• Разработка сверхпроводниковых когерентных приемников ТГц диапазона с квантовой чувствительностью

  Руководитель направления Кошелец Валерий Павлович гл. науч. сотр., д.ф.-м.н., профессор эл. почта: valery@hitech.cplire.ru тел.: +7(495)629-74-31

   

  Целью работы по данному направлению является разработка и исследование сверхпроводниковых тонкопленочных структур ТГц диапазона с квантовой чувствительностью, предназначенных для приемных систем радиотелескопов космического и наземного базирования. Смесители сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) на основе высококачественных туннельных переходов являются ключевыми элементами наиболее чувствительных гетеродинных приемников субТГц диапазона. Созданы и исследованы СИС-приемники диапазонов 211–275 ГГц и 800–950 ГГц с шумовой температурой в двухполосном режиме (DSB) около 20 К и 220 К соответственно. Эти разработки будут использованы при создании приемных систем для наземных телескопов Суффа, APEX и LLMA, а также для миссии Российского космического агентства «Миллиметрон». Ниже представлены фото изготовленных структур и результаты их исследования.

  Рис. 1.1. ВАХ смесительного элемента Nb-Al-Nb/Al-AlOx/Nb площадью 1 μm2 (черная кривая), а также ВАХи при подаче сигнала гетеродина частотой 241 ГГц различной мощности (синяя и красная кривые). На вставке показан разрез многослойной структуры в области туннельного элемента.

  Рис. 1.2. Фотография смесительной СИС-структуры диапазона 211-275 ГГц. СИС переход включен в тонкопленочную структуру, образуемую отрезками микрополосковых и копланарных линий.

  Рис. 1.3. Зависимости выходного сигнала СИС-приемника для структур Nb/Al/Nb-AlOx-Nb без колена, измеренные на промежуточной частоте 6,5 ГГц при «холодной» и «горячей» нагрузке на входе (синяя и красная линия, соответственно).

  Рис. 1.4. Зависимость двухполосной шумовой температуры СИС-приемника на основе структур Nb/Al/Nb-AlOx-Nb от частоты гетеродина, измеренная в полосе ПЧ 4-8 ГГц. Экспериментальные данные показаны без каких либо коррекций на потери во входных оптических элементах. Погрешность измерений, показанная вертикальными отрезками, составляет приблизительно 2 К. Пунктирной и сплошной линиями показаны значения шумов, соответствующих квантовым величинам 2 hf/kB и hf/kB, соответственно.

  Рис. 1.5. ВАХ смесительного элемента Nb/AlN/NbN, включенного в микрополосковую линию NbTiN/Al - черная кривая, джозефсоновский ток подавлен магнитным полем; структура разработана для телескопа APEX (площадь туннельного перехода A = 0.5 μm2, Vg = 3.22 mV, RnS = 8.5 Ω μm2, плотность туннельного тока 30 kA/cm2). ВАХ СИС-перехода при воздействии мощности гетеродина (частота 950 ГГц) показана красной кривой; на вставке представлен разрез смесительной структуры.

  Рис. 1.6. Макет и микрофотография смесительного элемента Nb/AlN/NbN для приемника CHAMP+. Центральная часть макета (включая двойной СИС переход, трансформатор и антенну) показаны внизу слева в увеличенном масштабе.

  Рис. 1.7. Зависимость двухполосной шумовой температуры (DSB ) трех СИС-смесителей от частоты гетеродина, измеренная в полосе ПЧ 4-8 ГГц. Шумовая температура скорректирована на потери во входном окне и делителе пуска. Пунктирной линией показана шумовая температура, которая соответствует 3hf/kB.

• Разработка квантовых СИНИС детекторов микроволнового излучения для некогерентных приемников

  Руководитель направления Тарасов Михаил Александрович гл. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: tarasov@hitech.cplire.ru тел.: +7(495)629-34-18

   

  За последние 30 лет было спроектировано, изготовлено и экспериментально исследовано большое семейство квантовых детекторов на основе структуры сверхпроводник- изолятор- нормальный метал- сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник (СИНИС) для работы терагерцовом и суб-ТГц диапазоне и температурах ванны до 50 мК. Ключевые характеристики детекторов на основе СИНИС структуры и их предельные параметры тесно связаны с правильным моделированием микроволнового поглощения, потерь мощности и баланса электронного и фононного охлаждения. На частоте 350 ГГц такие детекторы демонстрируют чувствительность по току 10⁴ А/Вт и эквивалентная шуму разницу температур (флуктуационная чувствительность) до 1.6 мкК/√Гц. Детекторы с подвешенным над подложкой поглотителем демонстрируют квантовую эффективность 15 электронов на один фотон.
  Современные технологии изготовления сверхпроводниковых детекторов, усилителей, кубитов, квантовых компьютеров остро нуждаются в исследовании и улучшении структурных и электрофизических параметров тонких пленок и туннельных переходов на основе алюминия. Актуальным является исследование структуры и электрофизических характеристик пленок и туннельных переходов в зависимости от методов и режимов изготовления и получения эпитаксиальных пленок. Для достижения поставленных целей будет проведен цикл исследований изготовления пленочных структур методами термического испарения, магнетронного напыления, эпитаксиального роста на нагретых монокристаллических подложках разной ориентации.
  Как основной результат работы, авторы представляют завершенную разработку высокоэффективных приемных матриц на основе СИНИС болометров суб-ТГЦ диапазона длин волн, характеристики которых, измеренные в лабораторных условиях, отвечают требованиям наземных обсерваторий. Первое тестирование разработанных образцов в условиях реальной фоновой нагрузки предполагается на отечественной обсерватории БТА (Большой Телескоп Азимутальный) САО РАН.
  

