Сверхпроводниковые интегральные структуры и приемные устройства диапазона 0.7-1.2 ТГц

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 проекта 23-79-00019

НазваниеСверхпроводниковые интегральные структуры и приемные устройства диапазона 0.7-1.2 ТГц

Руководитель Кошелец 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

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

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

Ключевые слова сверхпроводниковые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1134/S1064226923090115

2. 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)
10.1134/S1064226923090127

3. 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)
10.1109/TTHZ.2023.3321252

4. 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)
10.1134/S1064226923100066

5. Хан Ф.В., Филиппенко Л.В., Ермаков А.Б., Парамонов М.Е., Фоминский М.Ю., Кинев Н.В., Кошелец В.П., Никитов С.А. Сверхпроводниковые генераторы терагерцового диапазона Успехи физических наук, Москва, УФН № 195, № 6, стр. 621–634 (2025); 10.3367/UFNr.2024.12.0398 (год публикации - 2025)
10.3367/UFNr.2024.12.039864

6. Филиппенко Л.В., Чекушкин А.М., Фоминский М.Ю., Ермаков А.Б., Кинев Н.В., Рудаков К.И., Худченко А.В., Барышев А.М., Кошелец В.П., Никитов С.А. Сверхпроводниковые приёмные устройства терагерцового диапазон Успехи физических наук, Москва, УФН № 194, стр. 1207–1222. 2024 10.3367/UFNr.2024.07.039726 (год публикации - 2024)
10.3367/UFNr.2024.07.039726

7. Лиу Б.Л., Лиу Д., Яо М., Джин Д.Д., Ванг З., Ли Д., Ши Ш.К., Чекушкин А.М., Фоминский М.Ю., Филиппенко Л.В., Кошелец В.П., Terahertz high-sensitivity SIS mixer based on Nb-AlN-NbN hybrid superconducting tunnel junctions Chinese Physics В, China, Chin. Phys. B 33, 058501 (2024) (год публикации - 2024)
10.1088/1674-1056/ad2bf7

8. Жукова Е.С., Горшунов Б.П., Кадыров Л.С., Живетьев К.В., Терентьев А.В., Чекушкин А.М., Хан Ф.В., Худченко А.В., Кинев Н.В., Кошелец В.П. Impact of the Buffer Layers and Anodization on Properties of NbTiN Films for THz Receivers IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 3, pp. 1-5, Art no. 1100605 (год публикации - 2024)
10.1109/TASC.2024.3353139

9. Рудаков К.И., Хан Ф.В., Филиппенко Л.В., Чекушкин А.М., А.В. Худченко, Кошелец В.П. Сверхпроводниковые СИС-приемники субТГц диапазона для космической и наземной радиоастрономии Журнал технической физики, Санкт Петербург, Журнал технической физики, 94 (7), 2024, стр. 1087-1094 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.07.58344.171-24

10. Чекушкин А.М., Парамонов М.Е., Кошелец В.П. Подстройка параметров туннельного барьера СИС-перехода путем варьирования состава верхнего электрода Физика твердого тела, Санкт Петербург, Физика твердого тела, 66 (7), 2024, стр. 1042-1046 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.07.58370.39HH

