КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-79-00019

НазваниеСверхпроводниковые интегральные структуры и приемные устройства диапазона 0.7-1.2 ТГц

РуководительКошелец Валерий Павлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2026 г. 

Конкурс№79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры УНУ «Криоинтеграл» - «Технологический и измерительный комплекс для создания сверхпроводниковых наносистем на основе новых материалов».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-707 - Элементная база квантовых компьютеров и систем связи

Ключевые словасверхпроводниковые тонкие пленки, наноструктуры, сверхпроводниковые туннельные переходы, терагерцовые приемники и генераторы, сверхпроводниковая электроника, спектроскопия терагерцового диапазона.

Код ГРНТИ29.19.29; 29.35.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Чрезвычайно высокая характерная частота и предельно сильная нелинейность сверхпроводниковых наноструктур позволяют создавать на их основе системы для приема и генерации излучения терагерцового диапазона с характеристиками, существенно превосходящими параметры приборов, основанных на других принципах. Применение современных методов наноэлектроники позволяет реализовывать сверхпроводниковые интегральные структуры и приемные устройства на их основе для работы в терагерцовой спектральной области с предельной (квантовой) чувствительностью. Целью предлагаемого проекта является разработка, изготовление и исследование приемных элементов, генераторов и интегральных схем терагерцового диапазона на основе туннельных наноструктур сверхпроводник–изолятор–сверхпроводник (СИС) с квантовой чувствительностью и другими рекордными параметрами, недостижимыми при использовании существующих технологий и подходов. Будут разработаны наноструктуры для приемных элементов терагерцового диапазона на основе материалов с высокими значениями энергетической щели и малыми поверхностными потерями, таких как NbTiN, с использованием туннельных переходов Nb/AlN/NbN, способных работать на частотах порядка и выше 1 ТГц. В рамках предлагаемого проекта будут разработаны, изготовлены и исследованы СИС смесители на основе туннельных переходов Nb/AlN/NbN, включенных в микрополосковую линию NbTiN/Al. Создаваемые приемные структуры предназначены для ряда наземных и космических радиотелескопов, в том числе для приемников Champ II + (обсерватория APEX, Чили); эти разработки ведутся в рамках планируемой модернизации приемного оборудования для самого большого радиоастрономического проекта современности – многоэлементного интерферометра Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Будут разработаны, изготовлены и исследованы сверхпроводниковые генераторы, у которых оба электрода туннельного перехода будут изготовлены из соединений ниобия с рабочей частотой порядка и выше 1 ТГц, что позволит использовать их в качестве генератора гетеродина в интегральном приемнике. Терагерцовые электродинамические свойства пленок NbN и NbTiN весьма чувствительны к особенностям технологических процессов их изготовления. Критически важная задача контроля таких свойств будет решаться путем оперативных «on-line» измерений на количественном уровне полного набора температурно-зависимых терагерцовых характеристик пленок: комплексных проводимости, поверхностного импеданса и т. д.; соответствующие этапы, основанные на передовых методах монохроматической и импульсной терагерцовой спектроскопии, будут органически включены в технологический процесс. Реализация проекта позволит решить актуальные задачи современной радиоастрономии и астрофизики, а полученные результаты найдут целый ряд практических приложений (медицинская диагностика, мониторинг атмосферы Земли, спектроскопия и системы безопасности). По результатам работы предполагается подготовка и подача патентов. Активное многолетнее участие коллектива заявки в работе ведущих отечественных и мировых астрофизических центров и проектов (проект «Суффа», программа «Миллиметрон», китайские терагерцовая обсерватория в Антарктиде Dome А и модульная орбитальная станция «Тяньгун», бразильский телескоп LLAMA и обсерватория APEX, Атакама, Чили) сделает возможным оперативно апробировать разработки при решении актуальных задач астрофизики и физики Земли. Выполнение проекта будет способствовать существенному развитию научно-технического и технологического комплекса страны, обеспечит возможность перехода к созданию в России новых видов научно-технической продукции для научных исследований и практических приложений и, таким образом, обеспечит технологическую независимость России при разработке амбициозных наземных и космических радиоастрономических миссий и проектов.