  Рис. 2.1. Схематический вид экспериментальной установки (слева). Фотографии, вверху — радиационный экран He3 с чернотелым источником, внизу — держатели образцов с сапфировыми линзами.

  Рис. 2.2. Единичные элементы разрабатываемых матриц диапазона 350 ГГц: полуволновая антенна (слева), электрически малая антенна (центр); СИНИС болометр, интегрированный в антенны (справа).

  Рис. 2.3. Зависимость от приведенного напряжения на приемнике электронной температуры нормальных элементов (шкала слева) и откликов по напряжению и току (шкалы слева) при температурах 0.095 и 0.316 К при облучении от нагретого до 7.05±0.1 K источника.

  Рис. 2.4. Отклик напряжения в зависимости от температуры черного тела для температуры образца 100 мК, 257 мК и 480 мК. Соответствующие температуры электронов составляют 230 мК, 280 мК и 480 мК. Для малой мощности чувствительность по напряжению приближается к 1.3×109 В/Вт.

• Сверхпроводниковый генератор ТГц диапазона на основе распределенного джозефсоновского перехода и его применение для приемных систем

  Руководитель направления Кинев Николай Вадимович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: nickolay@hitech.cplire.ru

   

  Был разработан и успешно применен генератор ТГц диапазона на основе распределенного туннельного СИС-перехода Nb/AlOx/Nb, Nb/AlN/NbN с характерной длиной от 200 до 1000 мкм, обеспечивающий выходной сигнал мощностью порядка 0.1-2 мкВт с возможностью перестройки частоты от 200 ГГц до 750 ГГц. Частота генератора управляется постоянным напряжением на переходе в соответствии с соотношением Джозефсона f = 2eV_DC/h и ограничена сверху фундаментальными свойствами сверхпроводящих электродов, а сигнал может быть легко стабилизован по фазе и частоте при помощи полупроводниковой системы фазовой автоподстройки частоты.
  Стабилизованный по фазе генератор был успешно использован в качестве источника гетеродина в составе сверхпроводникового интегрального приемника диапазона 400-700 ГГц с квантовым уровнем чувствительности, на центральной микросхеме которого размещены одновременно гетеродин и приемный СИС-смеситель, в то время как аналогичные приемники ТГц диапазона до сих пор используют внешний источник гетеродина. При помощи сверхпроводникового интегрального приемника было получено множество научных результатов, в том числе: измерены спектры поглощения атмосферных газов, спектры поглощения газов в лабораторных условиях, спектры излучения различных источников ТГц диапазона, таких как: лампы обратной волны, полупроводниковые умножители сигнала СВЧ, высокотемпературные сверхпроводники BiSrCaCuO и другие.
  Помимо этого, разработанный генератор был успешно применен в качестве источника ТГц сигнала в открытое пространство путем его интегрирования с передающей антенной на одной микросхеме. Экспериментально продемонстрировано наличие гармоник излучения. Широко перестраиваемый ТГц генератор может быть востребован в таких областях, как детектирование слабых сигналов, ТГц микроскопия при низких температурах, построение ТГц изображений, спектроскопия во временной и частотной области и др.
  

  Фотография экспериментальной установки по регистрации линий поглощения лабораторных газов при помощи сверхпроводникового ТГц генератора в открытое пространство и СИС приемника

  Пример зарегистрированных спектров поглощения аммиака при различном давлении

  Пример зарегистрированных спектров излучения лампы обратной волны на несущей частоте в окрестности 600 ГГц с шагом 80 кГц.

  Принципиальная схема генератора ТГц диапазона в открытое пространство на основе распределенного туннельного СИС-перехода

  Руководитель направления за работой оборудования

• Изготовление сверхпроводниковых интегральных схем на основе высококачественных субмикронных туннельных переходов с высокой плотностью тока

  Руководитель направления Филиппенко Людмила Викторовна ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: lyudmila@hitech.cplire.ru тел.: +7(495)629-34-18

   

  Решенные задачи:
  1. Изготовление одиночных СИС-структур Nb-AlOx-Nb с плотностью тока до 20 кА/см².
  2. Изготовление одиночных СИС-структур Nb-AlN-NbN с плотностью тока до 200 кА/см².
  3. Изготовление линий передачи NbTiN/SiO₂/Al с предельной частотой 1.2 ТГц.
  4. Изготовление многоэлементных схем (до 1000 штук) на основе туннельных джозефсоновских переходов с барьерами из AlOx и AlN.
  5. Изготовление многослойных (до 12 слоев) планарных структур, которые включают в себя туннельные переходы, экраны, линии передач, анодные емкости, резисторы, изоляционные слои.
  
  СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) туннельный переход является основным элементом большинства сверхпроводящих электронных схем, которые могут быть использованы для создания сверхчувствительных детекторов для задач радиоастрономии. В качестве сверхпроводников для СИС переходов используются ниобий (Nb, Tc=9K) и нитрид ниобия (NbN, Tc=13-16K). На их основе могут быть реализованы переходы типа Nb-AlOx-Nb с предельной частотой 700 ГГц и Nb-AlN-NbN с предельной частотой 1.4 ТГц. Эти трехслойные структуры осаждаются на подложку из кварца или высокоомного кремния при помощи магнетронных напылительных установок. В нашей лаборатории представлено две таких магнетронных установки: Kurt J. Lesker (6 трехдюймовых DC и RF магнетронов) и Leybol L560 (2 DC магнетрона и 1 RF магнетрон с диаметрами 5 дюймов) - рис. 1 и 2, соответственно.
  В лаборатории разработан надежный процесс изготовления высококачественных СИС-переходов микронного и субмикронного размера (до 0.5мкм² с помощью контактной фотолитографии и до 0.03 мкм² с помощью ЭЛЛ) с характерными плотностями токов до 20кА/см² для Nb-AlOx-Nb и до 200кА/см² для Nb-AlN-NbN при помощи метода плазмохимического и RF-травления. Плазмохимическое травление при помощи фторсодержащих газов (CF₄, NHF₃, SF₆) осуществляется в установках March Jupiter II (рис.3) или Semiteq STE ICP200EF (рис.4), RF-травление в атмосфере аргона может быть осуществлено в установках Kurt J. Lesker или Semiteq ICP200.
  Формирование заданного рисунка (паттерна) осуществляется при помощи фотолитографического процесса, в котором задействованы установки контактной фотолитографии Karl Suss MA-150 (рис.5) или ЭМ5026-М1 (рис.6). Технологические процессы, необходимые для изготовления высококачественных туннельных переходов осуществляются в чистых комнатах (класс чистоты ISO6), а критически важные шаги в ламинарных шкафах (рис.7) (класс чистоты ISO5).
  

  Рис. 1. Кластерная установка с загрузочным шлюзом, с камерой для магнетронного напыления и с камерой для окисления и нитридизации Kurt J. Lesker.

  Рис. 2. Установка магнетронного напыления Leybold L560.

  Рис. 3. На рисунке по центру и слева - оптический микроскоп с видеокамерой и ПК, справа-установка плазмохимического травления March Jupiter II.

  Рис.4. Установка плазмохимического травления в комбинированной плазме емкостного и индуктивного разряда STE ICP200EF.

  Рис. 5. Установка фотолитографии Karl Suss MA-150.

  Рис.6. Установка оптической фотолитографии ЭМ5026-М1.

  Рис. 7. Ламинарный шкаф Lamsystems. Класс чистоты ISO5.

• Разработка технологии для изготовления наноструктур и исследования их топологии с использованием электронного микроскопа с системой электронной литографии Raith e_LiNE

  Руководитель направления Фоминский Михаил Юрьевич ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: nanolith@yandex.ru тел.: +7(495)629-34-18

   

  Целями работы по данному направлению является как исследование топологии и электронных свойств микро- и нанообъектов, так и создание структур в режиме прямой литографии и в режиме создания фотошаблонов.
  Система электронной литографии e_LiNE, которая используется в лаборатории, объединяет в себе сканирующий электронный микроскоп и систему электронной литографии (лазерная интерферометрическая платформа и цифро-аналоговый преобразователь для управления отклонением электронного луча) (Рис. 1). Размер электронного пучка составляет 2 нм для ускоряющего напряжения 20 кВ. Минимальный размер структуры для резиста с ультравысоким разрешением HSQ составляет 20 нм.

  Рис. 1. Электронный микроскоп с системой электронной литографии Raith e_LiNE.

  Смесители на основе туннельных переходов сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник (СИС) являются наилучшими входными устройствами на частотах от 0.1 до 1.2 THz, их шумовая температура ограничена только квантовым пределом. Для реализации предельных параметров СИС - смесителей требуется создание и оптимизация воспроизводимой и надежной технологии изготовления наноструктур с толщиной туннельного барьера порядка 1 nm с экстремально высокой плотностью тока и малыми токами утечки. Для согласования с волноводными элементами смесителя площадь перехода с высокой плотностью тока должна составлять доли квадратного микрометра. Электронная литография является одним из наиболее перспективных методов для производства наноструктур в научно - исследовательских целях, поскольку позволяет оперативно изменять дизайн отдельных элементов и микросхемы в целом и добиться высокой воспроизводимости результатов в субмикронной области размеров туннельных переходов.
  Для создания воспроизводимой и надежной технологии изготовления туннельных структур высокого качества, обладающих хорошей воспроизводимостью, с малым разбросом параметров по подложке, разработаны и отлажены технология изготовления туннельных структур субмикронных размеров с помощью методов прямой электронно-лучевой литографии и последующим плазмохимическим травлением (Рис. 2).

  Рис. 2. Массив структур Nb - AlN - NbN после плазмохимического травления по маске резиста, изготовленный и исследованный с использованием электронного микроскопа с системой электронной литографии.

  Фотошаблоны используются в технологической цепочке производства интегральных микросхем и являются одним из основных элементов для фотолитографии. Для изготовления комплекта фотошаблонов используется электронная литография по поверхности фотошаблонных заготовок с покрытием негативным или позитивным электронным резистом (Рис. 3,4).

  Рис. 3. Фотошаблонная заготовка в держателе для загрузки в электронный микроскоп с системой электронной литографии.

  Рис. 4. Фотошаблон, изготовленный с использованием электронного микроскопа с системой электронной литографии.

