eng
Выпуск #7/2022
В. А. Желтиков, Д. Д. Платонов, С. Хыдырова, К. М. Моисеев, Д. Д. Васильев
Обзор сверхпроводниковых микрополосковых однофотонных детекторов
Обзор сверхпроводниковых микрополосковых однофотонных детекторов
Просмотры: 1183
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.7.528.537
В работе описаны актуальные модели детектирования и текущее состояние развития техники однофотонных детекторов. Проведен анализ материалов изготовления ультратонких пленок для детекторов, структура которых создана на основе полосок микрометровой ширины (SMSPD), и составлены рекомендации для улучшения их рабочих характеристик. Для снижения скорости темнового счета (DCR), возрастания эффективности детектирования системы (SDE), быстродействия (CR) и увеличения активной площади необходимо использовать SMSPD из рентгеноаморфных материалов типа α-Mn с низким коэффициентом диффузии, обладающих топологией, созданной на основе брэгговских отражающих структур (DBR), с высоким коэффициентом заполнения и уширением полосы элементов на повороте.
В работе описаны актуальные модели детектирования и текущее состояние развития техники однофотонных детекторов. Проведен анализ материалов изготовления ультратонких пленок для детекторов, структура которых создана на основе полосок микрометровой ширины (SMSPD), и составлены рекомендации для улучшения их рабочих характеристик. Для снижения скорости темнового счета (DCR), возрастания эффективности детектирования системы (SDE), быстродействия (CR) и увеличения активной площади необходимо использовать SMSPD из рентгеноаморфных материалов типа α-Mn с низким коэффициентом диффузии, обладающих топологией, созданной на основе брэгговских отражающих структур (DBR), с высоким коэффициентом заполнения и уширением полосы элементов на повороте.
Теги: count rate current density diffusion coefficient meander topology quantum efficiency single-photon detectors x-ray amorphous materials квантовая эффективность коэффициент диффузии однофотонные детекторы плотность тока рентгеноаморфные материалы скорость счета топология меандра
Обзор сверхпроводниковых микрополосковых однофотонных детекторов
В. А. Желтиков, Д. Д. Платонов, С. Хыдырова,
К. М. Моисеев, Д. Д. Васильев
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва
В работе описаны актуальные модели детектирования и текущее состояние развития техники однофотонных детекторов. Проведен анализ материалов изготовления ультратонких пленок для детекторов, структура которых создана на основе полосок микрометровой ширины (SMSPD), и составлены рекомендации для улучшения их рабочих характеристик. Для снижения скорости темнового счета (DCR), возрастания эффективности детектирования системы (SDE), быстродействия (CR) и увеличения активной площади необходимо использовать SMSPD из рентгеноаморфных материалов типа α-Mn с низким коэффициентом диффузии, обладающих топологией, созданной на основе брэгговских отражающих структур (DBR), с высоким коэффициентом заполнения и уширением полосы элементов на повороте.
Ключевые слова: однофотонные детекторы, рентгеноаморфные материалы, коэффициент диффузии, квантовая эффективность, скорость счета, плотность тока, топология меандра
Статья получена: 23.08.2022
Статья принята: 15.09.2022
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (Superconducting Nanowire Single Photon Detector – SNSPD), благодаря своим высоким характеристикам, являются предпочтительными [1] для применения в различных областях науки и техники, таких как космическая связь, LIDAR-системы и квантовые технологии. Препятствием для массового использования SNSPD на данном этапе развития техники стал малый размер чувствительного элемента (ширина линии порядка 100 нм, площадь меандра порядка 10×10 мкм2) и низкий уровень сигнала (порядка 0,1 мВ) [2]. Это приводит к сложностям как в технологии изготовления, для которой используется дорогое оборудование электронно-лучевой литографии, так и в технике измерений, где необходимо применять мощные усилители сигнала и линзованное волокно (lensed fiber) для фокусировки изображения в малую рабочую область детектора. Для создания SNSPD в основном применяют кристаллические материалы (NbN, NbTiN и т. д.) [3], это часто приводит к снижению выхода годных.
Основным параметром детектора является квантовая эффективность (QE, отношение числа зарегистрированных фотонов к числу выпущенных фотонов), которая делится на собственную эффективность поглощения пленки IDE и эффективность детектирования системы SDE. Немаловажными параметрами являются скорость темнового счета (число ложных срабатываний детектора в секунду, DCR), быстродействие (скорость счета, CR) и площадь детектирования. Устройства работают при низких температурах менее 10K, так как такие температуры необходимы для перехода чувствительного элемента (ультратонкой пленки) в сверхпроводящее состояние. Инфраструктурой для работы устройств являются криостаты, стоимость которых растет на порядки при переходе от температур 4,2K к температурам около 1K. Однако при уменьшении рабочей температуры увеличивается QE и уменьшается DCR [4]. По этой причине большинство коммерческих детекторов работают при температурах менее 2,4 K [5]. Для снижения стоимости устройств в их конструкции необходимо применять материалы с критическими температурами более 4,2 K.
МОДЕЛИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
Для работы детектор охлаждают до температур ниже 10K и пропускают ток смещения, чтобы энергии фотона было достаточно для локального разрушения сверхпроводимости. Когда полоска переходит в резистивное состояние, на осциллографе наблюдается импульс напряжения, что свидетельствует о регистрации фотона. С 2001 года распространена модель горячего пятна (предложена Г. Н. Гольцманом и др. [6]), согласно которой детекторы с шириной полоски больше некоторого критического рамера (порядка 200 нм) не смогут зарегистрировать фотон. В 2017 году Д. Ю. Водолазовым предложена вихревая модель детектирования [7], согласно которой механизм детектирования состоит из трех этапов: сначала происходит поглощение фотона с образованием горячего пятна; далее возникает проникновение в полоску пары вихрь-антивихрь – диссипативное движение магнитных вихрей к краю полоски под действием силы Лоренца; и наконец, идет разогрев сечения полоски до нормального состояния с возникновением импульса напряжения (рис. 1).
После предложения данной модели детектирования стал возможен переход к детекторам с характерным размером порядка 1 мкм, что упростило технологию изготовления устройств. В 2018 году реализован первый детектор на основе полосок микрометровой ширины (superconducting microwire single photon detector, SMSPD) [8]. Такие устройства имеют высокий уровень сигнала порядка 0,1 В, что позволяет измерять отклик детектора без использования мощных усилителей.
АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ SMSPD
Из вихревой модели детектирования вытекают требования к материалам для SMSPD: низкий коэффициент диффузии D < 0,5 см2 / c и малая энергетическая щель ∆ < 1 мэВ [2]. Из экономических соображений следует необходимость высокой критической температуры Tc > 4,2 K и рентгеноаморфной структуры, которая нечувствительна к дефектам подложки и обеспечивает больший выход годных по сравнению с детекторами на основе кристаллических материалов [9].
На сегодняшний день для создания коммерчески доступных SNSPD используют кристаллические материалы (NbN, NbTiN и др.) [3]. В исследовательских центрах используют рентгеноаморфные материалы, детекторы, на основе которых демонстрируют высокую эффективность (SDE 93% при использовании WSi [10]). Структура элементарной ячейки данных пленок мало исследована, тем не менее для SNSPD на базе MoxSi(1‑x) в [11] указано, что сформированная пленка является аморфной и разупорядоченной, но обладает структурой, схожей в ближнем порядке с кристаллической решеткой типа А15 или β-W. Также структура А15 характерна для кристаллических соединений A3B, применяемых в SNSPD рентгеноаморфных материалов: Mo3Ge, Mo3Re, Nb3Si [12, 13], а также для вольфрама и силицидов переходных металлов и, предположительно, для W3Si [14]. Однако данные материалы в аморфном состоянии имеют либо низкую Tc, либо высокий D и ∆ (см. таблица) и не соответствуют поставленным требованиям для реализации детекторов на основе микрополосок. В 2020 году специалисты продемонстрировали детектирование SMSPD на основе рентгеноаморфного NbRe [15], который имеет структуру типа α-Mn [16] (стехиометрическое соединение A5B24). Такие материалы мало исследованы и являются более перспективными для применения в SMSPD, так как превосходят материалы со структурой типа β-W по необходимым параметрам (см. табл.). Для изготовления SMSPD предлагается использовать ранее неисследованный материал чувствительного элемента Zr5Re24, который имеет высокую критическую температуру 4,9 K при толщине 8 нм, малую энергетическую щель 0,93 мэВ и коэффициент диффузии 0,46 см2 / c.
Помимо рентгеноаморфных материалов, для создания SMSPD также традиционно используют кристаллический материал NbN [9, 25]. Он обладает более высокой критической температурой и соответственно меньшей кинетической индуктивностью, за счет чего детекторы имеют высокую скорость счета CR, но небольшую внутреннюю эффективность IDE. В 2021 году для SMSPD предложена технология изготовления путем облучения кристаллического NbN ионами гелия [25]. Такое решение привело к несверхпроводящим включениям в пленке, которые являются центрами проникновения магнитных вихрей, разрушающих сверхпроводимость при попадании фотона. Такие пленки имеют более низкую критическую температуру, чем необлученные пленки (6,4 и 7,1 К соответственно), что приводит к уменьшению энергетической щели (т. е. тока смещения, достаточного для детектирования) и увеличению QE. Приведенный метод изготовления, а также использование структуры для отражения фотонов заданной длины волны (distributed Bragg reflector, DBR) позволило повысить QE с 30 до 92,2% [25].
Однако детектор, изготовленный по такой технологии, обладает рядом недостатков. В первую очередь это использование кристаллического материала, что вызывает повышенные требования к процессу нанесения и контроля пленки. Также минусом является необходимость ионной бомбардировки – дорогой и сложной технологической операции. Это приводит к малому выходу годных и высокой стоимости устройства.
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК SMSPD
Сейчас детекторы SNSPD имеют следующие рекордные параметры: SDE = 99,5% [27], DCR = 10 Гц [4], площадь детектирования 0,07 мм2 [28], тогда как последние SMSPD демонстрируют SDE = 96% [29], DCR = 200 Гц [25] и площадь детектирования 2,25 × 2,25 мм2 [30]. Такие схожие характеристики объясняются тем, что SMSPD, хоть и появились лишь в 2017 году, уже успели пройти тот же путь развития, что и SNSPD – с 2001 года по настоящее время.
Нерешенной задачей на сегодняшний день является комплексное увеличение параметров SMSPD [5]. Современные детекторы чаще всего показывают рекордное значение лишь одного параметра (например, CR), тогда как остальные характеристики (QE, DCR) имеют низкие значения.
Высокую эффективность детектирования показывают детекторы на основе пленок, имеющих хорошую однородность. Это объясняется тем, что такие пленки способны пропускать токи смещения, близкие к критическому току, что и лежит в основе принципа детектирования SMSPD. В этом плане хорошо себя зарекомендовали пленки из аморфных материалов, таких как MoSi и WSi: детекторы на базе этих материалов показывают высокую эффективность SDE = 93% [10], сравнительно низкий DCR = 1 кГц [31], а также скорость счета CR = 10 МГц [32].
Помимо материалов, которые позволяют пропускать большие токи смещения, для повышения QE используют топологии с высоким коэффициентом заполнения, т. е. отношением ширины полоски к периоду структуры (рис. 2а). В работе [29] 2022 года исследователи предложили новую конструкцию меандра в форме канделябра, обладающую коэффициентом заполнения 0,91 в активной области. Такое решение позволяет повысить вероятность попадания фотона на сверхпроводящую полоску, а не в область зазора. Таким образом, эффективность детектора с использованием DBR структуры равна 96% [29].
Еще один из способов повысить эффективность детектирования – увеличить вероятность поглощения фотона меандром. Для этого при изготовлении обоих типов детекторов в конструкцию добавляют четвертьволновой резонатор (рис. 2b) или DBR-структуру (рис. 2c). Четвертьволновой резонатор представляет собой оптическую полость из диэлектрика (обычно используют SiO, благодаря его высокой прозрачности для ИК-излучения) и отражающее покрытие, которое выполняют из золота или титана [33]. Излучение, которое не было поглощено детектором, отражается от зеркала и начинает резонировать в оптической полости, таким образом повышается вероятность поглощения фотона после его первоначального попадания в область зазора меандра. DBR-структура представляет собой несколько слоев материалов с разными показателями преломления, например SiO2 и Ta2O5. Толщина выбирается в зависимости от длины волны, на которой будет работать детектор, а количество слоев влияет на вероятность отражения. Конструкция с таким отражателем также повышает вероятность поглощения фотона меандром, что приводит к увеличению SDE [25]. Иногда применяются конструкции, объединяющие оба эти элемента. Хотя технология их создания более сложная, однако в таком случае вероятность поглощения фотона близка к 100% [34].
