при Т5 « 80 К, оказалась, по оценкам, более чем на порядок лучше, чем уровень 5-10-Ю Вт-Гц'1/2, достижимый для пироэлектрических приемников [1]. Это стимулировало детальные исследования новых сверхпроводниковых болометров, охлаждаемых жидким азотом.

Параметры первых реальных болометрических структур на основе ВТСП (см., напр., [2,3]) оказались далеки от теоретических прогнозов. Результаты исследования показали, что для создания конкурентно-способного ВТСП приемника необходимо использование ВТСП пленок с предельными характеристиками. Для достижения высокой обнаружительной способности необходимо поднять его чувствительность за счет уменьшения ширины перехода, определяющей температурный коэффициент сопротив-

3

ления р = (1/К)-(ё11/сГГ), чтобы исключить вклад джонсоновских шумов и шумов усилителя в эквивалентную мощность шума приемника в целом. Необходимо также максимально снизить уровень 1Д шумов в пленках УВаСиО, связанных с флуюгуациями сопротивления. Как ширина перехода, так и 1Д шумы минимизируются в с-ориенгированных эпитаксиальных пленках высокого качества,„„которые могут быть выращены только на специфических кристаллических подложках [4]. Для достижения максимальной чувствительности необходимо повышать оптическую эффективность приемника. Возможность повышения оптической эффективности без существенных потерь в инерционности болометра предстояло исследовать.

Целью работы явилось изучение основных физических факторов, определяющих возможные предельные параметры тепловых ВТСП приемников для инфракрасного и миллиметрового диапазонов, разработка и моделирование режимов работы основных элементов болометров и приемников в целом.

В работе исследовались два типа приемников: ВТСП болометр среднего инфракрасного диапазона и антенный ВТСП микроболометр субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов. Для каждого из них предстояло решить следующие задачи:

1) оптимизация конструкции, включающая в себя выбор подложки, достижение необходимых тепловых параметров структуры, решение вопросов эффективного поглощения излучения заданного диапазона;

2) оптимизация режимов работы болометра, включающая выбор рабочей точки по температуре, выбор уровня измерительного тока (напряжения), обеспечивающего высокую чувствительность и одновременно тепловую стабильность;

3) детальная проработка всего приемного устройства, содержащего помимо самого болометра азотный оптический криостат, малошумяший предусилитель и систему поддержания рабочей температуры.

Научная новизна данной работы состоит в следующем:

1) теоретически исследованы процессы взаимодействия тонкой пленки ВТСП на диэлектрической подложке с излучением, в частности, переход ее из сверхпроводящего состояния в нормальное под действием излучения, что позволило найти пути повышения оптической эффективности болометра среднего инфракрасного диапазона, а также предложить ограничитель мощности миллиметрового и СВЧ излучения;

2) экспериментально исследована спектральная зависимость коэффициента поглощения ВТСП структур в среднем инфракрасном диапазоне (и, сответственно, спектральная зависимость чувствительности ВТСП болометров на твердой подложке).

3) при создании антенного микроболометра решена задача согласования микромостика ВТСП с антенной, благодаря чему удалось сконструировать приемник с высокой эффективностью в широком диапазоне длин волн;

4) развита методика экспериментального определения тепловых параметров ВТСП структур на диэлектрических подложках по генерации термоэлектрических автоколебаний, что позволило с большей (по сравнению с традиционными методами) точностью прогнозировать характеристики микроболометров.

Практическая значимость проведенных в диссертационной работе исследований связана с выявлением основных достижимых характеристик ВТСП болометров для детектирования инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения. В ходе работы реализован ВТСП болометр среднего инфракрасного диапазона, который нашел применение в лабораторных исследованиях в качестве детектора в решеточном и фурье-спектрометрах. Создан макет микроболометра с байтовой антенной.

Положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. В болометрических системах инфракрасного диапазона на основе ВТСП определяющий вклад в шумы на низких частотах (десятки Гц) дает 1Д шум, связанный с протеканием тока через ВТСП структуру. При уменьшении приемной площадки ВТСП болометра до размеров 1-7-10 мкм, с изменением характера теплоотвода от одномерного к трехмерному, обнаружительная способность приемника ограничивается термодинамическими флуктуациями температуры приемника.