• Исследование волноводного СИС-смесителя диапазона 250 ГГц, оптимизация конструкции и измерение основных характеристик

  Разработан, изготовлен и протестирован волноводный смеситель диапазона 211-275 ГГц на основе туннельных структур сверхпроводник – изолятор - сверхпроводник (СИС). Оптимизирована технология изготовления туннельных структур для получения СИС-смесителей диапазона 211-275 ГГц на кварцевых подложках. В нижний электрод был введен дополнительный слой алюминия толщиной 5 нм на расстоянии 50 нм от туннельного барьера. Этот слой не только улучшил морфологию пленки ниобия вблизи барьера, но и существенно изменил функцию распределения электронов в электроде вблизи барьера, что привело к полному подавлению коленообразной особенности. В результате реализованы СИС-смесители диапазона 211-275 ГГц с шумовой температурой менее 20 К, что является наилучшим результатом в данном диапазоне, опубликованным к данному времени. Полученные значения двухполосной шумовой температуры лишь немного превышают величину hf/k_B; это делает разработанный приемник основным кандидатом для новых наземных и космических радиоастрономических проектов

  Зависимость двухполосной шумовой температуры СИС-приемника на основе структур Nb/Al/Nb-AlOx-Nb от частоты гетеродина, измеренная в полосе ПЧ 4-8 ГГц. Экспериментальные данные показаны без каких либо коррекций на потери во входных оптических элементах. Погрешность измерений, показанная вертикальными отрезками, составляет приблизительно 2 К. Пунктирной и сплошной линиями показаны значения шумов, соответствующих квантовым величинам 2 hf/kB и hf/kB, соответственно.

  Публикации:
  

  • K.I. Rudakov, A.V. Khudchenko, L.V. Filippenko, M.E. Paramonov, R. Hesper, D.A. Lima, A.M. Baryshev, and V.P. Koshelets, «THz Range Low-Noise SIS Receivers for Space and Ground-Based Radio Astronomy», Applied Sciences, 2021, 11, 10087

• Лабораторная ТГц спектроскопия с использованием сверхпроводникового интегрального приемника и джозефсоновского генератора, излучающего в открытое пространство

  Проведена оценка мощности излучения в открытое пространство генератора ТГц диапазона на основе распределенного туннельного СИС-перехода, которое составило от долей до единиц микроватта в диапазоне от 250 до 750 ГГц, с максимумом около 3.3 мкВт на частоте 340 ГГц для исследуемой топологии интегральной микросхемы. Продемонстрирована успешная работа генератора в эксперименте по лабораторной спектроскопии газовых смесей. В качестве спектрометра использован сверхпроводниковый СИС приемник, имеющий в качестве гетеродина аналогичный генератор, интегрированный с детектором на одной микросхеме, а в качестве активного генератора применен разработанный ТГц источник в открытое пространство. Продемонстрирована возможность регистрации спектров поглощения газов в ячейке со спектральным разрешением лучше 100 кГц. Проведенный эксперимент является наглядной демонстрацией эффективного применения разработанного генератора в качестве активного источника для задач ТГц спектроскопии, а также ближнепольной ТГц микроскопии и построения изображений.

  Публикации:
  

  • N.V. Kinev, K.I. Rudakov, L.V. Filippenko, A.M. Baryshev and V.P. Koshelets. Terahertz Spectroscopy of Gas Absorption Using the Superconducting Flux-Flow Oscillator as an Active Source and the Superconducting Integrated Receiver. // Sensors, Vol. 20, No 24, 7276. 2020

• Исследование ТГц излучения из генераторов на основе меза-структур с помощью сверхпроводникового интегрального приемника

  Проведено исследование ТГц излучения из генераторов на основе меза-структур, которые представляют собой большую стопку (порядка 1000) последовательно соединённых джозефсоновских переходов, образованными слоями в кристалле Bi2Sr2CaCu2O8. В рамках проекта РФФИ исследованы спектральные характеристики новых типов меза-генераторов на основе массивов джозефсоновских переходов (МДП) с различными конфигурациями электродов. Измерения проводились в диапазоне 450 – 720 ГГц со спектральным разрешением лучше 0,2 МГц. Эксперименты проведены в диапазоне температур генераторов от 10 до 40 К. Ширина линии выходного сигнала отдельно работающих генераторов составляла от 30 до 40 МГц при характерных токах смещения 25-40 мА. При исследовании излучения из двух соседних меза-структуры, изготовленных на одной подложке, был обнаружен эффект взаимной синхронизации генераторов и уменьшение интегральной ширины линии. Совместно с коллегами из Университета Тюбингена исследованы ТГц эмиссионные свойства таких структур, связанные с резонансными модами.

  Преобразованные с понижением частоты спектры, излучаемые МДП «A» и «B» на частоте около 644 ГГц при небольшом изменении тока смещения для пакета «B», IА = 24,571 мА; спектры измерены с помощью СИП с синхронизированным гетеродином на частоте 650 ГГц: IB = 32,313 мА (штриховые), 32,363 мА (сплошные) и 32,438 мА (штрих-пунктирные).

  Спектры, излучаемые пакетами «A» и «B» (линейная шкала по мощности) на частоте около 644 ГГц для небольшого изменения тока смещения для пакета «B», IА = 24,571 мА; спектры измерены с помощью СИП: IB = 32,313 мА (штрих-двойной пунктир), 32,363 мА (сплошной), 32,400 мА (пунктирный), 32,400 мА (штрих-пунктир) и 32,438 мА (штрих-пунктир).