В целях уменьшения DCR научными группами предлагаются новые топологии детекторов, увеличивающие равномерность плотности тока при работе устройства. Это связано с тем, что при больших токах смещения, необходимых для работы SMSPD, возрастает число флуктуаций, способных разрушить сверхпроводимость в отсутствие фотона (то есть увеличить DCR). Наибольшая плотность тока наблюдается на поворотах меандра из-за того, что электронам энергетически выгоднее пройти поворот по наиболее короткому пути – внутреннему радиусу (ток течет по пути наименьшего сопротивления).
Многие научные группы используют в своих работах спираль (рис. 3а) в качестве топологии детектора, так как плавное постоянное закручивание спирали обеспечивает равномерное распределение тока по полоске [25, 26]. В 2021 году предложено использовать утолщения на поворотах меандра (рис. 3b), которые снижают неравномерность распределения тока на 20%, что приводит к снижению DCR [33, 35]. Главный недостаток описанной технологии – трудоемкий процесс изготовления, так как утолщение требует дополнительного процесса литографии, вследствие чего край полоски получается шероховатым, что уменьшает QE. В 2022 году предложена «однослойная» топология с уширением на повороте (рис. 3c), соответствующая стандартному процессу изготовления SNSPD [36].
На рис. 4 дано сравнение основных топологий меандров SNSPD по неравномерности распределения плотности тока [36]. По сравнению со стандартной (меандр) новые геометрии (спираль, меандр с утолщением или уширением на повороте) увеличивают равномерность тока на поворотах с 67 до 98%, снижая DCR и повышая эффективность детектора.
Скорость счета детектора – это количество фотонов в секунду, которое может зарегистрировать детектор. На этот параметр влияет время восстановления детектора, то есть время, за которое он перейдет из нормального в сверхпроводящее состояние и снова будет готов регистрировать фотон. Для его уменьшения используют материалы с малой кинетической индуктивностью и высокой критической температурой, отдавая предпочтение кристаллическим пленкам (NbN, NbTiN) [3]. Однако и рентгеноаморфные пленки, обладающие малым коэффициентом диффузии (например MoSi при D = 0,47 см2 / с), показывают хорошие результаты CR = 10 МГц [32]. Мы предполагаем, что высокая скорость счета связана с малым временем восстановления из-за слабого электрон-электронного взаимодействия в пленке и быстрого отвода тепла в подложку. Также для уменьшения кинетической индуктивности необходимо использовать топологии с минимальной длиной меандра. Лучшим решением для увеличения CR является микромостик (рис. 5а) [37, 38].
Главным достоинством SMSPD по сравнению с SNSPD является возможность увеличения активной площади детектора без увеличения длины меандра. Большая активная площадь необходима для таких задач, как поиск темной материи или обнаружения нейтронов и макромолекул [30]. Обычно при изготовлении SNSPD большой площади сильно возрастает длина меандра, что влечет за собой рост кинетической индуктивности и снижение CR-детектора. Поэтому стандартная площадь SNSPD составляет около 10 × 10 мкм2, максимальная – порядка 265 × 265 мкм2 (рис. 5б) при CR = 10 МГц [28]. При стандартной активной площади детектор нуждается в точном совмещении с одномодовым оптоволокном. SMSPD, благодаря ширине полоски порядка 2 мкм, имеет площадь около 600 × 600 мкм2 (рис. 5c) при CR = 8 МГц [39], сравнимой с SNSPD. Это избавляет от необходимости использования систем точного совмещения детектора с оптоволокном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сверхпроводящие однофотонные детекторы SNSPD являются наиболее эффективными детекторами фотонов на сегодняшний день, а для их изготовления с 2001 года использовали кристаллические материалы и меандры с шириной полоски порядка 100 нм. Однако после открытия вихревой модели детектирования в 2017 году появилась возможность перехода к детекторам SMSPD из рентгеноаморфных материалов и с шириной полоски порядка 1 мкм, которые обладают меньшими требованиями к процессам осаждения пленки и литографии. Являясь новым этапом развития SNSPD, они ведут к уменьшению стоимости устройства при схожих (SDE, DCR) и лучших (CR, площадь детектирования) характеристиках.
По итогам литературного обзора чувствительный элемент SMSPD предлагается изготавливать из ранее не исследованного для SNSPD материала Zr5Re24, имеющего рентгеноаморфную структуру типа α-Mn. Для повышения QE и снижения DCR рекомендуется использовать топологию с уширением на повороте, высоким коэффициентом заполнения и структурой DBR. Для увеличения CR возможно изготавливать детектор в виде микромостика, уменьшив до минимума кинетическую индуктивность.
REFERENCES
Natarajan C.M. et al. Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and aplications. Superconductor Science and Technology. 2012; 25(6): 063001. DOI: 10.1088/0953-2048/25/6/063001.
Goltsman G. N., Semenov A. V. Superconducting single-photon detector technology on the way to the mid- and far-infrared range. Nanofizika i nanoelektronika. Trudy XXVI Mezhdunarodnogo simpoziuma. 2022; 1: 643.
Zadeh E. et al. Superconducting nanowire single-photon detectors: A perspective on evolution, state-of-the-art, future developments, and applications. Applied Physics Letters. 2021; 118(19): 190502. DOI: 10.1063/5.0045990.
Zhang W. J. et al. NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 2017; 60(12):1–10. DOI: 10.1007/s11433–017–9113–4.
You L. Superconducting nanowire single-photon detectors for quantum information. Nanophotonics. 2020; 9(9): 2673–2692. DOI: 10.1515/nanoph‑2020–0186.
Semenov A. D., Gol’tsman G. N., Korneev A. A. Quantum detection by current carrying superconducting film. Physica C: Superconductivity. 2001; 351(4): 349–356. DOI: 10.1016/S0921–4534(00)01637–3.
Vodolazov D. Y. Single-photon detection by a dirty current-carrying superconducting strip based on the kinetic-equation approach. Physical Review Applied. 2017; 7(3): 034014. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.034014.
