Сверхпроводниковый однофотонный детектор для среднего инфракрасного диапазона на основе узких параллельных полосок

УДК 538.9

И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман Московский педагогический государственный университет

Сверхпроводниковый однофотонный детектор для среднего инфракрасного диапазона на основе узких параллельных полосок

Мы рассматриваем ультрабыстрый сверхпроводниковый однофотонный детектор (SSPD). SSPD представляет собой тонкопленочную наноструктуру — очень узкую и длинную полоску сверхпроводника, изогнутую в виде меандра, изготовленную из пленки NbN толщиной 4 нм, нанесенной на сапфировую подложку. SSPD хорошо сопрягается с оптоволокном и легко может быть интегрирован в полностью готовую для работы приемную систему. В стремлении продвинуться в средний ИК-диапозон нам удалось разработать SSPD в виде параллельно соединенных полосок с шириной полоски всего 50 нм и сохранить при этом сверхпроводящие свойства. Эти детекторы показывают более чем на порядок большую чувствительность на длине волны 3,5 мкм, чем SSPD в виде меандра. Полученные результаты открывают путь к эффективным детекторам среднего ИК-диапазона, обладающим скоростью счета свыше 1 ГГц.

Ключевые слова: сверхпроводниковый однофотонный детектор, средний ИК-диа-пазон, тонкопленочные наноструктуры.

На сегодняшний день развитие однофотонной техники в ИК-диапазоне сдерживается отсутствием высокочувствительных и быстрых детекторов. Перспективным типом счетчиков фотонов является сверхпроводниковый однофотонный детектор (Superconducting Single Photon Detector — SSPD). SSPD представляет собой тонкопленочную наноструктуру — очень узкую и длинную полоску сверхпроводника, изогнутую в виде меандра, изготовленную из пленки NbN толщиной 4 нм, нанесенной на сапфировую подложку. По многим параметрам SSPD превосходит существующие однофотонные детекторы видимого и ближнего ИК-диапазонов, такие как лавинные фотодиоды и болометры, работающие на сверхпроводящем переходе.

Так, у популярных Si-лавинных диодов (APD) чувствительность ограничена величиной запрещенной зоны кремния, поэтому они не работают на длинах волн больше 1 мкм. Квантовая эффективность широко применяемых в диапазоне 1.2-1.6 мкм APD на основе InGaAs достигает 20% в однофотонном режиме, но у них велика нестабильность временной задержки переднего фронта импульса (jitter) и велик уровень темнового счета (104с-1). Для уменьшения скорости темнового счета APD обычно используют в так называемом time-gated-режиме. Хотя лабораторные APD имеют скорость счёта ~ 1 ГГц, коммерчески доступные имеют скорость счёта ~ 10 МГц. Например, FPD5W 1KS APD (Fujitsu) хотя и демонстрируют квантовую эффективность ~ 16 %, но имеют скорость счета 5  106 Гц (jitter ~ 200 пс) и темновой счет 500 с-1 (в time-gated-режиме).

Болометры, работающие на сверхпроводящем переходе, так называемые Transition Edge Sensors (TES), могут работать в диапазоне 0,1-5 мкм, их квантовая эффективность ~ 95%, имеют разрешение по энергии и разрешение числа фотонов. Однако TES имеют целый ряд недостатков, существенно сдерживающих их практическое применение: работают при температуре несколько сотен милликельвинов, имеют низкое быстродействие и легко насыщаются фоновым тепловым излучением, требуют сложную схему съема на основе SQUID и т.д.

Зарядочувствительные инфракрасные фототранзисторы (CSIPs) — хорошие детекторы для среднего ИК-диапазона, работающие при температуре 2-4,2 К: на длине волны 14,7 мкм демонстрируют квантовую эффективность 2%, скорость счета 300 МГц [1].

Квантовая эффективность SSPD на длине волны 1,3 мкм достигает 30% — уровня, ограниченного поглощением пленки NbN, при пренебрежимо малом уровне темновых отсчетов и временном разрешении (jitter) 20 пс. SSPD хорошо сопрягается с оптоволокном и легко может быть интегрирован в полностью готовую для работы приемную систему. Благодаря высоким характеристикам детектор уже нашел применение в целом ряде научных областей: регистрация излучения

от квантовых точек с высоким временным разрешением [2, 3], диагностика интегральных микросхем методом PICA [4], а также в квантовой криптографии (сейчас с использованием SSPD длина квантовокриптографической линии свыше 250 км [5]).