2. Обусловленное дифрахцией снижение эффективности ВТСП болометра микронных размеров в субмиллиметровой и миллиметровой области спектра может быть преодолено с использованием частотно-независимой антенны. Согласование ВТСП микромостика с частотно-независимой антенной достижимо путем выбора его геометрических размеров.

3. Тепловые характеристики системы пленка-подложка могут быть определены по параметрам термоэлектрических автоколебаний, возникающих в пленочных мостиках ВТСП в режиме заданного напряжения.

5

4. При воздействии микроволнового излучения на пленку УВаСиО на диэлектрической подложке переход из сверхпроводящего состояния в нормальное определяется тепловыми механизмами и происходит при мощности падающего излучения 1()3 н- 104 Вт/см2 для температуры подложки Т5 = 77 К, что значительно ниже пороговой мощности, определяемой из условия превышения величины магнитного поля падающей электромагнитной волны уровня критического магнитного поля Нс.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссерташш докладывались на XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград, 1988), Международных конференциях по сверхпроводниковой электронике (Глазго, 1991; Боулдер, 1993), семинарах ИПФ РАН и ИФМ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Она содержит 154 страницы, включая текст, 4 таблицы, 56 рисунков и список литературы (120 наименованнй).

Содержанке работы.

Во Введении обосновывается актуальность проблемы, формулируются цель работы и основные положения, выносимые на защиту, аннотируется содержание глав и разделов диссертации.

Первая глав? носит обзорный характер. В первой ее части рассмотрены принципы работы болометра как теплового приемника излучения, введены основные параметры, характеризующие его эффективность, представлены методы измерения этих параметров.

Над созданием болометров на основе ВТСП-пленок работало несколько групп исследователей как в России, так и за рубежом. Обзор наиболее интересных идей и технических решений в этом направлении дан во второй части главы.

Во второй главе диссертации рассмотрен ВТСП болометр среднего инфракрасного диапазона.

Первая часть посвящена описанию конструкции приемного элемента. Обоснован выбор материала подложки, а также структуры и размеров пленки ВТСП. Для практической реализации была выбрана подложка БгТЮз, поскольку на этом материале получались ВТСП пленки лучшего качества, и, кроме того, титанат стронция имеет сравнительно малую теплопроводность среди используемых материалов, что позволяло рассчитывать на низкий уровень флуктуации температуры болометра при приемлемой величине постоянной времени. Используемые в работе пленки УВаСиО имели толщину 0,1 + 0,2 мкм, сопротивление на квадрат поверхности составляло = 1+20 Ом/п при Тс я 90 К, ДТ » 1 К, плотность критического тока при температуре жидкого азота '¡с ~ 10^ А/см^. Из возможных конструций чувствительного элемента был сделан выбор в пользу болометра на твердой подложке, так как потенциально такая конструкция позволяет реализовать наиболее быстродействующие болометры и обеспечить равномерность частотной характеристики в широкой области частот. Размеры приемной площадки определялись эффективным сечением пучка излучения в оптических системах предполагаемого использования и составляли А = 3x3; 1x1; 0,1x0,1 мм2. Фотолитофафически из пленки ВТСП формировались структуры типа "меандр" с периодом 10 + 100 мкм, целиком заполняющие приемную площадку. Структура типа "меандр" позволяла набрать большое сопротивление чувствительного элемента (от 0,5 кОм до единиц кОм в рабочей точке), обеспечивая тем самым большее значение чувствительности.

Описана конструкция специально разработанного оптического азотного <риостата. Емкость азотного резервуара 100 см^. Время непрерывной заботы (время испарения азота) 5 часов. Болометр располагался в ваку-доной камере криостата. Излучение попадало на приемник через сменное экно, выбор которого (Сге, 81, плавленный кварц, тефлон) опеределялся требуемым спектральным диапазоном. Охлаждаемый экран ограничивал фоновое излучение с температурой Тф = 300 К, попадающее на приемник, юданным телесным углом П.