Korneeva Y. P. et al. Optical single-photon detection in micrometer-scale NbN bridges. Physical Review Applied. 2018; 9(6):064037. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.064037.
Holzman I. et al. Superconducting nanowires for single–photon detection: progress, challenges, and opportunities. Adv. Q. Tech. 2019; 2(3–4): 1800058. DOI: 10.1002/qute.201800058.
Marsili F. et al. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency. Nature Photonics. 2013; 7(3): 210–214. DOI: 10.1038/nphoton.2013.13.
Banerjee A. et al. Characterisation of amorphous molybdenum silicide (MoSi) superconducting thin films and nanowires. Superconductor Science and Technology. 2017; 30(8): 084010. DOI: 10.1088/1361–6668/aa76d8
Hydyrova S. Ocenka perspektivnosti sverhprovodyashchego materiala dlya odnofotonnogo detektora. 13 Vserossijskaya konferenciya molodyh uchenyh i specialistov (s mezhdunarodnym uchastiem) «Budushchee mashinostroeniya Rossii». – M: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2019; 1: 240–242.
Хыдырова С. Оценка перспективности сверхпроводящего материала для однофотонного детектора. 13 Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России». – М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2019; 1: 240–242.
Haynes W. M. CRC handbook of chemistry and physics. – CRC press. 2014; DOI: 10.1201/9781315380476.
Hydyrova S. I et al. Issledovanie struktury i elektricheskih svojstv nanokompozitnyh plenok WxSi1‑x. Fizika tverdogo tela. 2022; 64(9): 1176 DOI: 10.21883/FTT.2022.09.52802.08HH.
Хыдырова С. И др. Исследование структуры и электрических свойств нанокомпозитных пленок WxSi1‑x. Физика твердого тела. 2022; 64(9): 1176 DOI: 10.21883/FTT.2022.09.52802.08HH.
Cirillo C. et al. Superconducting nanowire single photon detectors based on disordered NbRe films. Appl. Phys. Lett. 2020; 117(17): 172602. DOI: 10.1063/5.0021487
Stolze K. et al. High-entropy alloy superconductors on an α-Mn lattice. Journal of Materials Chemistry C. 2018; 6 (39): 10441–10449. DOI: 10.1039/C8TC03337D.
Bao H. et al. Characterization of Superconducting NbN, WSi and MoSi Ultra-Thin Films in Magnetic Field. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2021; 31(5): 1–4 DOI: 10.1109/TASC.2021.3066881.
Cirillo C. et al. Superconducting properties of noncentrosymmetric Nb0.18Re0.82 thin films probed by transport and tunneling experiments. Physical Review B. 2016; 94(10): 104512. DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104512.
Lita A. E. et al. Materials development for high efficiency superconducting nanowire single-photon detectors. MRS Online Proceedings Library (OPL). 2015; 1807: 1–6. DOI: 10.1557/opl.2015.544.
Makise K. et al. Estimations of superconducting fluctuation effects in amorphous MoRu and MoRe alloy thin films. Materials Research Express. 2018; 5(9): 096406. DOI: 10.1088/2053–1591/aad65c.
Rogachev A. et al. Magnetic-field enhancement of superconductivity in ultranarrow wires. Physical review letters. 2006; 97(13): 137001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.137001.
Kokubo N., Aarts J., Kes P. H. Hall-conductivity sign change and fluctuations in amorphous NbxGe1– x films. Physical Review B. 2001; 64(1): 014507. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.014507.
Samoilov A. V., Yeh N. C., Tsuei C. C. Electron localization effects on the low-temperature high-field magnetoresistivity of three-dimensional amorphous superconductors. Physical Review B. 1998; 57(2): 1206 DOI: 10.1103/PhysRevB.57.1206.
Dutta S. et al. Superconductivity in amorphous RexZr (x≈ 6) thin films. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 877: 160258. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160258.
Xu G. Z. et al. Superconducting microstrip single-photon detector with system detection efficiency over 90% at 1550 nm. Photonics Research. 2021; 9(6): 958–967. DOI: 10.1364/PRJ.419514.
Manova N. N. et al. Superconducting photon counter for nanophotonics applications. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2019; 1410(1): 012147. DOI: 10.1088/1742–6596/1410/1.
Chang J. et al. Detecting telecom single photons with 99.5–2.07+ 0.5% system detection efficiency and high time resolution. APL Photonics. 2021; 6(3): 036114. DOI: 10.1063/5.0039772.
Zhang C. et al. NbN superconducting nanowire single-photon detector with an active area of 300 μm-in-diameter. AIP Advances. 2019; 9(7): 075214. DOI: 10.1063/1.5095842.
Reddy D. V. et al. Broadband polarization insensitivity and high detection efficiency in high-fill-factor superconducting microwire single-photon detectors. APL Photonics. 2022; 7(5): 051302. DOI: 10.1063/5.0088007.
Yang C. et al. Large-area TaN superconducting microwire single photon detectors for X-ray detection. Optics Express. 2021; 29(14): 21400–21408. DOI: 10.1364/OE.422581.
Charaev I. et al. Large-area microwire MoSi single-photon detectors at 1550 nm wavelength. Applied Physics Letters. 2020; 116(24): 242603. DOI: 10.1063/5.0005439.
Verma V. B. et al. High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films. Optics express. 2015; 23(26): 33792–33801. DOI: 10.1364/OE.23.033792.
Xiong J. M. et al. Reducing current crowding in meander superconducting strip single-photon detectors by thickening bends. Superconductor Science and Technology. 2022; 35(5): 055015. DOI: 10.1088/1361–6668/ac5fe4.
Li H. et al. Improving detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detector using multilayer antireflection coating. AIP advances. 2018; 8(11): 115022. DOI: 10.1063/1.5034374.
Baghdadi R. et al. Enhancing the performance of superconducting nanowire-based detectors with high-filling factor by using variable thickness. Superconductor Science and Technology. 2021; 34(3): 035010. DOI: 10.1088/1361–6668/abdba6
Stepanov I. A. et al. Superconducting Single-photon detector design optimization. International Conference on Laser Optics. – IEEE. 2022; DOI: 10.1109/ICLO54117.2022.9840026.
Koziy A. A. et al. Modern methods of detecting single photons and their application in quantum communications. Quantum Electronics. 2021; 51(8): 655. DOI: 10.1070/QEL17566.