Ожидаемые результаты
Предлагаемая программа научных исследований естественным образом объединяет работы по двум приоритетным направлениям науки и техники: создание практических основ сверхпроводниковой СВЧ электроники и разработку уникальных устройств для сверхчувствительного приема сигналов и дальнейшей их обработки. Применение современных методов наноэлектроники и успешно работающая уникальная научная установка (УНУ «Криоинтеграл») позволяет коллективу участников проекта создавать наноструктуры и интегральные сверхпроводниковые устройства на их основе для работы в терагерцовом (ТГц) диапазоне с квантовой чувствительностью. В ходе выполнения предлагаемых исследований будет получен целый ряд как фундаментальных, так и прикладных результатов; детальное описание результатов с обоснованием их научной значимости и важности для реализации целей проекта приведено в соответствующем разделе формы 4, ниже кратко перечислены ожидаемые результаты работы коллектива проекта. Реализация данного проекта позволит создать ряд уникальных приемных устройств ТГц диапазона для новых радиоастрономических проектов. Полученные результаты будут востребованы также в других фундаментальных и прикладных областях. В результате проведенных исследований будут разработаны и апробированы новые методы изготовления и диагностики сверхпроводниковых туннельных наноструктур и интегральных систем на их основе для работы в ТГц диапазоне частот с предельно высокими характеристиками. В результате проведенных исследований будут определены оптимальные условия (парциальные давления азота и аргона, скорость напыления, мощность и расстояние от подложки до мишени), позволяющие получить пленки NbTiN с наименьшим поверхностным сопротивлением на частотах порядка 1 ТГц при сохранении высокой критической температуры (не менее 14 К). Для расширения частотного диапазона приемных устройств до значений порядка и выше 1 ТГц будет проведена разработка туннельных наноструктур на основе материалов с высокими значениями энергетической щели и малыми поверхностными потерями, таких как NbN и NbTiN с критической температурой более 14 К с барьерами AlN и MgO, что позволит реализовывать туннельные переходы со щелевым напряжением вплоть до 5 мВ. Будет проведено детальное измерение параметров туннельных барьеров (высота и толщина барьера) при различной плотности туннельного тока. Будут разработаны и изготовлены СИС смесители на основе туннельных переходов Nb/AlN/NbN, включенных в микрополосковую линию NbTiN/Al для волноводных приемников диапазона 790 - 950 ГГц (CHAMP-HI на телескопе АРЕХ в Чили; китайская антарктическая обсерватория в Dome A; китайская орбитальная научная станция «Тяньгун», а также бразильская обсерватория LLAMA); измерены частотный отклик и чувствительность СИС смесителей во всем рабочем диапазоне. Будут разработаны и изготовлены сверхпроводниковые генераторы гетеродина (СГГ) нового поколения, существенно расширен частотный диапазон их работы, как в сторону низких частот, так и в область частот вплоть до 1 ТГц. Будет проведена разработка методов подавления геометрических резонансов в сверхпроводниковом генераторе гетеродина (за счет подавления резонансов Фиске на частотах ниже границы джозефсоновской самонакачки) для реализации непрерывной перестройки частоты при произвольном токе смещения и сохранении высокого спектрального качества генератора. Будет разработан и исследован новый тип генератора гетеродина для интегрального приемника ТГц диапазона, определены его основные параметры (диапазон непрерывной перестройки частоты гетеродина в режиме ФАПЧ и спектральное качество генератора). Будет проведена оптимизация топологии и параметров интегральных сверхпроводниковых генераторов с электродами из NbN и NbTiN, реализован режим ФАПЧ и измерены фазовые шумы СГГ на частотах до 1 ТГц. Будут детально исследованы электрофизические и спектральные характеристики СГГ; планируется подача заявки на патент РФ. Будет разработан и исследован интегральный приемник с рабочими частотами до 1 ТГц, определены его основные параметры (диапазон перестройки частоты гетеродина в режиме ФАПЧ, шумовая температура и спектральное разрешение приемника). Результаты планируемых исследований позволят значительно повысить чувствительность детекторов ТГц-диапазона на основе СИС смесителей. Приборы высокого спектрального разрешения для анализа многочисленных узких молекулярных спектральных линий необходимы как для оснащения существующих миллиметровых и субмиллиметровых наземных телескопов, таких как ALMA, APEX, SPT, и др., так и для комплектования новых как LLAMA, СУФА, AtLast, в том числе для установки на борту космических обсерваторий, таких как Миллиметрон. Результаты проведенных исследований также будут востребованы при проектировании других сверхпроводниковых устройств, изготавливаемых с использованием пленок NbTiN, например, однофотонных детекторов и сверхпроводниковых болометров на кинетической индуктивности (KID). Следует отметить, что авторы данной заявки обладают, насколько нам известно, единственной в России технологией изготовления интегральных схем средней степени интеграции на основе туннельных наноструктур с высокой плотностью тока. Многие из ожидаемых результатов будут уникальными и не будут иметь аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом. По результатам реализации проекта предполагается опубликовать в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях не менее 14 статей, из них 10 в изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science) и Скопус (Scopus). Еще одним важным результатом проекта будет дальнейшее развитие исследовательской группы и вклад в учебную практику для студентов и аспирантов МФТИ и МГУ, которые примут участие в исследовательской программе и получат практический опыт и навыки для успешной карьеры в области науки. Выполнение НИР будет способствовать существенному развитию научно-технического и технологического комплекса страны. Апробация сверхчувствительных приемников ТГц излучения позволит оптимизировать характеристики создаваемых приемных наноструктур и даст возможность перейти к созданию в России новых видов научно-технической продукции для научных исследований (радиоастрономия, мониторинг атмосферы Земли, спектроскопия). Развитие технологий малошумящих ТГц детекторов и разработка сверхчувствительных приёмных систем обеспечат технологическую независимость России при разработке новых наземных и космических радиоастрономических миссий и целого ряда практических приложений (научное приборостроение, медицинская диагностика, системы безопасности).