Рассмотрены режимы работы болометра. Предусмотрена работа прием-гика в двух режимах: с заданным током и заданным напряжением. Для >боих режимов разработаны специальные малошумящие усилители с уров-1ем шумового напряжения иш = 3+5 нВ-Гц'1/2 на частоте Г = 10 Гц и иш с 1 нВ-Гц-1/2 на частотах Г > 1 кГц.

Рассмотрена система поддержания рабочей температуры. Использовано сопротивление самого болометрического элемента в качестве датчика температуры в цепи обратной связи. Примененная система термостабилизации позволяет поддерживать заданное значение температуры болометра с точностью ±0,01 К.

Во второй части главы 2 произведено определение рабочих параметров ВТСП болометров по электрофизическим измерениям. Температурная зависимость сопротивления пленки УВаСиО, а также тепловые параметры чувствительного элемента, такие как теплоемкость С активной области и коэффициент ее тепловой связи с термостатом в, определяют важнейшие характеристики болометра: чувствительность к поглощенной мощности 5а, эквивалентную шуму мощность ЫЕР, быстродействие х = С/О.

Проведены измерения спектральной плотности мощности шумов. На частотах Г < 100 Гц наблюдались шумы типа 1/А, у = 0,8 * 1 (на частоте 10 Гц \}ш = 2-10*8 В-Гц~1/2). Сделан вывод об определяющем влиянии в этой области частот фликкер-шума, связанного с флукгуациями сопротивления пленки ВТСП в резистивном состоянии.

Исследовано влияние поперечного магнитного поля на шумы. Отмечен подъем уровня шумов в магнитном поле, причем наибольший относительный рост происходит на низких частотах. Обнаружена чувствительность болометра в неоднородном магнитом поле к механическим колебаниям и вибрациям. В этой связи рассмотрена работа ВТСП структуры в качестве акселерометрического датчика.

Третья часть главы 2 посвящена исследованию оптической эффективности болометра. В ней рассмотрено взаимодействие тонкой пленки ВТСП на диэлектрической подложке с излучением. Считалось, что сверхпроводниковая пленка толщины (1 и поперечного размера а расположена на непогло-щающей подложке и граничит с другой стороны с диэлектриком проницаемости е. Толщина подложки - с15, диэлектрическая проницаемость - е5. Подложка со стороны противоположной пленке стабилизирована по температуре Т5 < Тс. Из диэлектрика с проницаемостью е на пленку падает электромагнитная волна по нормали к поверхности. При условиях к/с1 » к^/с^, сс! « с5с15,где с, к и с8, к5 - удельные теплоемкости и теплопроводности пленки и подложки соответственно, температура пленки Т однородна и определена из уравнения теплового баланса. При условии с35 « а параметры теплоемкость С и теплопроводность О определены из решения одномерного уравнения теплопроводности для подложки с фиксированным

потоком тепла на одной границе и температурой на другой. В этом случае тепловые характеристики системы определяются только параметрами подложки: О = к5А/с!5, С = 0,5-с5Ас151_где А - площадь подложки, При а < <3 коэффициенты С, О оцениваются аналогично после замены сЦ —> а.

Коэффициент поглощения т| пленки определялся по двухжидкост-ной модели сверхпроводника. Рассматривались пленки толщиной с! меньше глубины скин-слоя. Получено, что в области частот Б » Р(>—

2(Тс-Т5)/(т:Ядр0опТ5) температурная зависимость коэффициента т| отсутствует. В этом случае сверхпроводник по отношению к электромагнитному излучению ведет себя как нормальный металл. Рассчитано значение критической частоты Бд для параметров УВаСиО пленки: лондоновская глубина проникновения магнитного поля Хо = 0,1 мкм, проводимость в нормальном состоянии ап= 10^ (Омм)"1, Тс= 90'К. При (Тс - Т5) = 1 К получено Ро ~ 6-ЮИ Гц (соответствующая длина волны X. к 500 мкм), т.е. во всем среднем ИК диапазоне пленка ведет себя как металл и хорошо отражает падающее излучение (коэффициент отражения г = 1/(2Кп/Ко + 1)