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Продолжены работы по созданию новых типов генераторов и приемников электромагнитного излучения ТГц диапазона с качественно улучшенными характеристиками. Исследованы пленки NbTiN толщиной около 330 нм, изготовленные методом магнетронного напыления на кварцевую подложку толщиной 200 мкм, находящуюся при комнатной температуре. Выбор толщины обусловлен необходимостью использовать пленки с толщиной, превышающей величину лондоновской глубины проникновения магнитного поля. Изучено влияние технологических слоев, необходимых при изготовлении сверхпроводниковых интегральных структур: буферного слоя аморфного Al2O3 толщиной 100 нм и защитного слоя Al толщиной 7 нм, который впоследствии анодируется. Проведены измерения спектров пропускания для всех пленок при помощи спектрометра с временным разрешением TeraView TPS Spectra 3000. По измеренным спектрам пропускания восстановлены зависимости действительной части диэлектрической проницаемости пленки и удельной проводимости от частоты. Установлено, что технологические слои (буферный слой Al2O3 и проанодированный Al на поверхности пленки) не оказывают существенного влияния на характеристики пленок. Аналогично пленкам на кремнии обнаружено, что критическая температура при измерениях в терагерцовом диапазоне меньше значений, измеренных на постоянном токе (13.6 К при измерениях с помощью TDS, против 15.1 К при измерениях на постоянном токе), предложено объяснение этого различия. Проведено несколько серий измерений в заливном гелиевом криостате образца с двумя парами СИС-переходов, интегрированных в микрополосковые линии длиной λ/4 и 3λ/4 с нижним электродом из NbTiN и верхним – из Al, подключенных к щелевой антенне. Образец смонтирован на кремниевую линзу, которая фокусирует приходящее от лампы обратной волны (ЛОВ) излучение на антенну. Относительное изменение мощности, приходящей на СИС-переходы в этих двух структурах, позволяет оценить затухание в NbTiN/Al линии. Обнаружено, что излучение с частотой выше щели одного из электродов в переходах вызывает существенное увеличение температуры, которое наблюдалось в эксперименте по сдвигу щели в область более низких напряжений. Данный эффект будет изучаться в дальнейшем, так как нагрев смесителя под действием приходящего сигнала приведет к повышению шумовой температуры приемника и будет ограничивать область принимаемых частот. Спроектирована схема, включающая распределенный джозефсоновский переход (РДП) на основе СИС-перехода Nb/AlN/NbN размером 16х250 мкм2, передающую щелевую антенну в слое NbTiN и гармонический СИС-смеситель на основе двойного СИС-перехода площадью 1 мкм2 каждый. Данная схема предназначена для вывода излучения, генерируемого РДП, в открытое пространство. Расчет структур проводился в пакете численного трехмерного моделирования Ansys HFSS. На основе разработанной топологии изготовлены образцы интегральных микросхем. Проведена серия экспериментов по регистрации мощности излучаемого сигнала в зависимости от частоты. Продемонстрирована возможность джозефсоновской генерации в открытое пространство на частоте выше 700 ГГц, проведены измерения мощности. Наивысшая по частоте рабочая точка, которую удалось задать на генераторе, соответствует частоте 855 ГГц. Разработаны новые конструкции смесительных элементов ТГц диапазона на основе СИС-переходов с высокой плотностью тока площадью 0,5 мкм2; их оптимизация проводилась с помощью симулятора Ansys (HFSS) с учетом влияния комплексного поверхностного импеданса и диэлектрического материала подложки. Для отстройки емкости перехода на рабочей частоте рассмотрены две структуры: twin с двумя СИС-переходами, и смеситель с одним СИС-переходом, емкость которого отстроена с помощью отрезка микрополосковой линии за переходом. Переходы встроены в микрополосковую линию, образованную плоскостью из NbTiN толщиной 300 нм, диэлектрическим слоем SiO2 толщиной 250 нм, и верхним слоем Al толщиной 500 нм; приемная структура расположена на кварцевой подложке толщиной 40 мкм. Показано, что для разработанных конструкций удается перекрыть весь диапазон частот ALMA Band-10, а устройство с двумя переходами показывает немного лучшее и более широкое по частоте согласование переходов с входным сигналом. Проведенные с использованием пакета SuperMix оценки характеристик двух типов СИС-смесителя показывают, что для структур с оптимальными размерами и параметрами во всем диапазоне частот от 787 до 950 ГГц возможно получение шумовой температуры смесителя в DSB режиме, которая лишь в два раза превышает квантовый предел. Для более высоких частот (выше 1 ТГц) механическое изготовление деталей волноводных смесителей становится чрезвычайно трудной задачей в виду малости размеров всех элементов; для этих частот были разработаны квазиоптические варианты смесителей с двумя СИС переходами. Изготовлена партия смесительных структур обоих типов. Экспериментально измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) приемных СИС-структур. Полученные результаты подтверждают высокое качество изготовленных СИС-структур субмикронных размеров. Модернизирован и введен в эксплуатацию Фурье-спектрометр с вакуумированным оптическим трактом. Спектрометр реализован в виде интерферометра Майкельсона с одним подвижным и одним неподвижным зеркалом. Проведена юстировка и предварительные испытания спектрометра, продемонстрирована возможность снятия интерферограммы и восстановление по ней спектра источника с шагом по частоте менее 2 ГГц. Вакуумирование оптического тракта позволило практически полностью устранить влияние линий поглощения в атмосфере. Спроектированы, изготовлены и измерены образцы сверхпроводниковых генераторов на основе массивов последовательно соединенных джозефсоновских переходов (количеством от 100 до 350), шунтированных тонкопленочным резистором. Выбор топологии в виде копланарной линии, в центральный электрод которой встроен массив, позволил добиться генерации в образцах на частотах от 100 до 700 ГГц. Изготовлено 4 серии образцов с плотностью туннельного тока от 5 кА/см2 до 30 кА/см2. Мощность генерации измерялась при помощи интегрального детектора, выполненного в виде одиночного туннельного СИС-перехода, по величине тока на квазичастичной ступени, возникающей на ВАХ при воздействии сигнала от массива. Мощность накачки для генераторов с плотностью туннельного тока 30 кА/см2 превышает 1 мкВт; что достаточно для «on-chip» применений. Проведены измерения линии генерации массивов. Результаты измерений показывают, что ширина лини генерации для массива из 350 переходов, площадью 2.8 мкм2 каждый, в лучших точках не превышает 1 МГц. Продемонстрирована возможность реализации режима ФАПЧ к внешнему синтезатору. Таким образом, были выполнены все пункты плана работ по проекту на 2024 год. Полученные результаты позволили достичь значительного прогресса в проектировании и изготовлении сверхпроводниковых приемных структур и генераторов ТГц диапазона.