  Публикации:
  

  • Huili Zhang, Raphael Wieland, Wei Chen, Olcay Kizilaslan, Shigeyuki Ishida, Chao Han, Wanghao Tian, Zuyu Xu, Zaidong Qi, Tong Qing, Yangyang Lv, Xianjing Zhou, Nickolay Kinev, Andrey B. Ermakov, Eric Dorsch, Marc Ziegele, Dieter Koelle, Hiroshi Eisaki, Yoshiyuki Yoshida, Valery P. Koshelets, Reinhold Kleiner, Huabing Wang, and Peiheng Wu, “Resonant cavity modes in Bi2Sr2CaCu2O8+x intrinsic Josephson junction stacks”, Phys. Rev. Applied, 11, 044004 (2019)

• Матрицы планарных антенн с интегрированными СИНИС болометрами для радиоастрономических исследований

  Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы матрицы кольцевых полуволновых и электрически малых планарных антенн с интегрированными в них СИНИС-болометрами. Исследована эффективность приемной структуры в зависимости от направления облучения: через подложку и со стороны антенны, а также в зависимости от толщины подложки. В эксперименте использована дополнительная нормировка на опорный сигнал, измеряемый внутри криостата. Лучшие результаты были получены при освещении матрицы со стороны антенны при толщине подложки, эквивалентной четверти длины волны в диэлектрике и с запылением обратной стороны пленкой золота (контррефлектор). Полоса эффективного согласования составила более 250 ГГц. Экспериментально измеренные характеристики: МЭШ =10^-17 Вт/√Гц, вольт-ваттная чувствительность 2×10⁹ В/Вт, эквивалентная шуму разница температур (флуктуационная чувствительность) при уровне фона 2.7 К - 100 мкK/√Гц, показывают, что такие устройства можно использовать для измерения анизотропии фонового излучения. По измеренным вольтамперным характеристикам проведен детальный анализ тепловых потоков в структурах СИНИС при температурах от 0.087 до 0.3 К. Обнаружено, что электрон-фононное взаимодействие при этих температурах пропорционально не пятой, а шестой степени температуры, что приводит к повышению точности определения электронной температуры и предельных характеристик СИНИС детекторов.

  Отклик по напряжению при Тbase=0.1 К на внешнее электромагнитное излучение 81 последовательно соединенных СИНИС-болометров, интегрированных в электрически малые кольцевые антенны, измеренный при разных температурах черного тела.

  Публикации:
  

  • Tarasov, M.; Gunbina, A.; Chekushkin, A.; Yusupov, R.; Edelman, V., Microwave SINIS Detectors. // Appl. Sci., Vol. 12, 10525, 2022

• Изготовление сверхпроводниковых туннельных структур с использованием электронно-лучевой литографии

  Разработана и оптимизирована технология изготовления субмикронных переходов Nb - AlN - NbN с использованием электронно-лучевой литографии. Проведены исследования по подбору дозы экспонирования, времени проявления и параметров плазмохимического травления для получения максимального значения параметра качества туннельных переходов R_j / R_n. Использование негативного резиста ma-N 2400 с меньшей чувствительностью и лучшим контрастом в сравнении с резистом UVN 2300-0.5 позволило улучшить воспроизводимость процесса изготовления структур. Это позволило изготовить туннельные переходы Nb - AlN - NbN с высокой плотностью тока и параметром качества R_j / R_n >15 субмикронных размеров (площадь от 2.0 до 0.2 µm²). Экспериментально измерен разброс параметров туннельных структур субмикронных размеров по подложке, и воспроизводимость процесса изготовления структур от цикла к циклу.

  ВАХ переходов Nb - AlN - NbN одинакового размера, изготовленных с помощью ЭЛЛ и плазмохимического травления в атмосфере SF6, расположенных как на разных подложках, так и на разных частях одной подложки: SIS #12j01 (площадь 0.732 µm2 с плотностью тока 25 kA / cm2, Rn = 15.22 Ohm, Rj / Rn = 38.1, Vg = 3.51 mV); SIS#12j12 (площадь 0.735 µm2 с плотностью тока 23.2 kA / cm2, Rn = 15.16 Ohm, Rj / Rn = 13.2, Vg = 3.49 mV); SIS #13j08 (площадь 0.743 µm2 с плотностью тока 24.5 kA / cm2, Rn = 15.44 Ohm, Rj / Rn = 23.4, Vg = 3.52 mV).

  Публикации:
  

  • Fominsky, M.Y.; Filippenko, L.V.; Chekushkin, A.M.; Dmitriev, P.N.; Koshelets, V.P. Fabrication of Superconducting Nb–AlN–NbN Tunnel Junctions Using Electron-Beam Lithography, Electronic, 10, 2944, 2021`

• Болометр на основе структуры СИНИС с подвешенным поглотителем

  Разработаны и исследованы болометры на основе СИНИС структуры с подвешенным поглотителем с ампер-ватной чувствительностью более 10⁴ А/Вт на частоте излучения 350 ГГц. Флуктуационная чувствительность составила 1.6 мК/√Гц и ограничивается системой считывания. Показано, что в разработанной конструкции болометра с подвешенным над подложкой поглотителем (абсорбером) стало возможным реализовать болометрический режим работы СИНИС болометра, позволяющий получить отклик до hf/kT электронов на один квант излучения, что существенно выше, чем для режима счетчика фотонов, который реализовывался в исследуемых ранее конструкциях. Были разработаны несколько вариантов технологии: базовый - с один жидкостным травлением, усовершенствованный - с дополнительным травлением нормального металла, а также метод с использованием напыления под углами. С помощью указанных технологий были изготовлены и исследованы СИНИС болометры, где в качестве нормального металла использовались гафний, медь или палладий. Проведенные измерения СИНИС болометров с подвешенным абсорбером из меди, гафния, палладия подтвердили модель квантового поглощения на частоте 350 ГГц и продемонстрировали высокую квантовую эффективность, достигающую 15 электронов на квант излучения, т.е. в таких СИНИС болометрах реализуется болометрический режим с высокой квантовой эффективностью.