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В настоящее время существует ряд важнейших фундаментальных (радиоастрономические наблюдения, исследование состава веществ и др.) и прикладных (медицинская диагностика, мониторинг атмосферы Земли) задач, для решения которых необходимо создание новых типов генераторов и приемников электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот с качественно улучшенными характеристиками. Недавние достижения в области современных планарных сверхпроводящих схем и методов изготовления туннельных переходов открывают возможности создания и дальнейшего улучшения характеристик сверхпроводниковых смесителей с рабочими частотами до 1 ТГц и реализацию устройств с шумовой температурой лишь незначительно превышающей квантовый предел. Развитие технологий малошумящих ТГц детекторов и разработка сверхчувствительных приёмных систем обеспечит технологическую независимость России при разработке амбициозных наземных и космических радиоастрономических миссий, таких как проект «Суффа» и программа «Миллиметрон», а также активно обсуждаемого в последние годы терагерцового телескопа в Российской Федерации. Сверхпроводниковые приемные системы с предельными характеристиками могут быть получены, во-первых, путем совершенствования технологии изготовления структур и применения инновационных материалов, а во-вторых, благодаря оптимизации дизайнов проектируемых устройств. Обе данные задачи решаются в настоящей работе. Большая часть сверхпроводниковых приемных устройств изготовлена на основе ниобиевой технологии. Щелевая частота ниобия – частота, выше которой под действием высокочастотных фотонов в пленке происходит распад куперовских пар и резкое возрастание потерь – составляет примерно 700 ГГц. Поэтому в устройствах на диапазон выше 700 ГГц необходимо использование других материалов с большей щелевой частотой, например, соединения ниобия – NbN или NbTiN. Проводимость NbTiN в нормальном состоянии несколько выше, чем у NbN, что и послужило главной причиной выбора NbTiN в качестве материала для исследования. Для получения пленки NbTiN с наилучшими параметрами были проведены работы по оптимизации технологии их изготовления. С этой целью была изготовлена серия пленок NbTiN толщиной около 330 нм (больше глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник) на кремниевых подложках. Путем вариации давления азота, удалось подобрать условия для напыления пленок с наибольшей критической температурой, щелью и проводимостью при малой глубине проникновения магнитного поля. Также было установлено, что параметры, измеренные на терагерцовых частотах, отличаются от измерений на постоянном токе, что необходимо учитывать при проектировании устройств. Результаты работы опубликованы в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology; по статье подготовлен пресс-релиз: https://habr.com/ru/news/769970/ Основным элементом сверхпроводниковых приемных систем является детектор на туннельных джозефсоновских переходах типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС). Благодаря уникальной нелинейности ВАХ СИС-контактов смесители на их основе обладают набором уникальных характеристик, недостижимых устройствами на других принципах. Поэтому важно, кроме достижения высокого качества сверхпроводящих пленок, также получить и высококачественные туннельные переходы субмикронных размеров. В работах по настоящему проекту была успешно разработана и освоена технология изготовления туннельных СИС-контактов типа Nb/Al-AlOx/Nb и Nb/Al-AlN/NbN. Как известно, увеличение плотности туннельного тока позволяет добиться улучшения высокочастотных свойств СИС-переходов. В изготовленных сериях образцов были достигнуты значения плотности туннельного тока 5 кА/см2 для переходов типа Nb/Al-AlOx/Nb и 20 кА/см2для Nb/Al-AlN/NbN. Измерения ВАХ переходов подтвердили высокое качество переходов – отношение нормального сопротивления к подщелевому оказалось выше 20 для всех образцов. Переходы Nb/Al-AlN/NbN были успешно интегрированы в микрополосковую линию, составленную из NbTiN и Al электродов; в качестве диэлектрика используется диоксид кремния, полученный методом высокочастотного магнетронного напыления. Вся структура интегрирована на одном чипе вместе с щелевой антенной, которая служит для связи структуры с внешним пространством. Стоит отметить, что технология изготовления подобных структур была разработана и отлажена в рамках проведения работ по проекту. Воздействие внешнего переменного поля на СИС-переход можно наблюдать по появлению квазичастичной ступени тока на ВАХ. По величине тока на ступени можно произвести оценку мощности, приходящей к СИС-переходу. Предварительные измерения изготовленных образцов на высоких частотах с помощью лампы обратной волны показали принципиальную возможность создания приемников на основе данной технологии. В качестве опорного сигнала в сверхпроводниковых гетеродинных приемниках может быть использован генератор на основе распределённого джозефсоновского перехода (РДП), интегрированный на одном чипе вместе со смесителем. Частота генерации РДП управляется с помощью приложенного напряжения, что позволяет перестраивать её в широком диапазоне – для переходов с ниобиевым электродом – от 200 до 700 ГГц. При приложении внешнего магнитного поля в плоскости РДП, поле в переход проникает в виде вихрей Джозефсона. Вихри приводятся в движение протекающим через переход постоянным током. Генерация излучения происходит при выходе вихрей из РДП. При этом часть излучения остается внутри перехода, распространяясь по нему, что приводит к возникновению стоячих волн. При этом на ВАХ появляются ступени тока, называемые ступенями Фиске. На ступенях дифференциальное сопротивление, а следовательно, и ширина автономной линии генерации, достаточно малы, что помогает реализовать режим фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Однако, в промежутках между ступенями стабильная генерация оказывается невозможна. Положение ступеней можно изменять, варьируя внешнее магнитное поле, однако найти рабочую точку с достаточным уровнем мощности удается не всегда, и на это требуется дополнительное время. В рамках работ по проекту были предложены и успешно реализованы системы, позволяющие существенно подавить ступени Фиске и обеспечить возможность непрерывной перестройки частоты во всем рабочем диапазоне РДП. Этот результат был достигнут путем добавления резистивных слоев нормального металла по краям и на неизлучающем конце РДП, что позволило добиться существенного уменьшения амплитуды отраженных волн. Отсутствие геометрических резонансов привело к сглаживанию ВАХ РДП. При этом ширина автономной линии генерации во всем диапазоне оказалась меньше 15 МГц, что позволило реализовать режим ФАПЧ на всех частотах. Уменьшение мощности, регистрируемое интегрированным на одном чипе с РДП детектором на точечном СИС-переходе, оказалось незначительным. Таким образом, были выполнены все пункты плана работ по проекту на 2023 год. Более того, начаты исследования, запланированные на следующий год. Уже получены результаты, позволяющие на текущем этапе достичь значительного прогресса как в производстве новых материалов, так и проектировании и изготовлении передовых структур с контролируемыми параметрами.