Принцип действия SSPD в виде меандра основан на возникновении резистивной области в небольшой части сверхпроводящей полоски, находящейся при температуре существенно ниже критической, но несущей транспортный ток, близкий к критическому [6]. Квант света, поглощенный полоской, приводит к разрушению куперовских пар и образованию лавины из квазичастиц. В области поглощения сверхпроводимость на короткое время подавляется и образуется «горячее пятно». При образовании горячего пятна сверхпроводящий ток перераспределяется по сечению полоски, и на краях полоски плотность тока начинает превышать критическую плотность тока (рис. 1а). В результате полоска переходит в резистивное состояние, и это сопровождается импульсом напряжения на детекторе.

При продвижении в средний ИК-диапазон уменьшается энергия фотона, а значит, уменьшается и размер «горячего пятна», поэтому для повышения квантовой эффективности в среднем инфракрасном диапазоне требуются более узкие полоски. Это обеспечит достижение такой же высокой плотности тока вокруг «горячего пятна», как и в случае более коротковолновых фотонов и широких полосок (рис. 1б). Нам удалось более чем вдвое уменьшить ширину сверхпроводящей полоски со 100-120 нм до 50 нм.

100 нм; (б) — возникновение горячего пятна по- Рис- 2. Изображение NbN 88рБ в виде та-сле поглощения фотона полоской шириной 50 нм раллельных пояотк покрыва,ющих °бласіь

7 мкм х 7 мкм. Ширина полоски 56 нм, расстояние между полосками 74 нм

Однако уменьшение ширины полоски приводит к уменьшению величины критического тока и уменьшению амплитуды импульса напряжения, возникающего на детекторе при поглощении фотона, делая его неразличимым на уровне тепловых шумов. Поэтому мы вместо одной узкой полоски соединили несколько полосок параллельно. Принцип действия детектора на основе узких параллельных полосок основан на каскадном переключении полосок. Одна полоска, поглотившая фотон, становится резистивной, что приводит к перераспределению тока между остальными полосками, после чего ток в этих полосках превышает критический, и они тоже становятся резистивными. В результате такого каскадного переключения все полоски переходят в резистивное состояние, что сопровождается импульсом напряжения на детекторе.

Технология изготовления сверхпроводникового однофотонного детектора в виде параллельных полосок аналогична описанной в [7]. Сверхпроводящая пленка NbN толщиной 3-4 нм наносится методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе в атмосфере аргона и азота на сапфировую подложку, предварительно нагретую до 850°С. Из этой пленки методом прямой электронной литографии и плазмохимического травления формируются сверхпроводящие параллельные полоски шириной около 50 нм. Далее методом обратной фотолитографии изготавливаются контакты. На последнем этапе через резистную маску формируется чувствительный элемент детектора — прямоугольная площадка из параллельных полосок площадью 7 мкм х 7 мкм. На рис. 2 представлен микроснимок 88РБ на основе узких параллельных

полосок, полученный с помощью растрового электронного микроскопа. Чувствительный элемент детектора представляет собой площадку 7 мкм х 7 мкм, состоящую из 48 параллельных полосок шириной 50 нм и зазором 100 нм.

Несмотря на уменьшение размеров полоски в два раза, плотность тока осталась высокой: 6 • 106 А/см2 при температуре 4.2 К, что свидетельствует о высоком качестве сверхпроводящей пленки NbN и всех технологических процессов.

Основной характеристикой детектора является квантовая эффективность, определяемая как отношение числа регистрируемых фотонов к числу падающих фотонов. Измерение квантовой эффективности в диапазоне длин волн 1 -3,5 мкм мы проводили в оптическом криостате. SSPD устанавливается на холодную плату в оптический криостат. Температура ниже 4,2 K достигается откачиванием паров гелия. В этом случае температура SSPD определяется по давлению насыщенных паров гелия. На чипе параллельно детектору включён резистор 3 Ом. Чип соединяется с высокочастотной (RF) коаксиальной линией, RF-линия соединяется с теплым адаптером смещения (bias tee). DC-порт bias tee соединен с высокостабильным источником смещения по постоянному току DC. AC-порт bias tee соединен с широкополосным усилителем MiniCiruits

0,1 -1000 МГц, с коэффициентом усиления 20 дБ и затем с осциллографом АСК 7404 с полосой 400 МГц и счетчиком импульсов. В качестве источника излучения использовался инфракрасный спектрометр. Излучение от монохроматора к SSPD фокусируется зеркалами в световое пятно размером несколько миллиметров (в криостате). Мы использовали в криостате входное окно из сапфира и холодный сапфировый фильтр, чтобы убрать часть паразитного фонового излучения от комнаты.

