Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2D полупроводниковых гетероструктурах при поглощении излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов

• Автор: Смирнов, Константин Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 340 с. : ил.

Содержание
Список сокращений и условных обозначений
Введение
Глава 1. Эффект электронного разогрева в тонких пленках сверхпроводников и полупроводниковых гетероструктурах и его использование при создании сверхпроводниковых и
полупроводниковых приемников излучения. Обзор
1.1. Разогрев электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых N614 наноструктурах излучением ближнего инфракрасного диапазона и механизм детектирования 1ЧЬК сверхпроводниковыми полосками одиночных ИК фотонов. Основные типы и направления использования
детекторов одиночных фотонов ИК излучения
1.1.1. Основные типы однофотонных детекторов ближнего инфракрасного диапазона волн
1.1.2. Области использования однофотонных детекторов ИК диапазона
1.1.3. Механизм детектирования одиночных фотонов
сверхпроводниковыми полосками, по которым протекает транспортный ток
1.2. Эффект электронного разогрева и энергетическая релаксация 2И электронов в одиночных гетеропереходах АЮаАз/СаАз
1.2.1. Основные механизмы энергетической релаксации электронов и основные положения теории электрон-фононного взаимодействия в гетероструктурах АЮаАз/ОаАБ
1.2.2. Гетеродинное преобразование частоты излучения
терагерцового диапазона полупроводниковыми гетеропереходами АЮаАз/ОаАз
1.2.3. Обзор экспериментальных исследований электрон-
фононного взаимодействия в гетероструктурах АЮаАз/СаАз

1.3. Гетеродинное преобразование частоты терагерцового излучения тонкими пленками низкотемпературных сверхпроводников
1.3.1. Гетеродинное преобразование частоты терагерцового излучения переходами сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник
1.3.2. Гетеродинные преобразователи частоты терагерцового излучения на основе эффекта электронного разогрева в тонких N614 пленках
1.4. Выбор объекта исследования и постановка задачи
Глава 2. Планарная тонкопленочная технология
сверхпроводниковых N1^ наноструктур
2.1. Разработка метода осаждения тонких пленок
2.2. Методы структурирования сверхпроводниковых 1ЧЬК пленок на основе электронной и фото литографий, химического, плазмохимического и реактивного
травления
2.2.1 Методы создания однородных 14ЪИ сверхпроводниковых полосок для эффективного согласования с излучением ближнего инфракрасного диапазона
2.2.2 Методы создания сверхпроводниковых N614 наноструктур для гетеродинных преобразователей частоты терагерцового диапазона..
2.3 Исследование ультратонких сверхпроводниковых пленок ИЬИ методами электронной просвечивающей микроскопии
2.4 Исследование ультратонких сверхпроводниковых пленок МЬИ методом рентгенодифракционного анализа
2.5 Выводы
Глава 3. Методики, схемы, оборудование экспериментальных исследований полупроводниковых и сверхпроводниковых структур
3.1 Исследование АЮаАз/СаАэ гетероструктур

3.1.1 Метод миллиметровой релаксометрии для исследований времен энергетической релаксации в гетероструктурах АЮаАэ/ОаАз
3.1.2 Осцилляции Шубникова-де Гааза в двумерном электронном газе АЮаАБ/ОаАэ гетероструктур
3.2 Взаимодействие излучения терагерцового диапазона с ТЧЬК сверхпроводниковыми наноструктурами
3.2.1 Исследование эффективности преобразования частоты
терагерцового излучения ЫбИ наноструктурами
3.2.2 Измерение времени энергетической релаксации
неравновесных электронов в наноструктурах при разогреве носителей заряда излучением терагерцового диапазона
3.2.3 Согласование терагерцового излучения с ИЫМ сверхпроводниковыми наноструктурами
3.2.4 Измерение мощности терагерцового излучения,
поглощенного №>]Г наноструктурами при гетеродинном преобразовании частоты
3.3 Взаимодействия одиночных фотонов РЛС излучения с узкими полосками из сверхпроводниковых пленок N6
3.3.1 Исследование квантовой эффективности и шумовых
характеристик взаимодействия одиночных фотонов ИК излучения
с узкими полосками из сверхпроводниковых пленок ИЬИ
3.3.2 Исследование временной нестабильности (джиттера) импульса напряжения на сверхпроводниковой полоске при поглощении одиночных ИК фотонов
Глава 4. Энергетическая релаксация 2Б электронов в полупроводниковых гетероструктурах АЮаАв/СаАэ при их
разогреве излучением терагерцового диапазона частот
4.1 Исследуемые структуры на основе одиночных АЮаАэ/ОаАз

вероятность срабатывания детектора в отсутствие излучения (Д от dark count), максимальная скорость счета, временное разрешение (jitter), частотный диапазон эффективного приема одиночных фотонов. Так в работах [А10, All] было показано, что квантовая эффективность SSPD, измеренная на уровне в 30 %, определяется только поглощением использованной сверхпроводниковой структуры, а, следовательно, может быть повышена в детекторном блоке введением дополнительных технических устройств - резонаторов, зеркал и пр., т.е. использованием стандартных оптических схем с многократным прохождением излучения через сверхпроводниковый детектор. В работе [А 10] было показано, что возможно достижение уровня темнового счета детектора на уровне 10'4 фотонов в секунду, что соответствует NEP=10'21 Вт Гц1/2. При этом, указанный и достигнутый уровень темнового счета ограничен, фактически, только временем проведения эксперимента. В указанной работе время измерения составляло около десяти часов, за которые было зарегистрировано лишь несколько единиц темновых отсчетов. В работах [А6, А7] при исследовании излучения из транзисторов было показано, что скорость счета однофотонных детекторов достигает нескольких гигагерц (ГГц). Измерения временной стабильности возникающего импульса напряжения при детектировании одиночного фотона в различных работах составило 18-50 пс [А1, А6, А7, All, А18, А19, 46, 59-61]. Конечно, указанные характеристики сверхпроводниковых однофотонных детекторов являлись лучшими из измеренных, иногда не воспроизводимые совместно на одном и том же образце, но они определили перспективы и активизировали дальнейшее развитие технологий сверхпроводниковых однофотонных детекторов. Уже к 2008-2009 годам характеристики сверхпроводниковых однофотонных детекторов (к тому моменту уже доступных коммерчески) существенно превосходили характеристики полупроводниковых лавинных диодов и фотоэлектронных умножителей [67]. Достигнутые к настоящему времени характеристики коммерчески доступных SSPD приемников указаны в Таблице
1.1, воспроизведенной на основе [59]. Характеристики детекторов