Manova N. N. et al. Developing of NbN films for superconducting microstrip single-photon detector. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2020; 1695(1): 012116. DOI: 10.1088/1742–6596/1695/1/012116.
Yang S. et al. Large-area Superconducting Micro-wire Single-photon Detectors Prepared by Laser Direct Writing Lithography. 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). – IEEE. 2021; 1–3. DOI: 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567473.
АВТОРЫ
Желтиков Владимир Александрович, студент 2 курса магистратуры кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID 0000–0001–7099–1039
Платонов Данил Дмитриевич, студент 4 курса бакалавриата кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID 0000–0003–0246–4290
Хыдырова Селби, студент 2 курса аспирантуры кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID: 0000–0002–5510–0899
Моисеев Константин Михайлович, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; технический директор ООО «Джиэнтех»; Москва.
ORCID 0000–0002–8753–7737
Васильев Денис Дмитриевич, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; ведущий инженер ООО «Джиэнтех»; Москва.
ORCID 0000–0003–2147–4216
В. А. Желтиков, Д. Д. Платонов, С. Хыдырова,
К. М. Моисеев, Д. Д. Васильев
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва
В работе описаны актуальные модели детектирования и текущее состояние развития техники однофотонных детекторов. Проведен анализ материалов изготовления ультратонких пленок для детекторов, структура которых создана на основе полосок микрометровой ширины (SMSPD), и составлены рекомендации для улучшения их рабочих характеристик. Для снижения скорости темнового счета (DCR), возрастания эффективности детектирования системы (SDE), быстродействия (CR) и увеличения активной площади необходимо использовать SMSPD из рентгеноаморфных материалов типа α-Mn с низким коэффициентом диффузии, обладающих топологией, созданной на основе брэгговских отражающих структур (DBR), с высоким коэффициентом заполнения и уширением полосы элементов на повороте.
Ключевые слова: однофотонные детекторы, рентгеноаморфные материалы, коэффициент диффузии, квантовая эффективность, скорость счета, плотность тока, топология меандра
Статья получена: 23.08.2022
Статья принята: 15.09.2022
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (Superconducting Nanowire Single Photon Detector – SNSPD), благодаря своим высоким характеристикам, являются предпочтительными [1] для применения в различных областях науки и техники, таких как космическая связь, LIDAR-системы и квантовые технологии. Препятствием для массового использования SNSPD на данном этапе развития техники стал малый размер чувствительного элемента (ширина линии порядка 100 нм, площадь меандра порядка 10×10 мкм2) и низкий уровень сигнала (порядка 0,1 мВ) [2]. Это приводит к сложностям как в технологии изготовления, для которой используется дорогое оборудование электронно-лучевой литографии, так и в технике измерений, где необходимо применять мощные усилители сигнала и линзованное волокно (lensed fiber) для фокусировки изображения в малую рабочую область детектора. Для создания SNSPD в основном применяют кристаллические материалы (NbN, NbTiN и т. д.) [3], это часто приводит к снижению выхода годных.
Основным параметром детектора является квантовая эффективность (QE, отношение числа зарегистрированных фотонов к числу выпущенных фотонов), которая делится на собственную эффективность поглощения пленки IDE и эффективность детектирования системы SDE. Немаловажными параметрами являются скорость темнового счета (число ложных срабатываний детектора в секунду, DCR), быстродействие (скорость счета, CR) и площадь детектирования. Устройства работают при низких температурах менее 10K, так как такие температуры необходимы для перехода чувствительного элемента (ультратонкой пленки) в сверхпроводящее состояние. Инфраструктурой для работы устройств являются криостаты, стоимость которых растет на порядки при переходе от температур 4,2K к температурам около 1K. Однако при уменьшении рабочей температуры увеличивается QE и уменьшается DCR [4]. По этой причине большинство коммерческих детекторов работают при температурах менее 2,4 K [5]. Для снижения стоимости устройств в их конструкции необходимо применять материалы с критическими температурами более 4,2 K.
МОДЕЛИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
Для работы детектор охлаждают до температур ниже 10K и пропускают ток смещения, чтобы энергии фотона было достаточно для локального разрушения сверхпроводимости. Когда полоска переходит в резистивное состояние, на осциллографе наблюдается импульс напряжения, что свидетельствует о регистрации фотона. С 2001 года распространена модель горячего пятна (предложена Г. Н. Гольцманом и др. [6]), согласно которой детекторы с шириной полоски больше некоторого критического рамера (порядка 200 нм) не смогут зарегистрировать фотон. В 2017 году Д. Ю. Водолазовым предложена вихревая модель детектирования [7], согласно которой механизм детектирования состоит из трех этапов: сначала происходит поглощение фотона с образованием горячего пятна; далее возникает проникновение в полоску пары вихрь-антивихрь – диссипативное движение магнитных вихрей к краю полоски под действием силы Лоренца; и наконец, идет разогрев сечения полоски до нормального состояния с возникновением импульса напряжения (рис. 1).
После предложения данной модели детектирования стал возможен переход к детекторам с характерным размером порядка 1 мкм, что упростило технологию изготовления устройств. В 2018 году реализован первый детектор на основе полосок микрометровой ширины (superconducting microwire single photon detector, SMSPD) [8]. Такие устройства имеют высокий уровень сигнала порядка 0,1 В, что позволяет измерять отклик детектора без использования мощных усилителей.
АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ SMSPD
Из вихревой модели детектирования вытекают требования к материалам для SMSPD: низкий коэффициент диффузии D < 0,5 см2 / c и малая энергетическая щель ∆ < 1 мэВ [2]. Из экономических соображений следует необходимость высокой критической температуры Tc > 4,2 K и рентгеноаморфной структуры, которая нечувствительна к дефектам подложки и обеспечивает больший выход годных по сравнению с детекторами на основе кристаллических материалов [9].
