Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор среднего-ИК диапазона на основе пленок нитрида ниобия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Золотов Филипп Игоревич

• Золотов Филипп Игоревич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Золотов Филипп Игоревич

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Принцип работы сверхпроводникового однофотонного детектора

1.2 Квантовая эффективность ЯЗГО

1.3 Мертвое время и временное разрешение ЯЗГО

1.4 Основные методы получения тонких сверхпроводниковых

пленок нитрида ниобия

Глава 2. Методика изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов и измерения их

характеристик

2.1 Получение тонких сверхпроводниковых пленок методом реактивного магнетронного распыления

2.1.1 Электрические характеристики разряда и эрозия мишени

2.1.2 Подложки, используемые для нанесения пленок КЬК

2.1.3 Измерение толщины получаемых пленок

2.2 Характеризация получаемых пленок КЬК

2.2.1 Измерение поверхностного сопротивления пленок

2.2.2 Измерение критической температуры, ширины перехода

и температурного коэффициента сопротивления пленок

2.3 Маршрут изготовления ЯЗГО

2.4 Первичное тестирование ЯЗГО в жидком гелии

Глава 3. Исследование возможности увеличения квантовой эффективности 88РВ путем повышения поверхностного сопротивления сверхпроводниковых

пленок

3.1 Увеличение воспроизводимости процесса получения пленок

3.1.1 Проверка равномерности получаемых пленок

3.1.2 Изменение вакуума вследствие дегазации камеры при нагреве

3.1.3 Предпроцессная очистка поверхности мишени и

стабилизация разряда

3.2 Влияние основных параметров процесса нанесения на поверхностное сопротивление и критическую температуру

пленок КЬК

3.2.1 Температуры нагрева подложек

3.2.2 Концентрация азота в газовой смеси

3.2.3 Контроль эрозии и скорости распыления мишени

3.3 Теоретическое и экспериментальное исследование влияния поверхностного сопротивления пленок на ток детектирования

ББРЭ

3.4 Исследование максимально достижимой внутренней квантовой эффективности ББРЭ на основе пленок КЬК и УК с варьируемыми значениями поверхностного сопротивления

Глава 4. Исследование квантовой эффективности 88РВ на основе разупорядоченных пленок NbN в диапазоне длин волн 1310 - 3000 нм

4.1 Системная квантовая эффективность ББРЭ на основе разупорядоченных пленок КЬК в ближнем-ИК диапазоне

4.2 Описание экспериментальной установки для исследования фотоотклика ББРЭ в среднем-ИК диапазоне

4.3 Исследование спектральной эффективности ББРЭ

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список публикаций автора

Список рисунков

Список таблиц

Приложение А. Изменение коэффициента наклона токовой

зависимости скорости распыления ниобиевой мишени в зависимости от ее ресурса

Приложение Б. Изменение скорости роста пленки при

изменении потока азота в камеру

Приложение В. Изменение скорости распыления от рабочего

давления в камере

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор среднего-ИК диапазона на основе пленок нитрида ниобия»

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD1) — современный класс однофотонных детекторов, работающий в видимом и ИК диапазонах и достигающий превосходных характеристик: >90 % системной квантовой эффективности и частоты ложных срабатываний <100 c-1 единовременно с временным разрешением порядка 30 пс и скоростью счета около 50 МГц [1]. Эти характеристики являются ключевыми для успешного внедрения этих устройств во множестве практических применений в области квантовых технологий [2]. Первая демонстрация работы SSPD состоялась в 2001 в Московском педагогическом государственном университете (МПГУ) [3]. Продемонстрированные еще тогда возможности этих устройств сделали их сильным кандидатом на замену привычным детекторам фотонов. Учитывая спектральные ограничения лавинных фотодиодов, а также низкое быстродействие фотоумножителей, сверхпроводниковые однофотонные детекторы являются единственной универсальной альтернативой, одновременно соответствующей всем возможным требованиям к детекторам одиночных фотонов на телекоммуникационных длинах волн [4]. Более того, в работах [5; 6] было показано, что частота их ложный срабатываний может снижаться до показателей <0.1 Гц, а фоточувствительность может наблюдаться и в среднем ИК-диапазоне, хоть и при квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов порядка 1 % [7—10].

Перечисленные преимущества SSPD привлекли к себе внимание в контексте реализации каналов оптической связи — как волоконной, так и в открытом пространстве. Например, в работе [11] была показана возможность передачи квантового ключа в криптографической системе со сверхпроводниковым одно-фотонным детектором. А в работе [12] было дано подробное описание системы связи Земля-Луна с использованием массива SSPD детекторов, обеспечивших скорость передачи данных до 622 Мбит/с. Среди иных значимых практических применений SSPD можно выделить проект PICA (Picosecond Imaging

*От англ. superconducting single-photon detectors. Также в литературе встречаются и расширенные аббревиатуры, например SNSPD (superconducting nanowire single-photon detector), SMSPD (superconducting microwire single photon-detector), WSSPD (waveguide superconducting single-photon detector) и др., учитывающие модификацию детектора — детектор на основе нано-, микрополоски, интегрированный в волновод и т.д.

Circuit Analysis), который в 2004 продемонстрировал возможность создания системы тестирования полупроводниковых микросхем на предмет их дефектов [13; 14]. Также в работе [15] была показана система SSPD LIDAR (Laser Imaging, Detection, And Ranging), работающая на длине волны 2.3 мкм и потенциально имеющая разрешение по глубине порядка 1 мм [16].