  Схематичное изображение болометра на основе СИНИС структуры и изображение изготовленной структуры в электронном микроскопе

  Публикации:
  

  • M. Tarasov, A. Gunbina, R. Yusupov, A. Chekushkin, D. Nagirnaya, S. Lemzyakov, V. Vdovin, V Edelman, A. Kalaboukhov, D. Winkler, Non-Thermal Absorption and Quantum Efficiency of SINIS Bolometer, // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 32, No. 5, 2300105, 2021

• Исследование гармоник джозефсоновской генерации в распределенном туннельном контакте

  Проведено экспериментальное наблюдение и исследование гармоник джозефсоновской генерации в распределенном туннельном СИС переходе. Разработан источник на основе джозефсоновского перехода длиной 400 мкм на основе Nb/AlOx/Nb, интегрированного на одной микросхеме с передающей щелевой антенной, излучающий сигнал на частотах от 200 до 700 ГГц в открытое пространство. Для регистрации гармоник излучения использованы два принципиально различных независимых метода: широкополосное исследование с низким спектральным разрешением (порядка 1 ГГц) при помощи спектрометра на основе интерферометра Майкельсона, и исследование с высоким спектральным разрешением (лучше 0.1 МГц) при помощи гетеродинного приемника диапазона 450-700 ГГц. Показано наличие генерации 2-й и, в некоторых случаях, 3-й гармоники основного сигнала. Соотношение ширины спектральной линии второй гармоники по отношению к первой составило около 4, что хорошо соответствует теоретическому значению N² (N – номер гармоники) для широкополосных флуктуаций.

  Публикации:
  

  • N.V. Kinev, K.I. Rudakov, L.V. Filippenko, V.P. Koshelets. Direct Experimental Observation of Harmonics of Josephson Generation in the Flux-Flow Oscillator // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 32, No. 4, 1500206. 2022

• Определение параметров барьера туннельных переходов с высокой плотностью тока

  Для определения параметров барьера туннельных переходов с высокой плотностью тока была адаптирована существующая многофункциональная система лабораторной автоматизации ИРТЕСОН, которая использовалась для быстрого измерения ВАХ в широком диапазоне напряжений с последующей обработкой (сглаживание и дифференцирование). Для расчета параметров барьера была создана отдельная процедура, которая в автоматическом режиме производит параболическую аппроксимацию проводимости и решает систему нелинейных уравнений для определения параметров барьера. Проведена оценка основных параметров туннельного барьера джозефсоновских переходов Nb/AlOx/Nb и Nb/AlN/Nb в широком диапазоне значений плотностей тока с использованием метода Симмонса. Экспериментально определены зависимости высоты и ширины туннельного барьера от удельного сопротивления для каждого типа переходов. Снижение высоты туннельного барьера перехода с прослойкой из AlN на 0.3 eV, по сравнению с оксидным, позволяет получать переходы с плотностью тока выше 20 kA/cm² при технологически достижимой толщине изоляционного слоя порядка 1 нм. Это, в свою очередь, дает возможность изготавливать туннельные переходы с малой утечкой и реализовывать параметр качества R_j/R_n более 25.

  Зависимость параметров туннельного барьера от удельного сопротивления RnA: а – высота барьера φ; (b) толщина барьера d. Данные для переходов Nb/AlOx/Nb показаны квадратами, для переходов Nb/AlN/Nb – звездочками; пунктирная и пунктирная линии представляют собой линейные аппроксимации соответствующих данных.

  Публикации:
  

  • Paramonov, M.E., Filippenko, L.V., Dmitriev, P.N., Fominsky, M.Y., Ermakov, A.B., & Koshelets, V.P. (2020). Parameters of the Tunnel Barrier of Superconducting Niobium-Based Structures //Physics of the Solid State. – 2020. – Т. 62. – №. 9. – С. 1534-1538

• Сверхпроводниковые наноструктуры для приемников ТГц диапазона

  При переходе в область частот выше 0.7 ТГц требуется использование материалов с большой величиной энергетической щели, таких как NbN и NbTiN. Известно, что значения лондоновской глубины проникновения для этих материалов заметно больше, чем для ниобия (85 нм). Показано, что использование пленок NbTiN приводит к существенному сдвигу рабочей частоты схемы. Также было выполнено моделирование структуры с базовым электродом из NbTiN и разводкой из алюминия. Для точного расчета мощности генератора, которая достигнет СИС-смесителя на частотах до 1 ТГц, была использована модифицированная теория Маттиса-Бардина, учитывающая наличие внутрищелевых состояний для квазичастиц, поскольку ниобий и его соединения NbN и NbTiN являются сверхпроводниками с сильной связью.
  Для расширения частотного диапазона и реализации предельных параметров сверхпроводниковых элементов была оптимизирована технология изготовления СИС-смесителей на основе туннельных структур Nb/Al-AlN/NbN с предельно высокой плотностью тока субмикронного размера, интегрированных в микрополосковую линию NbTiN/Al. Изготовлены приемные элементы с плотностью туннельного тока 20 - 50 кА/см²; площадью перехода 0.5 – 1 мкм², щелевым напряжением более 3.2 мВ, с параметром качества R_j/R_n > 15. Скорректированная шумовая температура приемника на частоте 725 ГГц составила 120 К, что лишь в 3 раза превышает квантовый предел hf/k_B; Эти структуры предназначены для терагерцовых приемников диапазона 720 -950 ГГц, которые разрабатываются в Китае для радио обсерватории Dome A (Антарктика), для приемника Champ II + на телескопе Atacama Pathfinder Experiment (APEX), Чили и бразильского телескопа LLAMA, расположенного в аргентинских Андах.