На сегодняшний день для создания коммерчески доступных SNSPD используют кристаллические материалы (NbN, NbTiN и др.) [3]. В исследовательских центрах используют рентгеноаморфные материалы, детекторы, на основе которых демонстрируют высокую эффективность (SDE 93% при использовании WSi [10]). Структура элементарной ячейки данных пленок мало исследована, тем не менее для SNSPD на базе MoxSi(1‑x) в [11] указано, что сформированная пленка является аморфной и разупорядоченной, но обладает структурой, схожей в ближнем порядке с кристаллической решеткой типа А15 или β-W. Также структура А15 характерна для кристаллических соединений A3B, применяемых в SNSPD рентгеноаморфных материалов: Mo3Ge, Mo3Re, Nb3Si [12, 13], а также для вольфрама и силицидов переходных металлов и, предположительно, для W3Si [14]. Однако данные материалы в аморфном состоянии имеют либо низкую Tc, либо высокий D и ∆ (см. таблица) и не соответствуют поставленным требованиям для реализации детекторов на основе микрополосок. В 2020 году специалисты продемонстрировали детектирование SMSPD на основе рентгеноаморфного NbRe [15], который имеет структуру типа α-Mn [16] (стехиометрическое соединение A5B24). Такие материалы мало исследованы и являются более перспективными для применения в SMSPD, так как превосходят материалы со структурой типа β-W по необходимым параметрам (см. табл.). Для изготовления SMSPD предлагается использовать ранее неисследованный материал чувствительного элемента Zr5Re24, который имеет высокую критическую температуру 4,9 K при толщине 8 нм, малую энергетическую щель 0,93 мэВ и коэффициент диффузии 0,46 см2 / c.
Помимо рентгеноаморфных материалов, для создания SMSPD также традиционно используют кристаллический материал NbN [9, 25]. Он обладает более высокой критической температурой и соответственно меньшей кинетической индуктивностью, за счет чего детекторы имеют высокую скорость счета CR, но небольшую внутреннюю эффективность IDE. В 2021 году для SMSPD предложена технология изготовления путем облучения кристаллического NbN ионами гелия [25]. Такое решение привело к несверхпроводящим включениям в пленке, которые являются центрами проникновения магнитных вихрей, разрушающих сверхпроводимость при попадании фотона. Такие пленки имеют более низкую критическую температуру, чем необлученные пленки (6,4 и 7,1 К соответственно), что приводит к уменьшению энергетической щели (т. е. тока смещения, достаточного для детектирования) и увеличению QE. Приведенный метод изготовления, а также использование структуры для отражения фотонов заданной длины волны (distributed Bragg reflector, DBR) позволило повысить QE с 30 до 92,2% [25].
Однако детектор, изготовленный по такой технологии, обладает рядом недостатков. В первую очередь это использование кристаллического материала, что вызывает повышенные требования к процессу нанесения и контроля пленки. Также минусом является необходимость ионной бомбардировки – дорогой и сложной технологической операции. Это приводит к малому выходу годных и высокой стоимости устройства.
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК SMSPD
Сейчас детекторы SNSPD имеют следующие рекордные параметры: SDE = 99,5% [27], DCR = 10 Гц [4], площадь детектирования 0,07 мм2 [28], тогда как последние SMSPD демонстрируют SDE = 96% [29], DCR = 200 Гц [25] и площадь детектирования 2,25 × 2,25 мм2 [30]. Такие схожие характеристики объясняются тем, что SMSPD, хоть и появились лишь в 2017 году, уже успели пройти тот же путь развития, что и SNSPD – с 2001 года по настоящее время.
Нерешенной задачей на сегодняшний день является комплексное увеличение параметров SMSPD [5]. Современные детекторы чаще всего показывают рекордное значение лишь одного параметра (например, CR), тогда как остальные характеристики (QE, DCR) имеют низкие значения.
Высокую эффективность детектирования показывают детекторы на основе пленок, имеющих хорошую однородность. Это объясняется тем, что такие пленки способны пропускать токи смещения, близкие к критическому току, что и лежит в основе принципа детектирования SMSPD. В этом плане хорошо себя зарекомендовали пленки из аморфных материалов, таких как MoSi и WSi: детекторы на базе этих материалов показывают высокую эффективность SDE = 93% [10], сравнительно низкий DCR = 1 кГц [31], а также скорость счета CR = 10 МГц [32].
Помимо материалов, которые позволяют пропускать большие токи смещения, для повышения QE используют топологии с высоким коэффициентом заполнения, т. е. отношением ширины полоски к периоду структуры (рис. 2а). В работе [29] 2022 года исследователи предложили новую конструкцию меандра в форме канделябра, обладающую коэффициентом заполнения 0,91 в активной области. Такое решение позволяет повысить вероятность попадания фотона на сверхпроводящую полоску, а не в область зазора. Таким образом, эффективность детектора с использованием DBR структуры равна 96% [29].
Еще один из способов повысить эффективность детектирования – увеличить вероятность поглощения фотона меандром. Для этого при изготовлении обоих типов детекторов в конструкцию добавляют четвертьволновой резонатор (рис. 2b) или DBR-структуру (рис. 2c). Четвертьволновой резонатор представляет собой оптическую полость из диэлектрика (обычно используют SiO, благодаря его высокой прозрачности для ИК-излучения) и отражающее покрытие, которое выполняют из золота или титана [33]. Излучение, которое не было поглощено детектором, отражается от зеркала и начинает резонировать в оптической полости, таким образом повышается вероятность поглощения фотона после его первоначального попадания в область зазора меандра. DBR-структура представляет собой несколько слоев материалов с разными показателями преломления, например SiO2 и Ta2O5. Толщина выбирается в зависимости от длины волны, на которой будет работать детектор, а количество слоев влияет на вероятность отражения. Конструкция с таким отражателем также повышает вероятность поглощения фотона меандром, что приводит к увеличению SDE [25]. Иногда применяются конструкции, объединяющие оба эти элемента. Хотя технология их создания более сложная, однако в таком случае вероятность поглощения фотона близка к 100% [34].
В целях уменьшения DCR научными группами предлагаются новые топологии детекторов, увеличивающие равномерность плотности тока при работе устройства. Это связано с тем, что при больших токах смещения, необходимых для работы SMSPD, возрастает число флуктуаций, способных разрушить сверхпроводимость в отсутствие фотона (то есть увеличить DCR). Наибольшая плотность тока наблюдается на поворотах меандра из-за того, что электронам энергетически выгоднее пройти поворот по наиболее короткому пути – внутреннему радиусу (ток течет по пути наименьшего сопротивления).