Чувствительным элементом в SSPD является сверхпроводящая пленка толщиной около 4 - 10 нм, структурированная в длинную полоску, которая формирует сенсель детектора. Прототипы матриц на основе SSPD с сотнями элементов были представлены в работах [17; 18], демонстрирующих два разных подхода к реализации таких устройств на основе двух различных материалов сверхпроводящих пленок. Важно заметить, что при всем многообразии материалов, в которых было продемонстрировано наличие сверхпроводящего состояния [19], сравнительно небольшое число подходит по своим параметрам для изготовления SSPD. Важнейшую роль в сверхпроводящих пленках, применяемых для изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов, играют явления разогрева, диффузии и релаксации электронов, а также их характерные времена [20]. В настоящее время основными категориями сверхпроводящих пленок, используемых для создания сверхпроводниковых однофотонных детекторов являются грязные и разупорядоченные материалы. В этих категориях можно выделить две основные группы: поликристаллические пленки нитридов переходных металлов (NbN, NbTiN, TiN, TaN, VN) и аморфные пленки на основе соединений с кремнием (WSi, MoSi). Помимо структуры, другой важной отличительной особенностью всех перечисленных материалов является температура перехода в сверхпроводящее состояние Тс. У силицида вольфрама и нитрида ниобия, двух наиболее востребованных для изготовления SSPD материалов, критическая температура отличается примерно в три раза. При этом, в работе [21] было показано, что механизм возникновения фотоотклика у WSi и NbN SSPD одинаков с точки зрения возникающих явлений и их последовательности, но имеет различные характерные времена и масштабы, влияющие на быстродействие и эффективность устройств.

Критическая температура пленок может заметно влиять на функциональность детекторов. SSPD на основе WSi требуют охлаждения до рабочих температур 300 - 700 мК, в то время как NbN SSPD работают при температурах 0.9 - 2.5 К, обеспечиваемых компактными рефрижераторами замкнутого цикла, что упрощает внедрение последних в экспериментальные схемы и гото-

вые решения. Однако, низкое значение Тс может играть на руку при разработке устройств для среднего ИК-диапазона — малые энергии фотонов будут производить более вероятное нарушение сверхпроводящего состояния в системе с меньшим значением щели А = 1.76квТс. Тем самым, с одной стороны, материалы с низкой величиной щели упрощают продвижение устройств вглубь ИК диапазона, а с другой — усложняют и удорожают применение таких систем на практике. Однако, решающим фактором для большинства практических применений помимо квантовой эффективности является быстродействие. В силу времени термализации электронов в пленках WSi, а также низким рабочим током детекторов на их основе, WSi SSPD не обладают ни высоким временным разрешением, ни высокой скоростью счета при том факте, что их чувствительность в среднем ИК-диапазоне достаточно высока [22]. Именно данный факт обуславливает преимущество пленок нитрида ниобия в качестве основы для изготовления практических быстрых и эффективных однофотонных детекторов.

Продвижение однофотонных детекторов в длинноволновую область ИК-диапазона сегодня является важной научной задачей, решение которой может дать существенный прогресс в создании и совершенствовании коммуникационных систем в открытом пространстве, технологии ЬГОЛК, а также методик медицинской визуализации [23—25]. В случае SSPD, расширение рабочего диапазона является одним из основных направлений развития данной технологии, поскольку проблема резкого падения квантовой эффективности в среднем ИК-диапазоне остается нерешенной. При уменьшении энергии фотонов вероятность срабатывания сверхпроводникового однофотонного детектора заметно снижается вплоть до отметок в единицы процентов и ниже [8; 9]. При этом, решение данной проблемы не должно существенным образом затрагивать быстродействие сверхпроводниковых однофотонных детекторов, представляющее большую практическую значимость [16; 26]. Потому необходимо исследовать возможность использования сверхпроводящих пленок нитрида ниобия, демонстрирующих превосходство перед аморфными пленками силицида вольфрама с точки зрения быстродействия, в качестве материала для изготовления SSPD с увеличенной квантовой эффективностью детектирования на длинах волн среднего ИК-диапазона [2; 21]. Квантовая эффективность SSPD, согласно модели, представленной в работах [27—30], определяется особенностями используемого в детекторе материала сверхпроводящей пленки, такими как поверхностное сопротивление в нормальном состоянии (Я3), критическая температура пере-

хода в сверхпроводящее состояние (Тс), коэффициент диффузии квазичастиц (Д). Экспериментальное исследование влияния перечисленных характеристик на квантовую эффективность возможно путем подстройки параметров процесса получения пленок и предварительно было изучено для КЬК ББРЭ в работах [31; 32]. Недостатком указанных исследований являлся узкий диапазон варьирования параметров процесса и свойств пленок (в частности поверхностного сопротивления), что вероятно повлияло на низкие величины квантовой эффективности в приводимых результатах.

Помимо изменения параметров уже применяемых в области ББРЭ материалов сверхпроводниковых пленок, актуален также и поиск новых материалов. Одним из таких материалов может являться нитрид ванадия, имеющий схожую с нитридом ниобия поликристаллическую структуру и сравнительно высокое по сравнению с силицидом вольфрама значение критической температуры, достигающее 9.1 К [33; 34]. Схожий коэффициент диффузии материала при более низком значении щели указывает на возможное преимущество нитрида ванадия перед нитридом ниобия [35]. Эта гипотеза требует экспериментального исследования и сравнения выходных характеристик КЬК и УК ББРЭ.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что хотя сверхпроводниковые однофотонные детекторы и обладают потенциалом для расширения диапазона работы в область среднего-ИК, в настоящее время это возможно только за счет потери либо их квантовой эффективности, либо быстродействия. Поэтому целью данной работы является исследование возможности разработки детекторов одиночных фотонов, единовременно демонстрирующих высокую скорость счета, временное разрешение и квантовую эффективность на длинах волн от видимого и до среднего ИК-диапазона (0.7 - 3 мкм). Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать взаимосвязь между квантовой эффективностью ББРЭ и степенью разупорядоченности исходных сверхпроводниковых пленок КЬК.

2. Изучить процесс реактивного магнетронного распыления с целью выявления взаимосвязи между основными параметрами процесса нанесения пленок КЬК (времени нанесения, температуры подложки, рабочего давления, концентрации азота в газовой смеси, тока магнетрона), характеристиками получаемых сверхтонких пленок (Я8 ,ТС) и

характеристиками SSPD (квантовой эффективностью, скоростью счета, джиттером).