  Зависимость шумовой температуры пикселей матричного приемника от частоты гетеродина, измеренная в диапазоне ПЧ 4 -12 ГГц. Для сравнения приведены данные для центрального пикселя предшествующего приемника.

  Публикации:
  

  • Lap B.N.R., Khudchenko A., Hesper R., Rudakov K.I., Dmitriev P., Khan F., Koshelets V.P., Baryshev A.M. Characterization of superconducting NbTiN films using a dispersive Fourier transform spectrometer. // Applied Physics Letters. – 2021. – Vol. 119, No. 15. – P. 152601

• Разработка джозефсоновского параметрического усилителя бегущей волны

  Разработаны, изготовлены и исследованы элементы джозефсоновского параметрического усилителя бегущей волны (ДПУБВ) на основе ниобиевых переходов (Nb-AlOx-Nb). Разработан, изготовлен и исследован прототип ДПУБВ для режима трехволнового усиления на основе ВЧ СКВИДов на основе ниобиевых переходов. Измерены ток-потоковые характеристики элементов такого ДПУБВ. Предложен новый дизайн ДПУБВ на основе би- СКВИДов для увеличения свободного от паразитных составляющих динамического диапазона (SFDR) (Патент №2792 981 C1 от 28.03.2023). Для этого в используемой искусственной линии передачи сигналов, возбуждаемой внешним магнитным потоком бегущей волны, предложено заменить СКВИДы постоянного тока на би-СКВИДы. Увеличение SFDR следует из увеличения линейной области ток-фазовой зависимости в би-СКВИДе по сравнению со СКВИДом постоянного тока. Определены оптимальные параметры би-СКВИДов. Создана криогенная установка для измерения спектральных характеристик такого усилителя, содержащая холодный полупроводниковый усилитель c циркулятором и охлаждаемые аттенюаторы каналов входного сигнала и накачки Разработаны, изготовлены и исследованы сверхпроводниковые копланарные резонаторные структуры для определения индуктивных параметров на СВЧ элементов ДПУБВ. Измерены элементы ДПУБВ, изготовленных на основе переходов Al-AlOx-Al, проведена оценка перспективности таких структур для реализации ДПУБВ диапазона 4 – 8 ГГц.

  Вид участка линии прототипа ДПУБВ для режима трехволнового усиления на основе ВЧ СКВИДов

  Публикации:
  

  • R. A. Yusupov; L. V. Filippenko; D. E. Bazulin; N. V. Kolotinskiy; M. Tarasov; E. Goldobin; V. P Koshelets; V. K. Kornevet, Flux-pumped Josephson Travelling-Wave Parametric Amplifiers Based on Bi-SQUID Cells // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 32, No. 4, 1700105, 2022

Список работ лаборатории за 1996-2023 годы

Выполняемые проекты :
1. Проект РФФИ ННИО_а № 17-52-12051 "Джозефсоновские переходы Bi2Sr2CaCu2O8 в качестве когерентных ТГц генераторов" (2017-2019), руководитель.
2. Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 32 «Наноструктуры: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ», Проект «Сверхпроводниковые наноструктуры для генерации и приема терагерцового излучения», (2019-2020).
3. Грант РНФ № 19-19-00618 «Сверхпроводниковые интегральные устройства для приема и генерации в терагерцовом диапазоне», (2019-2021).
4. Проект РФФИ-БРИКС_т № 19-52-80023 «Сверхпроводниковые терагерцовые приемники для космической и наземной радиоастрономии», (2020-2022).
5. Грант РНФ № 20-42-04415 «Новые стратегии взаимной синхронизации больших массивов джозефсоновских контактов», (2020-2022).
6. Грант РНФ № 21-42-04421 « Управляемые джозефсоновские метаматериалы для квантовых устройств, (2021-2023).
7. Соглашение о субсидии Минобрнауки РФ № 075-15-2021-667 "Модернизация и дооснащение технологического и измерительного комплекса для создания сверхпроводниковых наносистем на основе новых материалов "Криоинтеграл" (2021-2023).
8. Соглашение о субсидии Минобрнауки РФ № 075-15-2021-990 "Разработка новой технологии изготовления и создание сверхпроводниковых наногетероструктур с прослойками из оксидов, нитридов и топологических изоляторов" (2021г.).
9. Грант РНФ № 23-79-00019 «Сверхпроводниковые интегральные структуры и приемные устройства диапазона 0.7-1.2 ТГц», (2023-2026).
10. Грант РНФ № 23-79-00022  Структурные и электрофизические характеристики сверхпроводящих пленок алюминия и туннельных переходов на их основе, (2023-2026).