я 0,9, где Ио = 1/стпс1, 11о = / се0; принято значение с! = 0,1 мкм). Коэффициент поглощения г) ~ 0,09. Реально доля падающего на приемную площадку болометра излучения, поглощенного непосредственно пленкой ВТСП, еще ниже, так как она покрывает лишь часть приемной площадки. Часть излученця поглощается в подложке при многократном переотражении от ее границ, а также в клеевой прослойке. Для увеличения доли поглощения непосредственно пленкой необходимо увеличивать сопротивление пленки на квадрат поверхности в нормальном состоянии до величин Яо ® Яо/2, при которых максимален коэффициент поглощения. Однако с уменьшением толщины пленок и соответствующим ростом сопротивления происходит резкое увеличение ширины сверхпроводящего перехода и падение температурного коэффициента р = (1/11)(с1Я/сГГ). Повысить поглощение излучения в непосредственной близости от ВТСП пленки и, соответственно, увеличить чувствительность болометрического устройства обычного типа, можно только с применением специальных покрытий. Эффективным представляется покрытие в виде тонкой металлической пленки, отделенной от чувствительного элемента слоем диэлектрика. Значение л = 0,9 может быть достигнуто при толщине покрытия порядка 0,1 мкм и диэлектрической прослойки - 10 мкм. Такая структура существенно не изменит теплоемкость системы С, которая определяется, главным образом, толщиной подложки <15 £ 100 мкм. Достижимое значение

9

пороговой мощности NEP = (3 + 5)-10-10 Вт-Гц"1/^, что на уровне лучших тепловых приемников азотного охлаждения.

Исследовано также взаимодействие плсепси ВТСП с излучением в миллиметровой и СВЧ части спектра. Обоснована возможность резкого переключения пленки из сверхпроводящего состояния в нормальное при разогреве стуктуры излучением с мощностью, превышающей некоторое пороговое значение. Показано, что диэлектрическое зеркало со сверхпроводниковым слоем может служить ограничителем мощности отраженного электромагнитного излучения. Величина пороговой мощности управляется изменением температуры подложки. Действительно, при F « Fq температурная зависимость коэффициента поглощения т\(Т) может быть достаточно резкой, что важно для управления сигналом. Например, для rq/ro = 0,5 при изменении Т от Ts до Тс величина т) меняется от 2(F/Fo)2 « 1 до 0,5. При (Тс - Ts) = 10 К и значениях параметров Хо, стп, Тс, типичных для YBaCuO пленок, получено Fo = 1()12 +. ю13 Гц.

Зависимость установившегося значения температуры от мощности падающего излучения имеет два устойчивых возрастающих участка, соответствующих сверхпроводящему (S) и нормальному (N) состояниям пленки, и неустойчивый убывающий. С ростou мощности от 0 до критического значения Р,' происходит нагрев пленки в сверхпроводящем состоянии. При Р = Р|' пленка переходит в нормальное состояние, причем предельная температура нагрева сверхпроводящей пленю! ниже Тс. Дальнейший нагрев при Р > ?{ вдет в нормальном состоянии пленки. Обратный переход из нормального в сверхпроводящее состояние с уменьшением Р происходит при Р"< Р|, что свидетельствует о гистерезисном характере S-N перехода.

Коэффициент отражения пленки имеет скачок при Р = Р|' (от г « 1 для S состояния пленки до г » 0,3 для N состояния), свидетельствующий о том, что диэлектрическое зеркало со сверхпроводниковым слоем может служить ограничителем мощности отраженного электромагнитного излучения. Величина пороговой мощности Р(' управляется изменением температуры рабочей точки Ts в пределах 10^ + 104 Вт/см2 для диапазона длин вода от сантиметровых до субмиллиметровыч. Быстродействие такого ограничителя, оцениваемое как т = 0,5с5<382/к8, составляет для типичных параметров подложки единицы микросекунд.

Величина уровня Р1 данной работы существенно ниже оценки ~ 106 Вт/см^ из условия Н > Нс. Это свидетельствует о том, что при сравнительно низких уровнях мощности падающего излучения, характер перехода определяется тепловым механизмом. При больших мощностях излучения основную роль, по-ввдимому, играет полевой (токовый) механизм в силу его малой инерционности.