3. Исследовать причины, влияющие на воспроизводимость процесса получения сверхтонких пленок КЬК методом реактивного магнетронного распыления.

4. В диапазоне длин волн 1.3-3 мкм исследовать токовые зависимости спектральной квантовой эффективности сверхпроводниковых однофотонных детекторов, изготовленных из пленок нитрида ниобия с различным поверхностным сопротивлением.

5. Получить сверхпроводниковые пленки нитрида ниобия, позволяющие изготавливать SSPD с высокими значениями квантовой эффективности ^ 80% на длине волны 1.3 мкм и ^ 50% на длинах волн 2-3 мкм при температуре 2.2 К.

6. Исследовать возможность применения отработанного процесса нанесения для получения пленок нитрида ванадия (УК) с целью их применения в сверхпроводниковых однофотонных детекторах.

7. Изучить квантовую эффективность детекторов, изготовленных из получаемых пленок УК и КЬК, имеющих различные значения поверхностного сопротивления и критической температуры.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработана методика увеличения квантовой эффективности сверхпроводникового однофотонного детектора, которая отличается от известных применением разупорядоченных пленок нитрида ниобия и позволяющая одновременно сохранять высокое быстродействие устройств.

2. Впервые получен однофотонный детектор, демонстрирующий высокую величину квантовой эффективности детектирования в среднем ИК-диа-пазоне в 41 % и одновременно обладающий высоким быстродействием, обусловленным низким мертвым временем в 20 нс и временным разрешением в 59 пс.

3. Впервые продемонстрирована статистика, включающая более чем 800 нанесенных пленок нитрида ниобия и 120 пленок нитрида ванадия, демонстрирующая взаимосвязь их поверхностного сопротивления в нормальном состоянии и критической температуры перехода в сверх-

проводящее состояние в широком диапазоне их значений (0.02- 6.1 кОм/квадрат и 14 - 1.7 К соответственно).

4. Впервые получены разупорядоченные пленки нитрида ниобия, сохраняющие высокую критическую температуру в 7.8 К при поверхностном сопротивлении в нормальном состоянии равном 1.2 кОм/квадрат.

5. Исследованы зависимости квантовой эффективности от тока смещения УК и КЬК ББРЭ, изготовленных из пленок с различными значениями поверхностного сопротивления. Получено систематическое улучшение квантовой эффективности детекторов при увеличении поверхностного сопротивления исходных пленок.

6. ББРЭ на основе разупорядоченной пленки КЬК с поверхностным сопротивлением 0.8 кОм/квадрат (Тс = 8.1 К), интегрированные в оптический резонатор, достигают системной квантовой эффективности 94 % на длине волны 1.3 мкм при рабочей температуре 2.2 К, ширине полоски 100 нм и токе смещения 0.85/с. Временное разрешение составило 52 пс, а мертвое время 11 нс.

7. ББРЭ на основе разупорядоченной пленки КЬК с поверхностным сопротивлением 1.2 кОм/квадрат (Тс = 7.8 К), интегрированные в оптический резонатор, достигают системной квантовой эффективности 92 % на длине волны 1.55 мкм при рабочей температуре 2.2 К, ширине полоски 100 нм и токе смещения 0.85/с. Временное разрешение составило 59 пс. При температуре 2.8 К внутренняя квантовая эффективность детектора на основе данной пленки составила 74 и 41 % на длинах волн 2 и 3 мкм соответственно.

Практическая значимость работы заключается в проведении систематического исследования корреляции между параметрами нанесения и свойствами сверхпроводниковых пленок КЬК и УК, а также характеристиками детекторов на их основе; разработке воспроизводимого маршрута получения сверхтонких пленок КЬК, подходящих для создания высокоэффективных детекторов фотонов видимого, ближнего и среднего ИК-диапазонов, работающих при температуре 2.2 К и сохраняющих одновременно с эффективностью свое быстродействие. Полученные результаты активно используются в системах детектирования, разрабатываемых и реализуемых компанией ООО «Сверхпроводниковые Нанотехнологии» (СКОНТЕЛ), что обосновывает успешный результат внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При нанесении на кремниевые и нитрид-кремниевые подложки методом реактивного магнетронного распыления сверхтонких пленок нитрида ниобия с поверхностным сопротивлением более 200 Ом/квадрат достижение наивысших значений критических температур перехода в свехпроводящее состояние происходит при температурах нагрева подложки 300 - 600 °С, концентрации азота в газовой смеси 20 - 22 %, рабочем давлении аргона 3 мТорр и скорости роста пленки 0.7 А/с.

2. Увеличение поверхностного сопротивления исходной пленки КЬК с 0.3 до 1.2 кОм/квадрат (при сопутствующем изменении критической температуры с 10.7 до 7.8 К) ведет к приросту внутренней квантовой эффективности SSPD с 18 до 97 % на длине волны 1.5 мкм при рабочей температуре 2.2 К, ширине полоски 100 нм и токе смещения детектора 0.91С.

3. Повышение поверхностного сопротивления исходных пленок КЬК до 1.2 кОм/квадрат (при Тс = 7.8 К) способствует увеличению квантовой эффективности SSPD в среднем ИК-диапазоне, достигающей 41 % на длине волны 3 мкм при рабочей температуре 2.8 К, ширине полоски 100 нм и токе смещения детектора 0.9/с. Расчетное значение квантовой эффективности увеличивается до 90 % при охлаждении детектора до температуры 2.2 К.