Для определения квантовой эффективности (QE) нужно знать число падающих фотонов на SSPD. В данном случае это весьма сложно измерить с достаточной степенью точности. Поэтому мы измерили мощность спектрометра на заданной длине волны и определяли QE SSPD как отношение числа детектируемых событий к измеренной мощности, деленную на энергию фотона:

QE =

Ndet

W/hv’

где N^1 — число детектируемых событий, Ш — измеренная мощность, Ни — энергия фотона. При измерениях на одномодовом волокне мы можем точно определить число падающих фотонов, а следовательно, и оценить квантовую эффективность. Таким образом, точно измерив квантовую эффективность детектора на установке с одномодовым волокном на длине волны 1,26 мкм, мы можем построить спектральную зависимость относительно этой точки.

На рис. 3 представлена спектральная чувствительность — зависимость квантовой эффективности от длины волны при температуре 3 К для NbN ЯЯРБ в виде меандра с шириной полоски 104 нм и ЯЯРБ из 48 параллельных полосок шириной 50 нм. Оба детектора находились в одном криостате, а значит, при одинаковой температуре и одинаковой мощности падающего излучения. Зависимости снимались при таких токах смещения, когда уровень темновых отсчетов на обоих образцах выбирался одинаковым и составлял 20 кГц.

Можно видеть, что в диапазоне длин волн от 1,3 мкм до 3,5 мкм РЕ ЯЯРБ в форме параллельных полосок падает в 30 раз, в то время как РЕ ЯЯРБ в форме меандра падает на 3 порядка. Интересно также отметить, что в то

время, как РЕ ЯЯРБ в форме параллельных полосок была хуже в ближней инфракрасной области, на длине волны 3,5 мкм его РЕ является на порядок лучше по сравнению со стандартным детектором.

2.0 2.5 3.0

Длина волны

Рис. 3. Спектральная чувствительность (зависимость QE от длины волны) 88РБ при температуре 3 К: закрытые символы — 88РБ в виде меандра, открытые символы — ЭЭРБ в виде параллельных полосок

Заметим также, что переход от одной длинной полоски к параллельным полоскам позволил существенно уменьшить кинетическую индуктивность детектора и сократить время отклика, которое составило менее 1 нс, что создаёт предпосылки для достижения скорости счёта в 1 ГГц и выше. Это делает такой детектор перспективным для применения в системах связи и квантовой криптографии.

Заключение. В стремлении продвинуться в средний ИК-диапазон нам удалось разработать SSPD с новой топологией в виде параллельно соединенных полосок с шириной полоски всего 50 нм и сохранить при этом сверхпроводящие свойства. Тем самым мы улучшили спектральную чувствительность детектора. Полученные результаты открывают путь к эффективным детекторам среднего ИК-диапазона, обладающим скоростью счета свыше 1 ГГц.

Работа была выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № П2542, гранта Президента РФ МК-2221.2010.2, ГК02.740.11.0228, РФФИ 09-02-12364-офи_м.

Литература

1. Ueda T. [et al.]. Charge Sensitive Infrared Phototransistor: Characterization by an all-cryogenic spectrometer // J. of Applied Physics. — 2008. — V. 103. — P. 093109.

2. Hadfeld R. [et al.] Quantum key distribution at 1550 nm with twin superconducting singlephoton detectors // Applied Physics Letters. — 2006. — V. 89 — P. 241129.

3. Zinoni C. [et al.] Single photon experiments at telecom wavelengths using nanowire

superconducting detectors // Applied Physics Letters. — 2007. — V. 91. — P. 031106.

4. Somani S. [et al.] New photon detector for device analysis: Superconducting single-photon detector based on a hot electron effect // J. Vac. Sci. Technol. B. — 2001. — 19(6). — P. 1071-1023.

5. Stucki D. [et al.] High rate, long-distance quantum key distribution over 250 km of ultra low

loss fibres // New J. Phys. — 2009. — V. 11 — P. 075003.

6. Goltsman G. [et al.] Picosecond superconducting single-photon optical detector // Appl. Phys. Lett. — 2001. — V. 79. — P. 705-707.

7. Goltsman G. [et al.] Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors // IEEE Trans. Appl. Supercond. — 2003. — V. 13. — P. 192.

Поступила в редакцию 27.04.2011.