Проведено измерение спектральной зависимости чувствительности болометра. Экспериментально подтвержден описанный механизм поглощения излучения ВТСП структурой, предложены пути повышения оптической эффективности болометра.

Третья глава диссертации посвящена антенному микроболометру субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов.

При уменьшении линейных размеров поверхности ВТСП структуры до величин а ~ 1 + 10 мкм открывается возможность достижения рекордных для тепловых приемников азотного уровня охлаждения характеристик: мощности, эквивалентной шуму ЫЕР ~ 10~И Вт-Гц" 1/2 при быстродействии т ~ 10"6 с. При этом в диапазоне длин волн X, > а поглощение излучения таким малым элементом не эффективно в силу дифракционных ограничений. Для повышения оптической эффективности возможно подключение ВТСП элемента к пленарной антенне, выполненной на той же поверхности диэлектрической подложки, что и болометр [5]. При этом размеры антенны, очевидно, должны быть Б £ X, но область тепловыделения а может быть существенно меньше.

В первой части дано обоснование конструкции болометра. Рассчитаны тепловые свойства микроболометра, рассмотрены параметры материалов подложек. Основное внимание уделено проблемам согласования сверхпроводникового микромостика с антенной из класса частотно-независимых систем. Показано, что тонкая сверхпроводниковая пленка в резистивном состоянии может служить согласованной нагрузкой для частотно-независимых антенн, т.е. в сочетании с антенной являться элементом теплового приемника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Описаны элементы реальной конструкции и режимы работы антенного ВТСП микроболометра. В качестве подложки с учетом электродинамических и тепловых характеристик был выбран галлат неодима (е5 = 22). Пленка УВаСиО толщиной (1-0,1 мкм формировалась импульсным лазерным напылением, затем магнетрошшм напылением наносилась пленка Аи толщиной 0,3 мкм. Литографически последовательно формировалась

11

двухплечевая байтовая антенна с раскрывом Б = 600 мкм, и микромостик ВТСП размерами 12 х 3 мкм2 - чувствительный элемент микроболометра. Входной импеданс антенной системы Яа = 56 Ом.

Во второй части главы приведены результаты экспериментальных измерений температурных зависимостей сопротивления микроболометра к, коэффициента теплопроводности О, напряжения шума постоянной времени т, а также поляризационной зависимости чувствительности. На основе измеренных данных определялась вольт-ваттная чувствительность в режиме заданного тока, эквивалентная шуму мощность ^Р и обнару-жительная способность О*. Рассчитана спектральная зависимость коэффициента согласования микроболометра с антенной. Диапазон частот рассматриваемого приемника (по уровню 0,5) ограничен областью 0,1 + 3 ТГц с максимумом коэффициента согласования 0,8 при И = 0,6 ТГц. Коэффициент согласования определяет оптическую эффективность микроболометра. Чувствительность его к падающему линейно-поляризованному излучению в диапазоне частот 0,1 ч- 3 ТГц составляет 55 +■ 90 В/Вт при токе через болометр 2 мА. Значение эквивалентной шуму мощности в максимуме чувствительности Ь'ЕР = 2,7-10"И ВтГц-1/2 для { = 10$ Гц. Принимая, что эффективная площадь антенны А ~ получаем для обнаружительной способности в диапазоне Б = 0,1 4- 3 ТГц: Б* = (0,2 н- 4)10^ см-Гц1/2вт"1.

Четвертая глава посвящена исследованию термоэлектрической неустойчивости в тонкопленочных ВТСП структурах. Возникновение неустойчивости связано с резкой температурной зависимостью сопротивления пленки вблизи сверхпроводящего перехода и конечным отводом тепла от пленки в подложку. Временные масштабы развития такого рода неустойчивости определяются тепловыми параметрами системы: коэффициентом тепловой связи пленки ВТСП с подложкой С и эффективной теплоемкостью структуры С. По наблюдению за динамикой состояния пленки ВТСП при потере термической устойчивости в различных электрических цепях возможно определение указанных тепловых параметров для пленочных сверхпроводниковых структур, в том числе болометрических.

