Эксπир
Регистрация / Вход

Исследование и разработка полупроводниковых и сверхпроводниковых многослойных наноструктур для источников и детекторов терагерцового диапазона

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3344
Организация
ФИАН
Руководитель работ
Мурзин Владимир Николаевич
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Внебюджетные средства
1,5 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
01.08.2007 - 15.11.2007
Цель работы на первом этапе - теоретический анализ условий реализации квантового режима генерации микроволнового излучения в полупроводниковых резонансно-туннельных диодных гетероструктурах (РТД), определение оптимальных параметров структур, исследование кристаллической структуры и элементного состава тонких сверхпроводниковых пленок NbN для создания приемников терагерцового излучения.
Проведен анализ научно-технической документации, выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач. Выполнены патентные исследования. Показано, что научные исследования и технические разработки в мире в данном направлении интенсивно развиваются и свидетельствуют о высоком уровне техники в области создания сверхвысокочастотных генераторов и детекторов. Изложены преимущества предлагаемого пути решения этих задач.
Построена аналитическая модель стационарного тока и высокочастотного отклика терагерцового диапазона в РТД структурах, проанализировано влияние различных факторов, определены оптимальные параметры РТД структур. Показано, что лучшим кандидатом для разработки чувствительных приёмников терагерцового диапазона является смеситель на эффекте разогрева электронов (HEB) в резистивном состоянии сверхпроводников. С целью продвижения в сторону терагерцовых частот предлагается использование квазиоптических электронно-разогревных смесителей с фононным каналом охлаждения, изготовленных на основе пленки NbN. Расширение частотной полосы в таких системах осуществляется введением в структуру подслоя оксида магния с целью улучшения коэффициента акустического согласования пленки с подложкой, а также путем уменьшения толщины пленки для уменьшения времени ухода неравновесных фононов в подложку. Выполнены различными методами исследования морфологии, структуры и химического состава ультратонких сверхпроводниковых пленочных структур на основе NbN с целью оптимизации параметров технологического процесса изготовления наноструктур, выбора параметров нанесения резиста, режима электронной литографии и плазмохимического травления. В работе использована уникальная технология получения ультратонких сверхпроводящих пленок и наноструктур на их основе, созданная в МПГУ. В России аналогичные работы не ведутся. Рекордные характеристики создаваемых в МПГУ приемных устройств определяют лидирующее положение данных исследований в мире и стимулируют развитие данного научно-технического направления в ряде зарубежных научных центров.
Выполненные работы являются необходимым этапом для разработки технологии, изготовления и исследования резонансно-туннельных и сверхпроводниковых структур для источников и приемных систем терагерцового диапазона частот
Развернуть
2
16.11.2007 - 31.12.2007
Разработана технология изготовления полупроводниковых РТД структур для создания источников и преобразователей излучения терагерцового диапазона. Показано, что в плане технологии наиболее сложными являются получение активной области и необходимость обеспечения высокой, физически предельной точности выдерживания толщины слоёв, равной одному монослою, как в пределах поверхности подложки, так и при повторении процессов выращивания. Для решения этой задачи выполнены исследования временных зависимостей величин молекулярных потоков. Установлено, что процесс выращивания активной области проходит в условиях переходных процессов молекулярных источников. Для технического контроля процесса выращивания гетероструктур РТД сформирован набор методик, позволяющих определять качество структур до стадии их обработки методами фотолитографии и тонкоплёночной технологии. Разработана экспрессная фотолюминесцентная методика, обеспечивающая возможность диагностики качества структур на всех основных этапах технологического процесса. Разработана технология изготовления РТД гетероструктур высокого качества для источников и преобразователей микроволнового излучения.
Разработана технология изготовления наноструктур на основе ультратонких сверхпроводниковыхе пленок NbN для терагерцовых приемников. Развита модель формирования тонких пленок NbN толщиной несколько атомных слоев на диэлектрических подложках. Определены условия осаждения для получения сверхпроводниковых пленок с заданными характеристиками. Исследованы кристаллическая структура, фазовый и элементный состав, морфология поверхности тонких сверхпроводниковых пленок NbN, характеристики тонких сверхпроводниковых пленок (толщиной 2-4 нм), неоднородности и электрофизические характеристики пленок NbN в зависимости от толщины и других параметров. Исследовано влияние предварительной обработки поверхности пластин кремния и сапфира на структурные и электрофизические характеристики пленок NbN. Развита модель осаждения ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN на подложки кремния и сапфира. Разработана технология получения ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN для приемников терагерцового диапазона с рекордными техническими характеристиками.
Выполненные работы являются необходимым этапом для разработки технологии, изготовления и исследования резонансно-туннельных и сверхпроводниковых структур для источников и приемных систем терагерцового диапазона частот.
Развернуть
3
01.01.2008 - 30.06.2008
Цель работы на третьем этапе – разработка конструкции и изготовление методами фотолитографии экспериментальных образцов резонансно-туннельных диодов (РТД) на основе полупроводниковых многослойных гетероструктур; разработка и создание опытных образцов смесительных и детекторных чипов терагерцового диапазона, разработка методик расчета оптимальной топологии смесителей терагерцового диапазона частот; исследование физических характеристик РТД образцов и терагерцовых сверхпроводящих смесителей (частотный диапазон, полоса преобразования, шумовая температура) и детекторов (квантовая эффективность, быстродействие, уровень шумов).