Многие научные группы используют в своих работах спираль (рис. 3а) в качестве топологии детектора, так как плавное постоянное закручивание спирали обеспечивает равномерное распределение тока по полоске [25, 26]. В 2021 году предложено использовать утолщения на поворотах меандра (рис. 3b), которые снижают неравномерность распределения тока на 20%, что приводит к снижению DCR [33, 35]. Главный недостаток описанной технологии – трудоемкий процесс изготовления, так как утолщение требует дополнительного процесса литографии, вследствие чего край полоски получается шероховатым, что уменьшает QE. В 2022 году предложена «однослойная» топология с уширением на повороте (рис. 3c), соответствующая стандартному процессу изготовления SNSPD [36].
На рис. 4 дано сравнение основных топологий меандров SNSPD по неравномерности распределения плотности тока [36]. По сравнению со стандартной (меандр) новые геометрии (спираль, меандр с утолщением или уширением на повороте) увеличивают равномерность тока на поворотах с 67 до 98%, снижая DCR и повышая эффективность детектора.
Скорость счета детектора – это количество фотонов в секунду, которое может зарегистрировать детектор. На этот параметр влияет время восстановления детектора, то есть время, за которое он перейдет из нормального в сверхпроводящее состояние и снова будет готов регистрировать фотон. Для его уменьшения используют материалы с малой кинетической индуктивностью и высокой критической температурой, отдавая предпочтение кристаллическим пленкам (NbN, NbTiN) [3]. Однако и рентгеноаморфные пленки, обладающие малым коэффициентом диффузии (например MoSi при D = 0,47 см2 / с), показывают хорошие результаты CR = 10 МГц [32]. Мы предполагаем, что высокая скорость счета связана с малым временем восстановления из-за слабого электрон-электронного взаимодействия в пленке и быстрого отвода тепла в подложку. Также для уменьшения кинетической индуктивности необходимо использовать топологии с минимальной длиной меандра. Лучшим решением для увеличения CR является микромостик (рис. 5а) [37, 38].
Главным достоинством SMSPD по сравнению с SNSPD является возможность увеличения активной площади детектора без увеличения длины меандра. Большая активная площадь необходима для таких задач, как поиск темной материи или обнаружения нейтронов и макромолекул [30]. Обычно при изготовлении SNSPD большой площади сильно возрастает длина меандра, что влечет за собой рост кинетической индуктивности и снижение CR-детектора. Поэтому стандартная площадь SNSPD составляет около 10 × 10 мкм2, максимальная – порядка 265 × 265 мкм2 (рис. 5б) при CR = 10 МГц [28]. При стандартной активной площади детектор нуждается в точном совмещении с одномодовым оптоволокном. SMSPD, благодаря ширине полоски порядка 2 мкм, имеет площадь около 600 × 600 мкм2 (рис. 5c) при CR = 8 МГц [39], сравнимой с SNSPD. Это избавляет от необходимости использования систем точного совмещения детектора с оптоволокном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сверхпроводящие однофотонные детекторы SNSPD являются наиболее эффективными детекторами фотонов на сегодняшний день, а для их изготовления с 2001 года использовали кристаллические материалы и меандры с шириной полоски порядка 100 нм. Однако после открытия вихревой модели детектирования в 2017 году появилась возможность перехода к детекторам SMSPD из рентгеноаморфных материалов и с шириной полоски порядка 1 мкм, которые обладают меньшими требованиями к процессам осаждения пленки и литографии. Являясь новым этапом развития SNSPD, они ведут к уменьшению стоимости устройства при схожих (SDE, DCR) и лучших (CR, площадь детектирования) характеристиках.
По итогам литературного обзора чувствительный элемент SMSPD предлагается изготавливать из ранее не исследованного для SNSPD материала Zr5Re24, имеющего рентгеноаморфную структуру типа α-Mn. Для повышения QE и снижения DCR рекомендуется использовать топологию с уширением на повороте, высоким коэффициентом заполнения и структурой DBR. Для увеличения CR возможно изготавливать детектор в виде микромостика, уменьшив до минимума кинетическую индуктивность.
REFERENCES
Natarajan C.M. et al. Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and aplications. Superconductor Science and Technology. 2012; 25(6): 063001. DOI: 10.1088/0953-2048/25/6/063001.
Goltsman G. N., Semenov A. V. Superconducting single-photon detector technology on the way to the mid- and far-infrared range. Nanofizika i nanoelektronika. Trudy XXVI Mezhdunarodnogo simpoziuma. 2022; 1: 643.
Zadeh E. et al. Superconducting nanowire single-photon detectors: A perspective on evolution, state-of-the-art, future developments, and applications. Applied Physics Letters. 2021; 118(19): 190502. DOI: 10.1063/5.0045990.
Zhang W. J. et al. NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature. Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 2017; 60(12):1–10. DOI: 10.1007/s11433–017–9113–4.
You L. Superconducting nanowire single-photon detectors for quantum information. Nanophotonics. 2020; 9(9): 2673–2692. DOI: 10.1515/nanoph‑2020–0186.
Semenov A. D., Gol’tsman G. N., Korneev A. A. Quantum detection by current carrying superconducting film. Physica C: Superconductivity. 2001; 351(4): 349–356. DOI: 10.1016/S0921–4534(00)01637–3.
Vodolazov D. Y. Single-photon detection by a dirty current-carrying superconducting strip based on the kinetic-equation approach. Physical Review Applied. 2017; 7(3): 034014. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.034014.
Korneeva Y. P. et al. Optical single-photon detection in micrometer-scale NbN bridges. Physical Review Applied. 2018; 9(6):064037. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.064037.
Holzman I. et al. Superconducting nanowires for single–photon detection: progress, challenges, and opportunities. Adv. Q. Tech. 2019; 2(3–4): 1800058. DOI: 10.1002/qute.201800058.
Marsili F. et al. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency. Nature Photonics. 2013; 7(3): 210–214. DOI: 10.1038/nphoton.2013.13.
Banerjee A. et al. Characterisation of amorphous molybdenum silicide (MoSi) superconducting thin films and nanowires. Superconductor Science and Technology. 2017; 30(8): 084010. DOI: 10.1088/1361–6668/aa76d8
Hydyrova S. Ocenka perspektivnosti sverhprovodyashchego materiala dlya odnofotonnogo detektora. 13 Vserossijskaya konferenciya molodyh uchenyh i specialistov (s mezhdunarodnym uchastiem) «Budushchee mashinostroeniya Rossii». – M: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2019; 1: 240–242.