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В продолжение работ, начатых в прошлом году, в которых был обнаружен сильный перегрев СИС-переходов, всторенных в микрополосковую линию NbTiN/Al при воздействии терагерцового сигнала от ЛОВ, была разработана модель, позволяющая описать происходящие в образце процессы и найти распределение тепла по образцу. Анализ модели показал, что ввиду сильного рассогласования акустических импедансов NbTiN и буферного слоя Al2O3, а также малого коэффициента теплопроводности NbTiN в сверхпроводящем состоянии, большая часть тепловой энергии, выделяющейся на джозефсоновских контактах, уходит в алюминиевый электрод (за счет электронной теплопроводности), а из алюминиевого электрода – в подложку через окно в слое NbTiN (за счет электрон-фононной релаксации). Из-за такой тепловой развязки и большой мощности излучения лампы обратной волны (ЛОВ) происходит сильный перегрев перехода и уменьшение щелевого напряжения. Теоретически рассчитанное повышение температуры перехода качественно совпадает с наблюдаемым в эксперименте по сдвигу щели в диапазоне мощностей от 0.2 до 1 мкВт. Также было показано, что наличие избыточных неравновесных квазичастиц в ловушке, возникающей из-за адреевского отражения на интерфейсах Nb/NbN и Nb/NbTiN, при облучении СИС-перехода терагерцовым излучением, приводит к относительному изменению щелевого напряжения ~10-6, что существенно меньше влияния перегрева (~10-2). Для описания электромагнитных свойств сверхпроводящих пленок на высоких частотах применяется, в основном, модель Маттиса-Бардина, которая позволяет рассчитать комплексную проводимость, а, следовательно, и поверхностный импеданс, а также коэффициенты отражения и прохождения электромагнитного сигнала определенной частоты через систему «пленка на подложке». Однако, для корректного описания свойств пленок на частотах выше щелевой необходимо использовать более сложные выражения, в которых делается обобщение модели Маттиса-Бардина на конечные времена свободного пробега квазичастиц. Дополнительный учет размытия пиков на зависимости плотности квазичастичных состояний от энергии, позволил с высокой точностью описать экспериментальные результаты по исследованию коэффициента отражения от сверхпроводящей пленки NbTiN вблизи щелевой частоты. Была разработана и отлажена методика моделирования сверхпроводниковых планарных интегральных структур, включающих в себя микрополосковые, копланарные, щелевые линии передачи и антенны, а также джозефсоновские переходы в программе Ansys HFSS. Отдельно была решена задача учета в модели туннельного перехода сверхпроводник–изолятор–сверхпроводник (СИС), выполняющего роль детектора приходящего излучения, с учетом его паразитной емкости и индуктивности. Продемонстрировано качественное соответствие между результатами моделирования и экспериментальными измерениями на основе анализа более 20 различных структур. Проведено сравнение с расчетами в полуаналитической модели, в которой используется метод ABCD-матриц. Показано, что результаты моделирования в HFSS лучше описывают эксперимент, чем полуаналитический расчет, в котором предполагается, что в микрополосковой линии может распространяться только квази-ТЕМ волна. Для преодоления в сверхпроводниковой электронике «рубежа» в 700 ГГц, обусловленного щелевой частотой ниобия, можно использовать либо соединения ниобия с более высокой щелевой частотой, либо пленки ниобия с меньшим поверхностным сопротивлением. При этом туннельные СИС-переходы можно будет формировать с использованием хорошо отлаженной ниобиевой технологии. С целью напыления эпитаксиальных пленок ниобия, были изготовлены 4 образца пленок ниобия толщиной 100 нм в одном цикле, но на разных подложках: аморфный кварц, кварц в ориентации Z-cut, сапфир R-cut, сапфир A-cut. Температура подложек поддерживалась равной 800 К при напылении. Изготовленные пленки были исследованы методами рентгеноструктурного анализа: XRD, GIXRD, XRR. По анализу осцилляций в отраженном спектре под малым углом (XRR) было установлено, что на всех пленках присутствует тонкий (порядка 5 нм) слой окисла, из-за которого на спектре отражения наблюдаются биения. Большая изрезанность XRR-спектра наблюдалась для образцов на A-cut и R-cut сапфире, что свидетельствует о высоком качестве поверхности пленок. При помощи XRD и GIXRD-анализа было установлено, что все пленки являются кристаллическими с преимущественной ориентацией кристаллитов (110) и (220). Наиболее структурированной оказалась пленка ниобия на А-сапфире. Были проведены измерения частотного отклика смесителей с двумя СИС-переходами (twin-структура) и одиночным переходом с торцевой нагрузкой. Все смесители изготовлены на основе туннельных переходов Nb/Al-AlN/NbN, который встроен в микрополосковую линию с нижним электродом из NbTiN и верхним электродом из Al. Анализ показал, что наибольший отклик в диапазоне от 700 до 950 ГГц дают образцы с двумя переходами, согласующие структуры которых рассчитаны на удельную емкость переходов от 100 до 150 фФ/мкм2. По сравнению с twin-дизайнами, отклик образцов с одиночным переходом оказался более узкополосным, как и ожидалось, а также наблюдается заметное смещение максимума АЧХ в низкие частоты, в район 700 ГГц. Тем не менее, протестированные образцы показывают схожий результат и могут быть использованы в дальнейших испытаниях на чувствительность в гетеродинном режиме.

Публикации