В соответствии с планами третьего этапа проведена работа по разработке конструкции и изготовлению на основе выращенных ранее полупроводниковых гетероструктур экспериментальных образцов РТД, обеспечивающих необходимое волновое согласование с волноводными линиями. Проведен выбор измерительных методик с регистрацией усиления и детектированием СВЧ излучения, оптимальных с точки зрения регистрации квантового режима усиления. Разработана и изготовлена измерительная установка, обеспечивающая проведение поисковых исследований квантового режима усиления в области гигагерцовых и субтерагерцовых частот при комнатной и низких гелиевых температурах. Показано, что исследования в условиях интенсивного СВЧ излучения, соответствующие нелинейному взаимодействию с РТД структурой, открывают принципиальные возможности использования метода детектирования, который обладает рядом преимуществ и расширяет возможности осуществления поисковых исследований квантового режима усиления в РТД структурах. Изготовлены многослойные GaAs/AlGaAs РТД образцы для источников СВЧ излучения и выполнены исследования поперечного транспорта, нелинейных свойств и генерационных процессов в этих структурах.
Используя развитую на предыдущих этапах технологию изготовления смесителей на основе электронного разогрева (hot-electron bolometer, HEB), из тонкой плёнки NbN разработаны, созданы и изучены опытные образцы таких смесителей. Созданы опытные образцы детекторных чипов терагерцового диапазона в виде планарных структур на кремниевых подложках. Чувствительные элементы изготовлены из ультратонкой плёнки (толщиной 3 – 3.5 нм) в виде мостиков (длиной от 130 до 200 нм и шириной от 1.5 до 3 мкм) и интегрированы с планарной антенной. Разработаны методики расчета оптимальной топологии смесителей терагерцового диапазона частот
Развернуть
4
01.07.2008 - 31.10.2008
В результате проведен-ных теоретических, технологических и экспериментальных исследований:
- Изготовлены полупроводниковые резонансно-туннельные диодные (РТД) многослойные GaAs/AlAs наноструктуры различной топологии для источни-ков субтерагерцового и терагерцового диапазона.
- Построена аналитическая модель стационарного тока и высокочастотного отклика в РТД структурах с барьерами конечной ширины во внешнем элек-тромагнитном поле. Выполнен теоретический анализ и выявлены закономер-ности высокочастотных свойств РТД и квантового режима усиления в сим-метричных и асимметричных РТД с моноэнергетическим и фермиевским распределением электронов в эмиттерной части РТД.
- Определены электрофизические и структурные параметры РТД структур, оптимальные с точки зрения проявления квантового режима усиления.
- Проведены исследования излучательных свойств резонансно-туннельных структур GaAs/AlGaAs сверхрешеточного типа в электрическом поле.
- Разработана технология изготовления ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN с улучшенными характеристиками (толщина пленок 2-4 нм, температура сверхпроводящего перехода Tc=11 К, ширина сверхпроводящего перехода 0.2 К, плотность критического тока jc=7*106 А/см2). Разработана технология и изготовлены сверхпроводниковые многослойные нанострукту-ры для сверхчувствительных быстродействующих приемных модулей тера-герцового диапазона на основе эффекта электронного разогрева в ультратон-ких сверхпроводниковых слоях.
- Разработаны и созданы опытные образцы смесительных и детекторных чи-пов терагерцового диапазона в виде планарных структур на кремниевых под-ложках. Чувствительные элементы выполнены из ультратонкой плёнки тол-щиной 3 – 3.5 нм в виде мостиков длиной от 130 до 200 нм и шириной от 1.5 до 3 мкм. Элементы интегрированы с планарной антенной. Физические ха-рактеристики смесителей: шумовая температура около 800 К в диапазоне 0.9 – 2.5 ТГц, полоса преобразования в двухполосном режиме приёма не менее 8 ГГц. Физические характеристики детекторов: пороговая чувствительность NEP 5•10-14–3•10-13 Вт/Гц-1/2 в полосе 0.3-3 ТГц при быстродействии 1 – 0.05 нс. Изготовлен лабораторный прототип супергетеродинного приёмника на основе сверхпроводникового смесителя и выработаны требования для проведения ОКР.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Разработка и исследование смесителей и детекторов на основе сверхпроводниковых планар-ных наноструктур 1. Разработка низкотемпературных высокочувствительных сверхпроводящих однофотонных детекторов. 2. Отработка технологии элементов сверхпроводниковых болометров терагерцового диапазона волн. 3. Создание и исследование сверхпроводниковых наноструктур на основе NbN. 4. Исследование флуктуационной чувствительности сверхпроводникового приемника. 5. Изготовление ультратонких сверхпроводящих пленок NbN. 6. Сравнительное исследование характеристик HEB-смесителей, и SIS-смесителей, интегрированных с FFO-гетеродином. 7. Исследование поглощения электромагнитных волн миллиметрового диапазона мультислойными наноструктурами. 8. Нанодетекторы для криптографии. 9. Физика полупроводниковых и сверхпроводниковых терагерцовых наноструктур. 10. Исследование эффективности преобразования и шумовых характеристик гетеродинного HEB-приёмника ближнего ИК диапазона. 11. Исследование сверхпроводникового интегрального приемни
Продолжительность работ
2011, 5 мес.
Бюджетные средства
2,2 млн
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 13 мес.
Бюджетные средства
2,05 млн
профинансировано
Тема
Источники и приемники терагерцового диапазона на основе полупроводниковых наноструктур Si/Ge и A3B5.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Туннельно-связанные полупроводниковые наноструктуры для эпитаксиально-интегрированных мощных источников излучения.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование перспективных типов сверхвысокочастотных приборов и структур, разработка технологических принципов их изготовления (полупроводниковый приемник для терагерцового диапазона частот 0,5 – 5,0 ТГц).
Продолжительность работ
2013 - 2015, 25 мес.
Бюджетные средства
19,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга
Продолжительность работ
2007 - 2008, 14 мес.
Бюджетные средства
100 млн
Количество заявок
1
Тема
Оптические материалы, активные и пассивные компоненты для терагерцового, ближнего и среднего ИК- диапазонов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2