Design and Analysis of a Broadband SIS-Mixer for the Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) on the Herschel Space Observatory

Teipen, Rafael Theodor Alfred (2006). Design and Analysis of a Broadband SIS-Mixer for the Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) on the Herschel Space Observatory. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In this thesis the design and analysis of SIS-mixers (SIS: superconductor-isolator-superconductor) for the use as low-noise and broad-band detectors in the submm-region for astronomical observations is described. The SIS-mixers have been developed for the frequency band 2 (636-802 GHz) of the Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) on ESA's space-observatory Herschel. The required performance baseline has been defined by the HIFI-consortium in terms of the estimated noise temperature contribution of the mixer to be 110 K at 636 GHz and 150 K at 802 GHz. In the frequency region between 80 GHz and 900 GHz Heterodyne SIS mixers are established as the best devices for low noise mixing with a high spectral resolution (mixing of the signal radiation with local oscillator, LO). For the HIFI band 2 mixers, the technology of Nb/Al-Al2O3/Nb-junctions has been used with junction areas of 0.5-1.0 um2, a target value for the current density jc of 15 kA/cm2 and a gap-voltage of 2.75-2.77 mV. For the compensation of the SIS-junction's intrinsic capacitance and the optimized power coupling to the tunnel junction, two types of matching circuits have been theoretically modelled and experimentally studied: (1) three-step transformer single junction devices and (2) double-junction devices. This has been done for two material combinations: for an all-superconductive micro strip NbTiN/SiO2/Nb, and for the superconductor/normal-conductor combination NbTiN/SiO2/Al. A numerical tool has been developed and applied in order to define the optimum set of fabrication parameters and strip line geometry for the lithography masks. From a large number of fabricated devices the SIS-junctions with the optimum noise performance have been selected to be integrated in the HIFI instrument as flight-mixers. The selection and characterization of devices has been done based on the DC I-V-curves, heterodyne hot-cold characterization and spectral analysis in a Fourier-transform-spectrometer at 4 K. For a comparison of the noise data with the HIFI requirements, the measurement setup has been characterized and its noise contributions have been subtracted. The single-junction devices with Nb top-wiring have shown the optimum noise performance. This is in accordance with the presented simulations. The optimum measured mixer noise contribution for a SIS-mixer has been determined to depend on the DC-quality Q; a higher Q is a measure for a low leakage current and an indication for a low device shot-noise. The measured noise performance of the flight-mixers is compliant with the HIFI baseline over 80% of the band, as has been confirmed in the HIFI integration tests. For the fabricated SIS-wafers a good absolute accuracy of the junction area AJ (below 5%) and a large current density jc = 13−14 kA/cm2 have been identified to be crucial for the optimum noise performance. AJ via the intrinsic capacitance and the normal resistance of the tunnel junction mainly determines the resonance frequency of the whole device. For a more complete theoretical analysis of a SIS-mixer a numerical tool has been developed which allows the calculation of the noise- and gain band-pass based on the three-frequency approximation of the Quantum Theory of Mixing. This tool has been used to verify the power design calculation, and to evaluate the optimum fabrication parameters for future designs of SIS-devices. The effect of four fabrication parameters (NbTiN-quality, gap-voltage VGap, current density jc and DC-quality Q) on the mixer performance has been evaluated. Based on the calculated data jc and Q have been identified as the most critical fabrication parameters for the mixer performance. A second result of the simulation is a significant reduction in mixer noise for an increased DC-quality up to Q = 8 − 10, but less improvement for a larger Q. And finally, for large micro-strip losses (30-40%) as for NbTiN/SiO2/Nb-microstrips around 800 GHz an increase in current density jc has resulted in a significant reduction of the calculated mixer noise contribution. This suggests a strong potential to reduce the noise temperatures in this frequency region with AlN-barriers, which are currently developed at KOSMA and promise current densities around and above 30 kA/cm2. The absolute calculated noise data deviate with a factor 2 from the measured data. But the calculated results show a good agreement with the measured noise data regarding the frequency-, bias-voltage and LO-power dependence. Thus the applied model is expected to give reliable estimates for relative variations in noise performance.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Design und Analyse eines breitbandigen SIS-Mischers fuer das Heterodyninstrument fuer Ferninfrarot (HIFI) auf dem Herschel Space Observatorium	German

Translated abstract:

