Физики из МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН исследовали влияние технологических процессов на качество сверхпроводящей пленки, которая применяется в приемниках на терагерцовых частотах. Ученые вплотную приблизились к созданию сверхпроводникового приемника, полезного для астрономических исследований. Работа опубликована в журнале Transactions on Applied Superconductivity.
Благодаря рекордной чувствительности терагерцовые сверхпроводниковые приемники применяются в радиотелескопах. Например, первое изображение тени черной дыры в 2019 году было получено именно с ними. Подобные устройства на основе ниобия имеют ограничения по частоте порядка 700 гигагерц. Для расширения диапазона в область 800–950 гигагерц ученые тестируют сплав ниобий-нитрид титана. В недавней работе физики из МФТИ исследовали пленку из этого сплава при различных условиях напыления в качестве материала для приемника и подобрали оптимальные условия синтеза. Но для создания полноценного устройства нужно изготовить линии, антенны и остальные элементы схемы, сохранив при этом целостность пленки ниобий-нитрид титана.
В новой работе ученые исследовали влияние на качество пленки химических и физических процессов, которые применяются при изготовлении технологических слоев приемника.
Федор Хан, научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, поясняет: «Это одна из работ на пути к созданию сверхпроводникового приемника диапазона условно 800–950 гигагерц и, возможно, даже выше. Нам необходимо изготовить качественные электроды, туннельные переходы, линии, антенны — элементы всей сверхпроводниковой схемы. Сверхпроводящие пленки высокого качества нам нужны для того, чтобы пойманный антенной сигнал довести до смесителя без потерь. В этой работе мы исследуем напрямую влияние на качество пленки каждого отдельного процесса напыления, травления, анодизации буферных слоев, необходимых для создания устройства».
Сверхпроводниковые приемники работают следующим образом: терагерцовый сигнал улавливает антенна, после чего его нужно передать на смеситель — устройство, которое помогает снизить частоту сигнала, чтобы его могли обрабатывать компьютеры. Для передачи на смеситель нужны сверхпроводниковые пленки и туннельный переход (SIS-переход, джозефсоновский переход), через который как бы проскакивают электроны нужной энергии, передающие принятый сигнал.
Часть схемы устройства, куда встроен переход, имеет слоистую структуру: на подложку из кремния напыляется защитный слой оксида алюминия, затем нитрид-ниобий титан, выполняющий роль электрода. На него наносится защитный (от короткого замыкания) слой алюминия и сверхпроводниковый переход: сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник. Каждый слой напыляется на подложку и травится — под действием химических веществ удаляются лишние атомные слои. Процессы травления могут повредить пленку ниобий-нитрида титана, поэтому физики хотели проверить, при каких условиях синтеза это происходит.
Рисунок 1. Схематичное изображение SIS-перехода (ниобий Nb — изолятор — нитрид ниобия NbN), встроенного в линию «алюминий Al — ниобий-нитрид титана NbTiN». Источник: Transactions on Applied Superconductivity
Исследователи проанализировали влияние каждого процесса по отдельности, и оказалось, что качество пленки если и ухудшается, то незначительно. А это значит, что нет никаких технологических ограничений на создание сверхпроводникового приемника.
Физики уже синтезировали тестовую часть линии, отвечающую за передачу сигнала, для формирования приемника осталось спроектировать интегральную схему.
Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, подводит итог: «Мы показали, что технологические слои, необходимые для производства интегральных схем с использованием пленок нитрида титана, практически не ухудшают качество этих пленок. Следующая задача — спроектировать интегральную схему на 800–950 гигагерц. Излучение, которое приходит извне, должно дойти до смесителя, где должно произойти смешение сигналов. И если схема окажется плохо спроектированной, то возникнут многократные отражения, что приведет к ухудшению характеристик приемника. Важно этого избежать, рассчитав согласование антенны со смесительным элементом, подвод сигнала гетеродина и отвод на промежуточной частоте».