Использованная методика импульсных измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ) -пленок ВТСП в резистивном состоянии позволила "отстроиться" от явлений, связанных с разогревом пленки при протекании электрического тока, что имеет большое значение при определении соответствующей модели резистивного состояния. В то же время,

наблюдение за динамикой процессов, связанных с повышением температуры, дало возможность определения тепловых масштабов времени, что важно при разработке устройств, использующих термоэлектрические явления в ВТСП (болометры, ограничители и т.д.).

Обсуждается модель токового состояния. Показано, в частности, что экспоненциальный участок ВАХ в области малых токов) з .¡с соответствует процессу крипа магнитного потока в сверхпроводнике. Температурная зависимость критической плотности тока .¡С(Т) = А (Тс - Т)2, где А — (0,5 + 13)-1()3 А-см~2-К"2 довольно хорошо описывается в рамках модели неоднородного пиннинга вихрей. Степенное поведение ВАХ Е ~ 0 - _)с)т в интервале токов } » ,)с наблюдается на пленках с достаточно высокой плотностью критического тока, причем показатель степени ш является функцией температуры образца: (Зт/сГГ<0. Этот участок ВАХ, по-видимому, формируется процессами термофлуктуационного преодоления дислокациями вихревой решетки протяженных (Ь » (1) энергетических барьеров, возникающих вблизи границы зерен.

Определены условия возникновения термоэлектрической неустойчивости при протекании через пленку постоянного тока, для чего решенб одномерное уравнение теплопроводности с б-образным источником, линеаризованное по малым возмущениям ¿Т= Т-Т(1) квазистационарного профиля температуры Т. Оценка инкремента нарастания возмущения соответствует результатам эксперимента.

Разогрев пленок УВаСиО в течение импульса сверхкритического тока позволил осуществить импульсную модуляцию температуры образца. При гелиевых температурах перегрев образца сопровождался возникновением излучения дальнего инфракрасного диапазона.

Обсуждается возможность наблюдения неустойчивости нетеплового характера в ВТСП структурах.

Во второй части главы 4 теоретически II экспериментально нсслсло-ваны термоэлектрические автоколебания в коротких пленочных мостиках ВТСП на диэлектрической подложке. Дана сравнительная оценка известных способов определения тепловых параметров ВТСП структур и предложен новый метод, использующий термоэлектрические колебания в цепях, содержащих ВТСП элементы.

Представлено теоретическое обоснование метода. Рассмотрена электрическая цепь, включающая последовательно соединенные источник постоянного напряжения и, индуктивность Ь и ВТСП мостик с сопротивлением

И—11(1,Т), зависящим от протекающего по нему тока I и температуры Т. Уравнение для тока в этой цепи дополнено уравнением динамики температуры однородно нагретой ВТСП пленки, расположенной на стабилизированной по температуре Т5 подложке, с источником тепла, определяемым джоулевыми потерями в пленке. Показано, что наличие падающего участка ВАХ является необходимым условием возникновения термоэлектрических автоколебаний в рассматриваемой системе. В то же время зона генерации по и оказывается уже, чем область отрицательной крутизны ВАХ. Если величина и находится в зоне падающего участка ВАХ, автоколебания можно возбудить, увеличивая время электрической релаксации цепи те (повышая индуктивность Ь). По величине критической индуктивности Ь = Ьс, при которой система теряет устойчивость, можно определить время тепловой релаксации ту. Измерение величины ху по характеристикам автоколебаний и независимое определение в по стационарной ВАХ позволит найти теплоемкость системы, поскольку ту = С/О.

Изложены методика и результаты эксперимента. В рамках модели резистивного состояния сверхпроводника показана возможность определения тепловых параметров структуры - коэффициентов теплопроводности, теплоемкости • и времени тепловой релаксации. Предложенный способ может быть использован для предварительной тепловой диагностики чувствительных элементов при разработке ВТСП болометров.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы.

1 Экспериментально исследован болометрический приемник излучения инфракрасною диапазона на основе тонкой пленки высокотемпературною сверхпроводника УВа2СизОх на подложке БгТЮз. Характеристики болометра: рабочая температура Т ~ 90 К; вольт-ватгная чувствительность на частоте модуляции 10 Гц Ба = 90 В/Вт при токе 1= 0,5 мА; мощность, эквивалентная шуму ЫЕР = 2-10*9 Вт-Гц" 1/2; постоянная времени х = 0,3 с.