Хыдырова С. Оценка перспективности сверхпроводящего материала для однофотонного детектора. 13 Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России». – М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2019; 1: 240–242.
Haynes W. M. CRC handbook of chemistry and physics. – CRC press. 2014; DOI: 10.1201/9781315380476.
Hydyrova S. I et al. Issledovanie struktury i elektricheskih svojstv nanokompozitnyh plenok WxSi1‑x. Fizika tverdogo tela. 2022; 64(9): 1176 DOI: 10.21883/FTT.2022.09.52802.08HH.
Хыдырова С. И др. Исследование структуры и электрических свойств нанокомпозитных пленок WxSi1‑x. Физика твердого тела. 2022; 64(9): 1176 DOI: 10.21883/FTT.2022.09.52802.08HH.
Cirillo C. et al. Superconducting nanowire single photon detectors based on disordered NbRe films. Appl. Phys. Lett. 2020; 117(17): 172602. DOI: 10.1063/5.0021487
Stolze K. et al. High-entropy alloy superconductors on an α-Mn lattice. Journal of Materials Chemistry C. 2018; 6 (39): 10441–10449. DOI: 10.1039/C8TC03337D.
Bao H. et al. Characterization of Superconducting NbN, WSi and MoSi Ultra-Thin Films in Magnetic Field. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2021; 31(5): 1–4 DOI: 10.1109/TASC.2021.3066881.
Cirillo C. et al. Superconducting properties of noncentrosymmetric Nb0.18Re0.82 thin films probed by transport and tunneling experiments. Physical Review B. 2016; 94(10): 104512. DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104512.
Lita A. E. et al. Materials development for high efficiency superconducting nanowire single-photon detectors. MRS Online Proceedings Library (OPL). 2015; 1807: 1–6. DOI: 10.1557/opl.2015.544.
Makise K. et al. Estimations of superconducting fluctuation effects in amorphous MoRu and MoRe alloy thin films. Materials Research Express. 2018; 5(9): 096406. DOI: 10.1088/2053–1591/aad65c.
Rogachev A. et al. Magnetic-field enhancement of superconductivity in ultranarrow wires. Physical review letters. 2006; 97(13): 137001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.137001.
Kokubo N., Aarts J., Kes P. H. Hall-conductivity sign change and fluctuations in amorphous NbxGe1– x films. Physical Review B. 2001; 64(1): 014507. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.014507.
Samoilov A. V., Yeh N. C., Tsuei C. C. Electron localization effects on the low-temperature high-field magnetoresistivity of three-dimensional amorphous superconductors. Physical Review B. 1998; 57(2): 1206 DOI: 10.1103/PhysRevB.57.1206.
Dutta S. et al. Superconductivity in amorphous RexZr (x≈ 6) thin films. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 877: 160258. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160258.
Xu G. Z. et al. Superconducting microstrip single-photon detector with system detection efficiency over 90% at 1550 nm. Photonics Research. 2021; 9(6): 958–967. DOI: 10.1364/PRJ.419514.
Manova N. N. et al. Superconducting photon counter for nanophotonics applications. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2019; 1410(1): 012147. DOI: 10.1088/1742–6596/1410/1.
Chang J. et al. Detecting telecom single photons with 99.5–2.07+ 0.5% system detection efficiency and high time resolution. APL Photonics. 2021; 6(3): 036114. DOI: 10.1063/5.0039772.
Zhang C. et al. NbN superconducting nanowire single-photon detector with an active area of 300 μm-in-diameter. AIP Advances. 2019; 9(7): 075214. DOI: 10.1063/1.5095842.
Reddy D. V. et al. Broadband polarization insensitivity and high detection efficiency in high-fill-factor superconducting microwire single-photon detectors. APL Photonics. 2022; 7(5): 051302. DOI: 10.1063/5.0088007.
Yang C. et al. Large-area TaN superconducting microwire single photon detectors for X-ray detection. Optics Express. 2021; 29(14): 21400–21408. DOI: 10.1364/OE.422581.
Charaev I. et al. Large-area microwire MoSi single-photon detectors at 1550 nm wavelength. Applied Physics Letters. 2020; 116(24): 242603. DOI: 10.1063/5.0005439.
Verma V. B. et al. High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films. Optics express. 2015; 23(26): 33792–33801. DOI: 10.1364/OE.23.033792.
Xiong J. M. et al. Reducing current crowding in meander superconducting strip single-photon detectors by thickening bends. Superconductor Science and Technology. 2022; 35(5): 055015. DOI: 10.1088/1361–6668/ac5fe4.
Li H. et al. Improving detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detector using multilayer antireflection coating. AIP advances. 2018; 8(11): 115022. DOI: 10.1063/1.5034374.
Baghdadi R. et al. Enhancing the performance of superconducting nanowire-based detectors with high-filling factor by using variable thickness. Superconductor Science and Technology. 2021; 34(3): 035010. DOI: 10.1088/1361–6668/abdba6
Stepanov I. A. et al. Superconducting Single-photon detector design optimization. International Conference on Laser Optics. – IEEE. 2022; DOI: 10.1109/ICLO54117.2022.9840026.
Koziy A. A. et al. Modern methods of detecting single photons and their application in quantum communications. Quantum Electronics. 2021; 51(8): 655. DOI: 10.1070/QEL17566.
Manova N. N. et al. Developing of NbN films for superconducting microstrip single-photon detector. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2020; 1695(1): 012116. DOI: 10.1088/1742–6596/1695/1/012116.
Yang S. et al. Large-area Superconducting Micro-wire Single-photon Detectors Prepared by Laser Direct Writing Lithography. 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). – IEEE. 2021; 1–3. DOI: 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567473.
АВТОРЫ
Желтиков Владимир Александрович, студент 2 курса магистратуры кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID 0000–0001–7099–1039
Платонов Данил Дмитриевич, студент 4 курса бакалавриата кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID 0000–0003–0246–4290
Хыдырова Селби, студент 2 курса аспирантуры кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана»; Москва.
ORCID: 0000–0002–5510–0899
Моисеев Константин Михайлович, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; технический директор ООО «Джиэнтех»; Москва.
ORCID 0000–0002–8753–7737
Васильев Денис Дмитриевич, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; ведущий инженер ООО «Джиэнтех»; Москва.
ORCID 0000–0003–2147–4216
Отзывы читателей