4. SSPD на основе пленок нитрида ванадия с поверхностным сопротивлением 0.17 кОм/квадрат и критической температурой 5.5 К не достигают насыщения внутренней квантовой эффективности на длине волны 1.3 мкм при рабочей температуре 1.7 К, ширине полоски 100 нм и токе смещения детектора 0.9/с, и тем самым уступают в квантовой эффективности сверхпроводниковым однофотонным детекторам на основе пленок нитрида ниобия с поверхностным сопротивлением 0.7 кОм/квадрат и критической температурой 9.5 К.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием поверенных экспериментальных методик, применяющихся в лаборатории квантовых детекторов МПГУ и ООО «Сконтел», согласием полученных результатов с данными схожих более поздних исследований, проведенных в других лидирующих научных центрах, а также созданием приборов на основе предложенных

подходов к достижению высокой эффективности сверхпроводниковых однофо-тонных детекторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

1. «Микро-, нанотехнологии и их применения», г. Черноголовка, Московская область, Россия, 24-27 ноября 2014. Доклад «Исследование SSPD приемника, оптимизированного под работу в диапазоне длин волн от 700 до 1200 нм»;

2. Third International Conference on Quantum Technologies (ICQT 2015), Москва, Россия, 13-17 июля 2015 г. Доклад «Capability investigation of superconductive single-photon detectors optimized for 800 - 1200 nm spectrum range»;

3. 6-я Международная конференция по фотонике и информационной оптике. Москва, Россия, 3-5 февраля 2016 г. Доклад «Разработка технологии создания резонаторных структур для увеличения квантовой эффективности NbN детекторов ИК-фотонов»;

4. Superconductors-based sensors and quantum technologies workshop, Москва, Россия, 18-21 апреля 2016 г. Доклад «High-efficiency singlephoton detectors based on NbN films»;

5. Микро- нанотехнологии и их применение. г. Черноголовка, Московская область, Россия, 6-10 февраля 2017 г. Доклад «Сверхпроводниковый детектор ИК диапазона с возможностью определения числа фотонов в коротком импульсе излучения»;

6. 4th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures «Saint Petersburg OPEN 2017», Санкт-Петербург, Россия, 3-6 апреля, 2017 г. Доклад «Development of fast and high-effective single-photon detector for spectrum range up to 2.3 ym»;

7. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2017», Москва, Россия, 10-14 апреля 2017 г. Доклад «Сверхпроводниковый детектор одиночных фотонов со входной полосой оптического излучения до 2.3 мкм»;

8. Fourth International Conference on Quantum Technologies ICQT 2017 Москва, Россия, 12-17 июля 2017 г. Доклад «Photon-Number-Resolving SSPDs with system detection efficiency over 60

9. VII Международная Конференция по Фотонике и Информационной Оптике, Москва, Россия, 24-26 января 2018. Доклад «Применение тонких

сверхпроводниковых пленок нитрида ванадия для изготовления счетчиков одиночных ИК фотонов»;

10. 5th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2018, Санкт-Петербург, Россия, 2-5 апреля 2018 г. Доклад «Influence of sputtering parameters on the main characteristics of ultra-thin vanadium nitride films»;

11. Ежегодная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В.Арменского, Москва, Россия, 18-28 февраля 2019 г. Доклад «Особенности осаждения разупо-рядоченных сверхтонких плёнок нитрида ванадия»;

12. Interaction between Radiation and Quantum matter IRQ 2019, Москва, Россия, 2-5 июля 2019 г. Доклад «Vanadium nitride - a promising material for superconducting nanodevices»;

13. 3rd International Symposium on "Single Photon based Quantum Technologies", 15-17 сентября 2020 г., виртуальная. Доклад «Near-unity photon detection with ultra-low dark count rate at telecom c-band range»;

14. Applied Superconductivity Conference 2020, 23 Октября - 7 ноября 2020 г., виртуальная. Доклад «A comparison of VN and NbN thin film properties towards optimal SNSPD efficiency».

Личный вклад. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованных работах, выполненных автором лично или в соавторстве с коллегами. Личный вклад автора включал постановку задач, нанесение пленок и последующее измерение их основных параметров, адаптацию процесса реактивного магне-тронного распыления для получения пленок с высокими значениями поверхностных сопротивлений и критических температур, измерение спектральной эффективности изготавливаемых детекторов, участие в обсуждении и анализе полученных данных, а также подготовку научных статей. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 5 печатных изданиях, индексируемых Web of Science и Scopus.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений. Полный объём диссертации составляет 115 стра-

ниц, включая 46 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования.

Во введении сформулирована цель и поставлены задачи диссертационного исследования, обусловлена его актуальность и новизна, представлены защищаемые положения, описана практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор литературы по сверхпроводниковым однофотонным детекторам, описаны теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию эффекта однофотонного детектирования в сверхпроводниковых наноструктурах; рассмотрены основные методики получения тонких пленок.

Во второй главе представлены маршруты нанесения тонких пленок и изготовления сверхпроводниковых однофотонных детекторов, описаны экспериментальные установки для их первичного тестирования.

Третья глава посвящена изучению влияния различных параметров процесса реактивного магнетронного распыления на параметры выходных пленок нитрида ниобия. Также в главе описано теоретическое и экспериментальное исследование возможности увеличения квантовой эффективности ББРЭ путем применения разупорядоченных пленок с различным значением поверхностного сопротивления и критической температуры.

В четвертой главе приведена методика эксперимента по изучению спектральной квантовой эффективности КЬК ББРЭ. Продемонстрированы максимальные достигаемые значения системной квантовой эффективности изготовленных детекторов на телекоммуникационных длинах волн. Описано исследование квантовой эффективность на длинах волн, относящихся к ближнему и среднему ИК-диапазонам; показано существенное увеличение квантовой эффективности ББРЭ в среднем ИК-диапазоне при использовании исходных пленок с поверхностным сопротивлением более 1 кОм/квадрат.

В заключении приведены результаты работы и сделаны выводы проведенного исследования.

Приложения содержат вспомогательные данные по математическому описанию процесса реактивного магнетронного распыления пленок КЬК, полученные на основе экспериментальных данных.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Золотов Филипп Игоревич

Основные результаты работы:

1. Подробно изучено комплексное влияние параметров процесса нанесения сверхтонких пленок нитрида ниобия и нитрида ванадия. Выявлены комбинации параметров, обеспечивающие наивысшие значения критической температуры пленок при варьировании их поверхностного сопротивления.