Коэффициент оптической эффективности ИК болометра составляет л ~ 0,1. Достижимо значение п ~ 0,5 -¡- 0,9 при использовании поглощающего покрытия в виде тонкой металлической пленки, отделенной от чувствительного элемента слоем диэлектрика.

2. Теоретически исследован переход в тонкой сверхпроводниковой пленке, стимулированный нагревом пленки падающим электромагнитным излучением. Показан гистерезисный характер Б-М перехода по отношению к интенсивности падающего излучения. Предложен ограничитель мощности отраженного излучения СВЧ и ИК диапазонов. Величина пороговой мощности падающего излучения варьируется в пределах 102 + 1()4 Вт/см2 выбором рабочей температуры ограничителя Тк.

3. Экспериментально и теоретически исследован микроболометр субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов на подложке И(ЮаОз с частотно-независимой антенной. Характеристики микроболометра: постоянная времени х = 10~6 с, чувствительность 8 = 90 В/Вт при токе через болометр 2 мА, эквивалентная шуму мощность ЫЕР = 2,7-10" 11 Вт-Гц" '/2 (Г = 105 Гц). Показано, что ВТСП микроболометры позволяют реализовать высокие характеристики ^Р и т, а благодаря использованию частотно-независимой антенны их рабочий диапазон может быть продвинут в субмиллиметровую и миллиметровую области спектра.

4. Исследовано развитие тепловой неустойчивости токового состояния в тонких пленках ВТСП с использованием коротких импульсов тока.

Определены условия возникновения и параметры термоэлектрических автоколебаний в коротком пленочном мостике ВТСП в цепи с внешней инерционностью. В рамках модели резистивного состояния показана возможность определения коэффициентов теплопроводности, теплоемкости структуры, времени тепловой релаксации, что может быть использовано для тепловой диагностики чувствительных элементов ВТСП болометров.

Публикации автора.

1А. А.А.Жаров, А.Л.Коротков, А.Н.Резник. Тепловой S-N переход в тонкой сверхпроводниковой пленке, стимулированный падающим электромагнитным излучением. СФХТ, 1992, т.5, N.3, с.419-422.

2А. A.A.Zharov, A.L.Korotkov, A.N.Reznik. Electromagnetic power limiting at S-N transition in a thin superconducting film. Supercond. Sci. Technol., 1992, v.5, p. 104-106.

ЗА. A.A.Zharov, A.L.Korotkov, A.N.Reznik. Electromagnetic power limiting at S-N transition in a thin superconducting film. ISEC'91, Glasgow, Scotland. Extended Abstracts, p.217-220.

4А. А.Ю.Климов, А.Л.Коротков, З.Ф.Красильник, Л.В.Парамонов, А.Н.Рез-ник. Болометры инфракрасного и миллиметрового диапазонов на YBaCuO. СФХТ, 1995, т.8, N.1, с.130-136.

5А. A.L.Korotkov, S.A.Pavlov, A.E.Parafin, A.N.Reznik, A.V.Vaiganov, and A.A.Zharov. Determination of thermal parameters of HTSC elements by using the thermoelectric generation. ISEC93. Boulder, Colorado. Extended Abstracts, p.410.

6A. А.Л.Коротков, А.Н.Резник, А.А.Жаров. Термоэлектрические автоколебания в пленочных ВТСП структурах: определение тепловых параметров. СФХТ, 1995, т.8, N.1, с.29-36.

7А. В.И.Гавриленко, А.Л.Коротков, В.Я.Косыев, М.Д.Стриковский, И.Л.Максимов. Тепловая неустойчивость резистивного состояния в сверхпроводящих пленках Y-Ba-Cu-O. XXV Всесоюзное совещание по физике низких температур. Ленинград, 1988. Тезисы докладов, часть I, с.223-224. 8А. В.И.Гавриленко, А.Л.Коротков, В.Я.Косыев, А.В.Кочемасов, И.Л.Максимов, М.Д.Стриковский. Вольт-амперная характеристика и тепловая неустойчивость резистивного состояния сверхпроводящих пленок YBa2Cu3<Dy. Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, в.13, с.83-86.