Abstract

Language

In dieser Arbeit wird das Design und die Analyse von SIS-Mischern (Supraleiter- Isolator-Supraleiter) für den Einsatz als rauscharme und breitbandige Detektoren für astronomische Beobachtungen im Submm-Bereich beschrieben. Die SIS-Mischer wurden für das Frequenzband 2 des "Heterodyne Instrument for the Far Infrared" (HIFI) auf dem Satellit-Observatorium der ESA Herschel entwickelt. Vom HIFI-Konsortium wurde eine Empfindlichkeit der Mischer mit Rauschtemperatur-Beiträgen von 100 K bei 636 GHz und 150 K bei 802 GHz vorgegeben. Für den Nachweis elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich zwischen 80 GHz und 900 GHz mit hoher spektraler Auflösung sind SIS-Heterodynmischer (Überlagerung des Messsignals mit Lokaloszillatorstrahlung, LO) derzeit die empfindlichsten Detektoren. Die Mischer für das HIFI Frequenzband 2 wurden in Nb/Al-Al2O3/Nb-Technologie realisiert, wobei die Flächen der Tunnelkontakte 0.5-1.0 um2 betrugen, bei einer kritischen Stromdichte jc von 15 kA/cm2 und einer Gapspannung von 2.75-2.77 mV. Um die intrinsische Kapazität der Junction zu kompensieren und die Leistungseinkopplung zu optimieren, wurden zwei Arten von Anpassstrukturen modelliert und experimentell untersucht: (1) Einzeljunctions mit Dreistufentrafo-Anpassstruktur und (2) Doppeljunctions. Dabei wurden zwei Materialkombinationen für die Mikrostreifenleiter verwendet: die Kombinationen NbTiN/SiO2/Nb und NbTiN/SiO2/Al. Für die Erstellung der Lithographiemasken wurden die SIS-Fabrikations- und Geometrieparameter numerisch optimiert. Von zahlreichen fabrizierten SIS-Wafern wurden die SIS-Junctions mit der optimalen Empfindlichkeit für die Integration in das HIFI-Instrument ausgewählt. Die Charakterisierung und Auswahl wurden auf Basis von DC I-V-Kennlinien, Hot-Cold-Messungen und einer spektralen Analyse mittels Fourier-Transform-Spektrometer-Messungen bei 4 K durchgeführt. Zum Vergleich mit den Anforderungen des HIFI-Instruments wurden die Beiträge des Messaufbaus charakterisiert und korrigiert. Die Einzeljunctions mit Nb als oberer Steifenleiterschicht zeigten in Übereinstimmung mit den Rechnungen die niedrigsten Rauschtemperaturen. Außerdem konnte ein Zusammenhang zwischen der optimalen Rauschtemperatur eines SIS-Mischers und dem Quality-Faktor Q der gemessenen DC-Kennlinie nachgewiesen werden, wobei ein höheres Q ein Maß für einen niedrigeren Leckstrom und ein Indiz für niedrigeres Schrotrauschen im Tunnelelement ist. Die Rauschtemperaturen für die Mischer, die in HIFI integriert werden, erfüllen die HIFI Baseline für 80% des Frequenzbandes. Diese Ergebnisse wurden während der HIFI-Integrationstests bestätigt. Von den hergestellten Wafern zeigte derjenige mit der geringsten absoluten Abweichung (kleiner 5%) in der Junctionfläche und mit gleichzeitig relativ hoher Stromdichte von jc = 13-14 kA/cm2 die optimale Empfindlichkeit über das gewünschte Frequenzband. Die Junctionfläche ist der Hauptfaktor, der über die intrinsische Kapazität und den Normalwiderstand der Junction die Resonanzfrequenz des ganzen SIS-Elements definiert. Für eine weitergehende theoretische Analyse der SIS-Mischer wurde auf der Basis der Dreiport-Näherung von Tucker's Quantenmischertheorie ein Numerikprogramm entwickelt, mit dem der Rausch- und Gain-Bandpass eines Mischers berechnet wurde. Damit wurde das Design-Modell verifiziert und darüber hinaus für zukünftige Mischer-Designrechnungen die optimalen Fabrikationsparameter analysiert. In diese Analyse wurden vier Fabrikationsparameter eingeschlossen: die NbTiN-Qualität, die Gapspannung, die kritische Stromdichte jc und der Quality-Faktor Q. Ein zweites Ergebnis der Simulationen ist eine deutliche Reduzierung des Mischerrauschens für einen verbesserten Quality-Faktor Q bis etwa Q = 8−10; darüber wird das Mischerrauschen für weiter verbessertes Q nur wenig optimiert. Und schließlich ergaben die Rechnungen, dass für deutliche Mikrostreifenverluste, wie sie in NbTiN/SiO2/Nb-Streifenleitern im Bereich von 800 GHz auftreten, eine Erhöhung von jc eine deutliche Reduzierung des berechneten Mischerrauschens bewirkt. Dies Ergebnis verspricht eine merkliche Reduzierung der Rauschtemperaturen in diesem Frequenzbereich, wenn man die SIS-Junctions mit AlN-Barrieren realisieren kann, die derzeit bei KOSMA entwickelt werden und für die in anderen Fabrikationslabors Stromdichten oberhalb von 30 kA/cm2 gemessen wurden. Die Absolutwerte der berechneten Rauschtemperaturdaten weichen um einen Faktor 2 von den gemessenen Daten ab. Aber die Ergebnisse stimmen mit den gemessenen Rauschdaten hinsichtlich ihrer Frequenz-, Biasspannungs- und LO-Leistungsabhängigkeit gut überein. Daher lässt sich die Verwendung der Rechnung für die Analyse relativer Variationen in den Rauschtemperaturen rechtfertigen.

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