2. На основе полученных пленок были изготовлены сверхпроводниковые однофотонные детекторы, демонстрирующие вероятность регистрации фотонов телекоммуникационных длин волн ИК-диапазона (1.31 и 1.55 мкм), превышающую 90 %. Одновременно с близкой к предельной системной квантовой эффективностью детекторы также демонстрируют высокое быстродействие, выражающееся мертвым временем менее 20 нс и временным разрешением 50 - 60 пс.

3. Показано, что пленки нитрида ниобия с поверхностным сопротивлением 1.2 кОм/квадрат и критической температурой 7.8 К достигают

внутренней квантовой эффективности, равной 41 % на длине волны 3 мкм при рабочей температуре 2.8 К.

4. Получено, что увеличение поверхностного сопротивления пленок нитрида ниобия и нитрида ванадия (с сопутствующим падением критической температуры пленок) систематически приводит к увеличению внутренней квантовой эффективности SSPD при фиксированных значениях ширины полоски и рабочей температуры.

Представленное исследование является результатом многолетней работы в коллективах компании Сконтел и Проблемной радиофизической лаборатории (ПРФЛ) Института физики, технологии и информационных систем (ИФТИС) Московского педагогического государственного университета (МПГУ). Без всесторонней помощи сотрудников двух коллективов данная работа была бы невозможна, поэтому я хочу выразить глубокую благодарность своим коллегам и отметить особый вклад Гольцмана Григория Наумовича за создание и многолетнее руководство уникальной образовательной и научной средой, в которой была выполнена работа, Дивочего Александра Валерьевича за наставничество и разностороннюю поддержку, Ожегова Романа Викторовича и Селезнёва Виталия Александровича за их разноплановую помощь и советы, Смирнова Константина Владимировича и Вахтомина Юрия Борисовича за предоставленные возможности и оказанное содействие на начальных этапах работы в компании, Клапвика Теуниса Мартиена и Семенова Александра Владимировича за активную помощь и участие в проведенных исследованиях, вошедших в последние главы моей диссертации. Отдельно хочется сказать спасибо моим близким за их роль в столь удивительном периоде моей жизни.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Золотов Филипп Игоревич, 2022 год

Список литературы

1. Superconducting nanowire single-photon detectors: A perspective on evolution, state-of-the-art, future developments, and applications / I. Esmaeil Zadeh [h gp.] // Applied Physics Letters. — 2021. — T. 118, № 19. — C. 190502.

2. Holzman, I. Quantum materials for nanoscale quantum sensors: opportunities and challenges in superconducting nanowire single photon detectors / I. Holzman, Y. Ivry // arXiv preprint arXiv:1807.09060. — 2018.

3. Picosecond superconducting single-photon optical detector / G. Gol'tsman [h gp.] // Applied physics letters. — 2001. — T. 79, № 6. — C. 705—707.

4. Hadfield, R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications / R. H. Hadfield // Nature photonics. — 2009. — T. 3, № 12. — C. 696—705.

5. Single-photon detection system for quantum optics applications / A. Korneev [h gp.] // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. — 2007. — T. 13, № 4. — C. 944—951.

6. Nano-structured superconducting single-photon detectors / G. Goltsman [h gp.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2004. — T. 520, № 1—3. — C. 527—529.

7. Middle-infrared to visible-light ultrafast superconducting single-photon detectors / G. Gol'Tsman [h gp.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2007. — T. 17, № 2. — C. 246—251.

8. Spectral dependency of superconducting single photon detectors / L. Maingault [h gp.]. — 2010.

9. Efficient single photon detection from 500 nm to 5 |am wavelength / F. Marsili [h gp.] // Nano letters. — 2012. — T. 12, № 9. — C. 4799—4804.

10. Single photon detection system for visible and infrared spectrum range / A. Divochiy [h gp.] // Optics Letters. — 2018. — T. 43, № 24. — C. 6085—6088.

11. Quantum key distribution over 300 / R. Ozhegov [h gp.] // International Conference on Micro-and Nano-Electronics 2014. T. 9440. — International Society for Optics, Photonics. 2014. — 94401F.

12. A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon / M. Grein [h gp.] // SPIE Newsroom. — 2015. — T. 9.

13. Vallett, D. Picosecond imaging circuit analysis, PICA / D. Vallett // Proc. Microelectronics Failure Analysis Desk Reference. — 2004. — C. 292—300.

14. Stellari, F. Testing of Ultra Low Voltage VLSI Chips using the Superconducting Single-Photon Detector (SSPD). / F. Stellari, P. Song // Microelectron. Reliab. — 2004. — T. 44, № 9—11. — C. 1663—1668.

15. Photon counting LIDAR at 2.3 |am wavelength with superconducting nanowires / G. G. Taylor [h gp.] // Optics Express. — 2019. — T. 27, № 26. — C. 38147—38158.

16. Demonstration of sub-3 ps temporal resolution with a superconducting nanowire single-photon detector / B. Korzh [h gp.] // Nature Photonics. — 2020. — T. 14, № 4. — C. 250—255.

17. Single-photon imager based on a superconducting nanowire delay line / Q.-Y. Zhao [h gp.] // Nature Photonics. — 2017. — T. 11, № 4. — C. 247—251.

18. Kilopixel array of superconducting nanowire single-photon detectors / E. E. Wollman [h gp.] // Optics express. — 2019. — T. 27, № 24. — C. 35279—35289.

19. Rogalla, H. 100 years of superconductivity / H. Rogalla, P. H. Kes. — Taylor & Francis, 2011.

20. Semenov, A. D. Superconducting nanostrip single-photon detectors some fundamental aspects in detection mechanism, technology and performance / A. D. Semenov // Superconductor Science and Technology. — 2021. — T. 34, № 5. — C. 054002.

