Формирование и исследование пленок WSi для сверхпроводниковых однофотонных детекторов с повышенной эффективностью и площадью детектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Васильев Денис Дмитриевич

• Васильев Денис Дмитриевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Васильев Денис Дмитриевич

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы

1.1. Применения сверхпроводниковых однофотонных детекторов

1.2. Тенденции развития SNSPD

1.3. Сравнение SNSPD с другими типами детекторов

1.4. Физика процесса детектирования фотонов чувствительным элементом SNSPD

1.4.1. Модель горячего пятна

1.4.2. Модель детектирования с помощью вихрей

1.4.3. Система детектирования одиночных фотонов SNSPD

1.5. Конструкция SNSPD

1.6. Параметры SNSPD детектора

1.7. Анализ материалов чувствительного элемента SNSPD

1.8. Соединение W-Si

1.8.1. Решетки соединения W-Si

1.8.2. Обзор результатов формирования пленок W-Si для различных применений

1.9. Опыт научных групп по формированию пленок Wxsi(1-x)

1.10. Требования к пленке Wxsi(1.x) для применения в SNSPD

Выводы по главе

Глава 2. Выбор методов и режимов формирования пленок Wxsi(1.x)

2.1. Анализ методов формирования пленки Wxsi(1-x)

2.2. Структура пленки при магнетронном распылении

2.3. Определение требований к неравномерности пленок WxSi(l-x) для SNSPD

2.4. Расчет и моделирование неравномерности при магнетронном распылении

2.5. Выбор метода измерения толщины тонких пленок

2.6. Требования к экспериментальному стенду

2.7. Планирование эксперимента для определения свойств пленок WxSi(l-x)

от параметров процесса магнетронного распыления

Выводы по главе

Глава 3. Модернизация экспериментального оборудования и отработка процесса формирования пленок Wxsi(1-x)

3.1. Модернизация установки ВУП-11М

3.1.1. Реализация второго магнетрона

3.1.2. Разработка заслонки

3.1.3. Разработка подложкодержателя с нагревом и подачей потенциала смещения

3.1.4. Автоматизация процесса осаждения тонких пленок

3.2. Разработка стенда измерения массы пленки

3.3. Отработка технологии осаждения двухкомпонентных тонких пленок на установке ВУП-11М

3.3.1. Определение скоростей осаждения пленок W и Si

3.3.2. Исследование зависимости соотношения компонентов в пленке WxSi(l-x) от времени осаждения

3.3.3. Определение соотношения материалов пленки WxSi(l-x) с максимальной критической температурой

3.3.4. Измерение толщины пленок Wxsi(1-x)

3.3.5. Исследование зависимости плотности пиковой мощности на магнетроне от параметров процесса импульсного магнетронного распыления

3.3.6. Формирование пленок Wxsi(1-x) постоянной массы

Выводы по главе

Глава 4. Формирование и исследование пленок WxSi(l-x)

4.1. Связь параметров и сверхпроводящих свойств пленки

4.1.1. Разработка методики измерения сверхпроводящих свойств пленки

4.1.2. Измерение сверхпроводящих характеристик пленок Wxsi(1-x)

4.1.3. Составление математической модели ПФЭ по определению зависимости сверхпроводящих свойств от параметров процесса осаждения пленки Wxsi(1-x)

4.2 Исследование неравномерности пленок WxSi(l-x)

4.2.1. Постановка экспериментов

4.2.2. Обработка результатов

4.2.3. Сравнение результатов измерения и моделирования неравномерности

4.3. Оценка влияния материала подложки на плотность критического тока пленок WxSi(l-x)

4.3.1. Результаты измерения плотности критического тока на сапфире

4.3.2. Результаты измерения плотности критического тока на кремнии

4.3.3. Сравнение плотности критического тока на различных подложках

4.4. Измерение пленок W0;8Si0;2 на СЭМ

4.5. Исследование фазового состава пленок WxSi(i-x) методом УМРЭС

Выводы по главе

Глава 5. Разработка методики формирования ультратонких двухкомпонентных пленок Wxsi(1-x) и исследование параметров сверхпроводниковых детекторов на их основе

5.1. Технология формирования пленок Wxsi(1-x) на установке ВУП-11М

5.2. Методика формирования ультратонких двухкомпонентных пленок методом магнетронного распыления из двух источников

5.3. Формирование и исследование детекторов на основе пленок WxSi(1-x)

5.3.1. Стенд для исследования характеристик SNSPD на пленках WxSi(1-x)

5.3.2. Исследование детектора на базе пленок Wo,8Sio,2 различной толщины

5.3.3. Исследование характеристик SNSPD на базе пленок Wo,8Sio,2 толщиной 5 нм

5.3.4. Исследование параметров SNSPD на пленках Wo,8Sio,2 в ИК спектре

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АСМ - атомно-силовая микроскопия;

БП - блок питания;

ВАХ - вольтамперная характеристика;

ВЧ - высокая частота (высокочастотный);

ИК - инфракрасный;

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник;

МРС - магнетронная распыления система;

ПК - персональный компьютер;