Уникальные научные установки
УНУ «Криоинтеграл» № 352529 представляет собой комплекс приборов и оборудования полного цикла, позволяющий разрабатывать, изготавливать и проводить измерения интегральных наноструктур с рабочими линейными размерами порядка 50 нанометров. УНУ «Криоинтеграл» используется в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники для исследования, разработки и создания новых поколений систем, приборов, устройств и их компонентов на базе технологий нано- и микросистемной техники, в частности: разработка новых интегральных наноструктур для работы в терагерцовом диапазоне; разработка, изготовление и исследование микросхемы интегрального приемника; разработаны технологии создания эпитаксиальных тонких оксидных пленок и гетероструктур. Коллектив УНУ ведет исследования в области сверхпроводниковой электроники в тесном сотрудничестве со многими зарубежными научными центрами. Следует отметить, что коллектив УНУ обладаем полным набором компетенций и технологий для изготовления уникальных сверхпроводниковых наноструктур. С помощью УНУ разработана технология изготовления сверхпроводниковых туннельных переходов Nb-AlOx-Nb и Nb-AlN-NbN с рекордными параметрами (плотности тока до 100 кА/см2); разработаны методы электронно-лучевой литографии для воспроизводимого изготовления туннельных переходов субмикронных размеров. Это позволило повысить рабочую частоту СИС-приемников, расширить их полосу и создать ряд сверхчувствительных приемных устройств диапазона 100–1000 ГГц, а также разработать технологию сверхпроводниковых интегральных схем, использованных для проведения целого ряда физических экспериментов. Разработан сверхпроводниковый интегральный приемник ТГц диапазона с уникальным набором параметров. Основным элементом приемника является интегральная микросхема, изготовленная с помощью УНУ.
Фактический адрес: 125009, г. Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7
Руководитель УНУ: д.ф.-м.н., проф. Кошелец В.П. (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН)
Телефон: +7 (495) 629 3418 Факс: +7 (495) 629 3678; e-mail: valery@hitech.cplire.ru
Web сайт УНУ: https://nanolith.ru/unu.html
Портал на сайте ckp-rf: http://www.ckp-rf.ru/usu/352529/


Международное сотрудничество
Лаборатория имеет успешный опыт взаимодействия с коллегами из Китая, совместные работы проводились в рамках международного проекта РФФИ_БРИКС «Сверхпроводниковые терагерцовые приемники для космической и наземной радиоастрономии» (Superconducting Terahertz Receivers for Space and Ground-based Radio Astronomy); этот проект успешно завершился в начале 2023 года Ниже приведена краткая информация о партнерах из Китая и о совместных исследованиях.
Исследовательский институт сверхпроводниковой электроники (The Research Institute of Superconductor Electronics, RISE) Нанкинского университета имеет многолетний опыт исследования сверхпроводниковых джозефсоновских устройств и является одной из старейших исследовательских лабораторий в области сверхпроводниковой электроники. Институт выполнял много национальных проектов, таких как “National Natural Science Fund 973 и 863” и опубликовал большое количество высококачественных публикаций. Ученые Нанкинского университета являются одной из наиболее активно работающих групп в области исследованию возможностей использования многослойных ВТСП-структур в качестве ТГц генераторов, проводимых в данном направлении во всём мире. Отметим, что целый ряд исследований ТГц генераторов был выполнен китайскими коллегами в содружестве с учеными ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Наиболее значимым научным заделом являются первые в мире измерения спектральных характеристик образца BSCCO-генератора с высокой точностью при помощи сверхпроводникового интегрального приемника. Измерения проводились в Москве совместно с зарубежными коллегами из Нанкинского университета. Впервые продемонстрировано, что эффективная генерация в таких меза-структурах реализуется в области высоких токов смещения, появляющимся вследствие самонагрева образца. Продемонстрирована лоренцева форма линии генерации; это дает задел для построения теоретических и расчётных моделей формы и ширины линии генерации сверхпроводниковых высокотемпературных генераторов.
Лаборатория миллиметровых и субмиллиметровых волн Обсерватории Розовой Горы (Purple Mountain Observatory, РМО) Китайской академии наук специализируется на технологии сверхпроводниковых приемников и их применении на терагерцовых частотах (миллиметровых и субмиллиметровых волнах), и достигла больших успехов: В этой лаборатории создана первая китайская сверхпроводниковая приемная система диапазона 100 ГГц, которая выиграла главную премию Jiangsu Science and Technology Award; разработан матричный приемник этого диапазона, получивший вторую премию National Science and Technology Award. Лаборатория миллиметровых и субмиллиметровых волн успешно применяет эти системы в астрономических наблюдениях; в этой лаборатории базируются разработки первой в Китае сверхпроводниковой СИС приемной системы на 500 ГГц, впервые в Китае проведены наблюдения межзвездных молекулярных линий в миллиметровом диапазоне в кооперации с японской NiCT. Впервые в мире начато применение технологии NbN СИС смесителей для астрономических наблюдений; лаборатория участвует в ряде больших астрономических проектах, таких, как ALMA и SMA. Ведется обновление аппаратуры для 13.7 м телескопа миллиметровых волн в Delinha, провинция Qinhai и портативного субмиллиметрового телескопа (POST), который является единственным субмиллиметровым телескопом в Китае. Для создания СИС смесителей на частотах порядка 1 ТГц в лаборатории проведена серия исследований в кооперации с российской группой из ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Разработаны чипы СИС смесителя на основе Nb/AlN/NbN СИС переходов, интегрированных в NbTiN/Al микрополосковую линию волноводного смесителя диапазоне 780 – 950 ГГц.