21. Gaudio, R. Investigation of the detection process in nanowire superconducting single photon detectors : guc. ... KaHg. / Gaudio R. — TUE, 2015.

22. Single-photon detection in the mid-infrared up to 10 m wavelength using tungsten silicide superconducting nanowire detectors / V. Verma [h gp.] // APL Photonics. — 2021. — T. 6, № 5. — C. 056101.

23. Quantum cascade lasers and the Kruse model in free space optical communication / P. Corrigan [h gp.] // Opt. Express. — 2009. — MapT. — T. 17, № 6. — C. 4355—4359. — URL: http://opg.optica.org/oe/abstract. cfm?URI=oe-17-6-4355.

24. Noninvasive, in vivo rodent brain optical coherence tomography at 2.1 microns / J. Zhu [h gp.] // Optics letters. — 2019. — T. 44, № 17. —

C. 4147—4150.

25. Artificial neural network in predicting cancer based on infrared spectroscopy / Y. Cohen [h gp.] // International Conference on Intelligent Decision Technologies. — Springer. 2020. — C. 141—153.

26. Ultrafast time measurements by time-correlated single photon counting coupled with superconducting single photon detector / V. Shcheslavskiy [h gp.] // Review of scientific instruments. — 2016. — T. 87, № 5. — C. 053117.

27. Zotova, A. Intrinsic detection efficiency of superconducting nanowire single photon detector in the modified hot spot model / A. Zotova,

D. Y. Vodolazov // Superconductor Science and Technology. — 2014. — T. 27, № 12. — C. 125001.

28. Vortex-assisted mechanism of photon counting in a superconducting nanowire single-photon detector revealed by external magnetic field / D. Y. Vodolazov [h gp.] // Physical Review B. — 2015. — T. 92, № 10. — C. 104503.

29. Vodolazov, D. Y. Single-photon detection by a dirty current-carrying superconducting strip based on the kinetic-equation approach / D. Y. Vodolazov // Physical Review Applied. — 2017. — T. 7, № 3. — C. 034014.

30. Wordenweber, R. Superconductors at the Nanoscale: From Basic Research to Applications / R. Wordenweber. — de Gruyter, 2017.

31. Broadening of hot-spot response spectrum of superconducting NbN nanowire single-photon detector with reduced nitrogen content / D. Henrich [h gp.] // Journal of Applied Physics. — 2012. — T. 112, № 7. — C. 074511.

32. High quality superconducting NbN thin films on GaAs / F. Marsili [h gp.] // Superconductor Science and Technology. — 2009. — T. 22, № 9. — C. 095013.

33. Superconducting and normal-state properties of vanadium nitride / B. Zhao [h gp.] // Physical Review B. — 1984. — T. 29, № 11. — C. 6198.

34. Properties of superconducting vanadium nitride sputtered films / J. Zasadzinski [h gp.] // Physical Review B. — 1985. — T. 32, № 5. — C. 2929.

35. Electron diffusivity measurements of VN superconducting single-photon detectors / N. Romanov [h gp.] // Journal of Physics: Conference Series. T. 1124. — IOP Publishing. 2018. — C. 051032.

36. Vortex-based single-photon response in nanostructured superconducting detectors / A. D. Semenov [h gp.] // Physica C: Superconductivity and its applications. — 2008. — T. 468, № 7—10. — C. 627—630.

37. Bulaevskii, L. N. Vortex-assisted photon counts and their magnetic field dependence in single-photon superconducting detectors / L. N. Bulaevskii, M. J. Graf, V. G. Kogan // Physical Review B. — 2012. — T. 85, № 1. — C. 014505.

38. Bardeen, J. Microscopic theory of superconductivity / J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer // Physical Review. — 1957. — T. 106, № 1. — C. 162.

39. Anderson, P. W. Theory of dirty superconductors / P. W. Anderson // Journal of Physics and Chemistry of Solids. — 1959. — T. 11, № 1/2. — C. 26—30.

40. Ramakrishnan, T. Chance and Matter, J. Souletie, J. Vannimenus and R. Stora Eds / T. Ramakrishnan. — 1987.

41. Ma, M. Localized superconductors / M. Ma, P. A. Lee // Physical Review B. — 1985. — T. 32, № 9. — C. 5658.

42. Sacepe, B. Quantum breakdown of superconductivity in low-dimensional materials / B. Sacepe, M. Feigel'man, T. M. Klapwijk // Nature Physics. — 2020. — T. 16, № 7. — C. 734—746.

43. Disorder-induced inhomogeneities of the superconducting state close to the superconductor-insulator transition / B. Sacepe [h gp.] // Physical review letters. — 2008. — T. 101, № 15. — C. 157006.

44. Localized superconductivity in the quantum-critical region of the disorder-driven superconductor-insulator transition in TiN thin films / T. I. Baturina [h gp.] // Physical review letters. — 2007. — T. 99, № 25. — C. 257003.

45. Pseudogap in a thin film of a conventional superconductor / B. Sacepe [h gp.] // Nature Communications. — 2010. — T. 1, № 1. — C. 1—6.

46. Haviland, D. Onset of superconductivity in the two-dimensional limit / D. Haviland, Y. Liu, A. Goldman // Physical Review Letters. — 1989. — T. 62, № 18. — C. 2180.

47. Phase fluctuations in a strongly disordered s-wave NbN superconductor close to the metal-insulator transition / M. Mondal [h gp.] // Physical review letters. — 2011. — T. 106, № 4. — C. 047001.

48. Superconducting properties and Hall effect of epitaxial NbN thin films / S. Chockalingam [h gp.] // Physical Review B. — 2008. — T. 77, № 21. — C. 214503.

49. Clem, J. R. Kinetic impedance and depairing in thin and narrow superconducting films / J. R. Clem, V. Kogan // Physical Review B. — 2012. — T. 86, № 17. — C. 174521.

50. Optical single-photon detection in micrometer-scale NbN bridges / Y. P. Korneeva [h gp.] // Physical Review Applied. — 2018. — T. 9, № 6. — C. 064037.