 

Публикации

1. Кинев Н.В., Чекушкин А.М., Хан Ф.В., Рудаков К.И. Study of Superconducting Transmission Lines and Tunnel Junctions for Signal Detection at Frequencies above 1 THz Journal of Communications Technology and Electronics, vol. 68, no. 9, pp. 946-951 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1064226923090127

2. Хан Ф.В., Атепалихин А.А., Филиппенко Л.В., Кошелец В.П. Comparison of Methods for Calculation of Superconducting Integrated Structures Using Semi-Analytical Calculation and 3D Numerical Simulation Journal of Communications Technology and Electronics, Journal of Communications Technology and Electronics, 2023, Vol. 68, No. 9, pp. 983–988. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1064226923090115

3. Хан Ф.В., Атепалихин А.А., Филиппенко Л.В., Кошелец В.П. Design of Superconducting Integrated Matching Circuits Journal of Communications Technology and Electronics, Vol. 68, No. 10, pp. 1219–1222 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1064226923100066

4. Хан Ф.В., Жукова Е.С., Горшунов Б.П., Кадыров Л.С., Чекушкин А.М., Худченко А.В., Кошелец В.П. Characterization of Microwave Properties of Superconducting NbTiN Films Using TDS IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 13, no. 6, pp. 627-632 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/TTHZ.2023.3321252

5. - Исследователи разработали методику изготовления оптимальных сверхпроводниковых плёнок Онлайн-блог "Хабр", Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-79-00019). (год публикации - )