Цитированная литература

1. P.L.Richards, J.Clarke, R.Leoni, P.H.Lerch, S.Verghese, M.R.Beasley, T.H.Geballe, R.H.Hammond, P.Rosenthal, and S.R.Spielman. Feasibility of the high Tc superconducting bolometer. Appl. Phys. Lett., 1989, v.54, No.3, p.283-285.

2. A.Frenkel. High temperature superconducting thing films as broadband optical detectors. Physica C, 1991, v.180, No.1-4, p.251-258.

3. И.А.Хребтов. Сверхпроводниковые инфракрасные и субмиллиметровые приемники излучения. Опт.-мех. пром-ть, 1991, N 5, с.З-15, 69.

4. R.D.Black, L.Q.Tumer et al. Thermal fluctuation and 1/f noise in orient and unoriented УВа2Сиз07-х films. Appl. Phys. Lett., 1989, v.55, No.21, p.2233-2235.

5. Q.Hu, P.L.Richards. Design analisis of a high Tc superconducting microbolometer. Appl. Phys. Lett., 1989, v.55, No.23, p.2444-2446.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

1. Тепловые сверхпроводниковые приемники

1.1. Принципы работы болометра

1.1.1. Болометр как тепловой приемник излучения

1.1.2. Расчет и измерение чувствительности

1.1.3. Источники шума в болометрах

1.1.4. Оптимизация болометрической приемной системы

1.2. Болометры на основе сверхпроводников

1.2.1. Низкотемпературные сверхпроводниковые болометры

1.2.2. ВТСП болометры

1.2.3. ВТСП микроболометры

1.2.4. Сверхбыстрые ВТСП детекторы

2. ВТСП болометр среднего инфракрасного диапазона

2.1 Конструкция болометрического устройства

2.1.1. Приемный элемент (выбор материала подложки, структуры и размеров)

2.1.2. Оптический криостат

2.1.3. Режимы считывания

2.1.4. Система поддержания рабочей температуры

2.2. Электрофизические характеристики болометра

2.2.1. Температурная зависимость сопротивления болометра

2.2.2. Измерения коэффициента теплопроводности

2.2.3. Чувствительность болометра

2 2 4 Постоянная времени. Частотная зависимость чувсгвитель

нос iii

2.2.5. Шумы, спектральная плотность мощности шумов, NEP

2.2.6. Влияние магнитного поля на шумы. Акселерометрический эффект в неоднородном магнитном поле

2.3. Оптическая эффективность

2.3.1. Взаимодействие тонкой пленки ВТСП на диэлектрической подложке с излучением

2.3.2. Спектральная чувствительность Результаты, полученные в главе 2

3. Антенный ВТСП микроболометр субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов

3.1 Конструкция микроболометра

3.1.1. Расчет тепловых свойств микроболометра. Выбор подложек

3.1.2. Выбор антенны. Проблемы согласования

3.1.3. Реальная конструкция

3.2. Основные характеристики микроболометра

3.2.1. Электрофизические измерения (Я(Т), И, 5а, иш, НЕРе)

3.2.2. Постоянная времени

3.2.3. Поляризационная зависимость чувствительности

3.2.4. Оптическая эффективность, Б*, спектральная чувствитель ность

Результаты, полученные в главе 3

4. Определение тепловых параметров микроболометра по генерации термоэлектрических автоколебаний

4.1 Неустойчивости токового состояния в тонких пленках ВТСП

4.1.1. Методика импульсных измерений ВАХ

4.1.2. Модель токового состояния

4.1.3. Тепловая неустойчивость резистивного состояния

4.1.4. Наблюдение дальнего ИК излучения из пленок

4.1.5. Неустойчивости нетеплового характера в ВТСП

4.2. Термоэлектрические автоколебания в пленочных ВТСП структурах

4.2.1. Методы определения тепловых параметров

4.2.2. Теория термоэлектрических автоколебаний в ВТСП

4.2.3. Методика и результаты эксперимента

4.2.4. Определение тепловых характеристик Результаты, полученные в глаис 4

Заключение

Список работ, в которых опубликованы основные результаты, полученные в диссертации

Литература