51. Spectral cut-off in the efficiency of the resistive state formation caused by absorption of a single-photon in current-carrying superconducting nano-strips / A. Semenov [h gp.] // The European Physical Journal B-Condensed Matter and Complex Systems. — 2005. — T. 47, № 4. — C. 495—501.

52. Semenov, A. D. Quantum detection by current carrying superconducting film / A. D. Semenov, G. N. Goltsman, A. A. Korneev // Physica C: Superconductivity. — 2001. — T. 351, № 4. — C. 349—356.

53. Experimental test of theories of the detection mechanism in a nanowire superconducting single photon detector / J. Renema [h gp.] // Physical review letters. — 2014. — T. 112, № 11. — C. 117604.

54. Temperature-dependence of detection efficiency in NbN and TaN SNSPD / A. Engel [h gp.] // IEEE transactions on applied superconductivity. — 2013. — T. 23, № 3. — C. 2300505—2300505.

55. Detection efficiency of large-active-area NbN single-photon superconducting detectors in the ultraviolet to near-infrared range / A. Verevkin [h gp.] // Applied Physics Letters. — 2002. — T. 80, № 25. — C. 4687—4689.

56. Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating / K. M. Rosfjord [h gp.] // Optics express. — 2006. — T. 14, № 2. — C. 527—534.

57. Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source / S. Khasminskaya [h gp.] // Nature Photonics. — 2016. — T. 10, № 11. — C. 727—732.

58. Superconducting nanowire single-photon detectors with 98% system detection efficiency at 1550 nm / D. V. Reddy [h gp.] // Optica. — 2020. — T. 7, № 12. — C. 1649—1653.

59. Constriction-limited detection efficiency of superconducting nanowire singlephoton detectors / A. J. Kerman [h gp.] // Applied Physics Letters. — 2007. — T. 90, № 10. — C. 101110.

60. NbN single-photon detectors with saturated dependence of quantum efficiency / K. Smirnov [h gp.] // Superconductor Science and Technology. — 2018. — T. 31, № 3. — C. 035011.

61. Dependence of Photon Detection Efficiency on Normal-State Sheet Resistance in Marginally Superconducting Films of NbN / P. Zolotov [h gp.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2021. — C. 1—1.

62. Intrinsic detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors with different thicknesses / M. Hofherr [h gp.] // Journal of Applied Physics. — 2010. — T. 108, № 1. — C. 014507.

63. Fabrication and test of superconducting single photon detectors / R. Leoni [h gp.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2006. — T. 559, № 2. — C. 564—566.

64. Dependence of dark count rates in superconducting single photon detectors on the filtering effect of standard single mode optical fibers / K. Smirnov [h gp.] // Applied Physics Express. — 2015. — T. 8, № 2. — C. 022501.

65. Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters / A. J. Kerman [h gp.] // Applied physics letters. — 2006. — T. 88, № 11. — C. 111116.

66. On-chip coherent detection with quantum limited sensitivity / V. Kovalyuk [h gp.] // Scientific reports. — 2017. — T. 7, № 1. — C. 1—9.

67. Single-photon detectors combining high efficiency, high detection rates, and ultra-high timing resolution / I. Esmaeil Zadeh [и др.] // Apl Photonics. —

2017. — Т. 2, № 11. — С. 111301.

68. InGaAs-GaAs nanowire avalanche photodiodes toward single-photon detection in free-running mode / A. C. Farrell [и др.] // Nano letters. —

2018. — Т. 19, № 1. — С. 582—590.

69. Timing jitter in NbN superconducting microstrip single-photon detector / D. Y. Vodolazov [и др.] // Physical Review Applied. — 2020. — Т. 14, № 4. — С. 044041.

70. Superconducting nanowire detector jitter limited by detector geometry / N. Calandri [и др.] // Applied Physics Letters. — 2016. — Т. 109, № 15. — С. 152601.

71. Sidorova, M. Timing Jitter and Electron-Phonon Interaction in Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) : дис. ... канд. / Sidorova Mariia. — 2020.

72. Corrosion resistance of CrN/NbN superlattice coatings grown by various physical vapour deposition techniques / P. E. Hovsepian [и др.] // Thin Solid Films. — 2005. — Т. 488, № 1/2. — С. 1—8.

73. Effects of intermediate zinc pulses on properties of TiN and NbN films deposited by atomic layer epitaxy / M. Ritala [и др.] // Applied Surface Science. — 1997. — Т. 120, № 3/4. — С. 199—212.

74. Cheng, R. Superconducting nanowire single photon detectors fabricated from atomic layer deposited NbN / R. Cheng, S. Wang, H. X. Tang // Applied Physics Letters. — 2019. — Т. 115, № 24. — С. 241101.

75. Воронов, Б. Промышленное использование метода реактивного магне-тронного нанесения. / Б. Воронов, Л. Сейдман // Электронная промышленность. — 1986. — № 4. — С. 17.

76. Kukla, R. Magnetron sputtering on large scale substrates: an overview on the state of the art / R. Kukla // Surface and Coatings Technology. — 1997. — Т. 93, № 1. — С. 1—6.

77. Synthesis and mechanical characterization of a CuMoTaWV high-entropy film by magnetron sputtering / S. Alvi [и др.] // ACS applied materials & interfaces. — 2020. — Т. 12, № 18. — С. 21070—21079.

78. Antireflective coatings on large scale substrates produced by reactive twin-magnetron sputtering / J. Szczyrbowski [и др.] // Journal of Non-Crystalline Solids. — 1997. — Т. 218. — С. 25—29.

79. Kelly, P. J. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications / P. J. Kelly, R. D. Arnell // Vacuum. — 2000. — Т. 56, № 3. — С. 159—172.

80. Watte, M. M. Sputtering Sources / M. M. Waite, S. Shah, D. Glocker // SVC Bulletin, No. Spring. — 2010. — Т. 2010. — С. 42—50.

81. Thornton, J. A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings / J. A. Thornton // Journal of Vacuum Science and Technology. — 1974. — Т. 11, № 4. — С. 666—670.

82. Berg, S. Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes / S. Berg, T. Nyberg // Thin solid films. — 2005. — Т. 476, № 2. —

C. 215—230.

83. Берлин, Е. В. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением / Е. В. Берлин, Л. А. Сейдман. — 2014.

84. Depla, D. The role of the erosion groove during reactive sputter deposition /

D. Depla, K. Strijckmans, R. De Gryse // Surface and Coatings Technology. — 2014. — Т. 258. — С. 1011—1015.

85. Native oxide on ultra-thin NbN films / A. Lubenchenko [и др.] // ISSTT 2019-30th International Symposium on Space Terahertz Technology, Proceedings Book. — 2019. — С. 95—98.

86. Superconductivity Behavior in Epitaxial Ti N Films Points to Surface Magnetic Disorder / N. Saveskul [и др.] // Physical Review Applied. — 2019. — Т. 12, № 5. — С. 054001.

87. Osilla Sheet Resistance Measurements of Thin Films. — https://www.ossila. com/pages/sheet-resistance-measurements-thin-films.

88. Smits, F. Measurement of sheet resistivities with the four-point probe / F. Smits // Bell System Technical Journal. — 1958. — Т. 37, № 3. — С. 711—718.

89. AJA International System types. — https://www.ajaint.com/.

90. Comparison of some coating techniques to fabricate barrier layers on packaging materials / T. Hirvikorpi [и др.] // Thin Solid Films. — 2010. — Т. 518, № 19. — С. 5463—5466.

91. Marsili, F. Single-photon and photon-number-resolving detectors based on superconducting nanowires : дис. ... канд. / Marsili Francesco. — EPFL, 2009.

92. Benkahoul, M. Niobium nitride based thin films deposited by DC reactive magnetron sputtering : дис. ... канд. / Benkahoul Moushab. — EPFL, 2005.

93. Finkel'Stein, A. Suppression of superconductivity in homogeneously disordered systems / A. Finkel'Stein // Physica B: Condensed Matter. — 1994. — Т. 197, № 1—4. — С. 636—648.

94. McMillan, W. Tunneling model of the superconducting proximity effect / W. McMillan // Physical Review. — 1968. — Т. 175, № 2. — С. 537.

95. Dependence of magnetic penetration depth on the thickness of superconducting Nb thin films / A. Gubin [и др.] // Physical Review B. — 2005. — Т. 72, № 6. — С. 064503.

96. Superconductor-insulator transition in NbTiN films / M. Burdastyh [и др.] // JETP Letters. — 2017. — Т. 106, № 11. — С. 749—753.

97. Universal scaling of the critical temperature for thin films near the superconducting-to-insulating transition / Y. Ivry [и др.] // Physical Review B. — 2014. — Т. 90, № 21. — С. 214515.

98. Thornton, J. A. The microstructure of sputter-deposited coatings / J. A. Thornton // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 1986. — Т. 4, № 6. — С. 3059—3065.

99. Thermal properties of NbN single-photon detectors / E. Baeva [и др.] // Physical Review Applied. — 2018. — Т. 10, № 6. — С. 064063.

100. A Comparison of VN and NbN Thin Films Towards Optimal SNSPD Efficiency / P. Zolotov [и др.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2021. — Т. 31, № 5. — С. 1—4.

101. Larouche, S. OpenFilters: open-source software for the design, optimization, and synthesis of optical filters / S. Larouche, L. Martinu // Applied optics. — 2008. — Т. 47, № 13. — С. C219—C230.

102. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency / F. Marsili [h gp.] // Nature Photonics. — 2013. — T. 7, № 3. — C. 210—214.

103. NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature / W. Zhang [h gp.] // Science China Physics, Mechanics & Astronomy. — 2017. — T. 60, № 12. — C. 1—10.

104. Recent advances in superconducting nanowire single-photon detector technology for exoplanet transit spectroscopy in the mid-infrared / E. E. Wollman [h gp.] // Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems. — 2021. — T. 7, № 1. — C. 011004.

Список публикаций автора

Список опубликованных статей, отражающих основные результаты диссертации и опубликованных в рецензируемых научных изданиях, входящих в международные системы цитирования Scopus и WoS:

A1. Korneeva, Y.P., Manova, N.N., Dryazgov, M.A., Simonov, N.O., Zolotov, P.I. and Korneev, A.A., 2021. Influence of sheet resistance and strip width on the detection efficiency saturation in micron-wide superconducting strips and large-area meanders. Superconductor Science and Technology, 34(8), p.084001. Q1. Авторский вклад 20 %.

A2. Zolotov, P., Semenov, A., Divochiy, A. and Goltsman, G., 2021. A Comparison of VN and NbN Thin Films Towards Optimal SNSPD Efficiency. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 31(5), pp.1-4. Q2. Авторский вклад 70 %.

A3. Moshkova, M., Divochiy, A., Morozov, P., Vakhtomin, Y., Antipov, A., Zolotov, P., Seleznev, V., Ahmetov, M. and Smirnov, K., 2019. Highperformance superconducting photon-number-resolving detectors with 86% system efficiency at telecom range. JOSA B, 36(3), pp.B20-B25. Q2. Авторский вклад 20 %.

A4. Divochiy, A., Misiaszek, M., Vakhtomin, Y., Morozov, P., Smirnov, K., Zolotov, P. and Kolenderski, P., 2018. Single photon detection system for visible and infrared spectrum range. Optics letters, 43(24), pp.6085-6088. Q1. Авторский вклад 20 %.

A5. Smirnov, K., Divochiy, A., Vakhtomin, Y., Morozov, P., Zolotov, P., Antipov, A. and Seleznev, V., 2018. NbN single-photon detectors with saturated dependence of quantum efficiency. Superconductor Science and Technology, 31(3), p.035011. Q1. Авторский вклад 30 %.