ПФЭ - полный факторный эксперимент;

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;

УМРЭС - ультрамягкая рентгеновская эмиссионная спектроскопия;

ШД - шаговый двигатель;

CVD - chemical vapor deposition (химическое осаждение из газовой фазы);

DC - dark counts (темновые отсчеты);

HiPIMS - high-power impulse magnetron sputtering (магнетронное распыление импульсами высокой мощности);

ITO - indium tin oxide (оксид индия-олова);

LIDAR - light detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света);

LLCD - lunar laser communication demonstration (лунная лазерная связь);

MKIDs - microwave kinetic inductance detectors (датчик кинетической индуктивности);

NEP - noise-equivalent power (мощность, эквивалентная шуму);

PECVD - plasma enhanced chemical vapor deposition (плазмохимическое осаждение из газовой фазы);

PMT - photo multiplayer tube (фотоэлектронный умножитель);

PVD - physical vapor deposition (физическое осаждение из газовой фазы);

QKD - quantum key distribution (распределение квантовых ключей);

SAPD - single-photon avalanche photo diode (лавинный фотодиод);

SDE - system detection efficiency (эффективность детектирования системы);

SNSPD - superconducting nanowire single-photon detector (сверхпроводниковый однофотонный детектор);

SOLD - singlet oxygen luminescence dosimetry (дозиметрия синглетно-кислородной люминесценции);

TEM - transmission electron microscopy (просвечивающая электронная микроскопия);

TES - transition edge sensor (болометр);

ToF - time-of-flight (технология формирования дальностного портрета);

XRD - x-ray diffraction (рентгеновская дифракция).

ВВЕДЕНИЕ

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы, благодаря высокой эффективности детектирования (~93%) при низких темновых отсчетах (-1000 с-1) [1], низкому джиггеру (~3 пс) [2], широкому диапазону длин волн (от 0,6 до 5,0 мкм) [3] и малому времени восстановления (~2 нс) [4], имеют преимущества перед другими типами однофотонных детекторов: фотоэлектронными умножителями, болометрами и лавинными диодами. Недостатками SNSPD являются низкие температуры работы (-2,0 К) и относительно небольшие размеры активной области (-15x15 мкм) [5].

Конструкция SNSPD была разработана и представлена в 2001 году научной группой Гольцмана Г. Н. [6]. С того времени научные группы, работающие по данному направлению, исследуют и изготавливают детекторы преимущественно на базе пленок NbN толщиной от 4 до 8 нм. В 2011 году научной группой из университета №ЗТ (США) предложен альтернативный материал - WxSi(l-x), который имеет относительно ИЪИ меньшую энергию сверхпроводящей щели (1,5 мВ) и больший коэффициент диффузии электронов (0,75 см2/с), что увеличивает эффективность детектирования как в видимом диапазоне света, так и в ИК диапазоне [7]. При этом пленки Wxsi(1-x) имеют рентгеноаморфную структуру, что также должно обеспечить больший выход годных на одной пластине вследствие меньшей чувствительности к материалу подложки и пониженные требования к параметрам процесса осаждения пленок. Все это делает детекторы на пленках Wxsi(1-x) перспективными для современных применений: в квантовых компьютерах [8]; для визуализации глубины предмета высокого разрешения на дальних расстояниях [9]; в коротковолновых инфракрасных однофотонных камерах [10] и оптической космической связи [11], где необходимы детекторы с увеличенной площадью зоны детектирования, либо массив (матрица) детекторов, а также детекторы с повышенной квантовой эффективностью в ИК диапазоне длин волн.

Наряду с научной группой Гольцмана Г. Н. из МПГУ (Россия) формированием и исследованием пленок WxSi(l-x) и детекторов на их основе

занимались коллективы Двизенко А.Ю. из ХПИ (Украина) [12], из университетов NIST (США) [7], JPL NASA (США) [13], MIT (США) [14], SIMIT (КНР) [15], Цюрихского университета (Швейцария) [16]. При этом все исследователи формируют пленки Wxsi(1-x) для применения в SNSPD методом магнетронного распыления преимущественно из двух источников с гомогенными мишенями. Несмотря на постоянно возрастающий интерес к пленкам WxSi(1-x), до настоящего времени только в нескольких работах научных групп из университетов NIST [7], MIT [14], SIMIT [15] и Цюрихского университета [16] эмпирически исследовано влияние соотношения компонентов и толщины пленок на выходные параметры детектора: критическую температуру, плотность критического тока, диффузию электронов, длину когерентности и глубину проникновения магнитного поля. При этом четко не определены требования к равномерности толщины пленок по площади и соотношению компонентов по толщине, не сформированы требования к технологическому оборудованию, отсутствуют исследования влияния параметров и режимов процесса осаждения на структуру и сверхпроводящие свойства пленок Wxsi(1-x), что не позволяет воспроизводимо получать их с максимально высокими значениями характеристик.

Поэтому целью работы является создание научных и технологических основ формирования ультратонких двухкомпонентных пленок Wxsi(1-x) методом магнетронного распыления для повышения квантовой эффективности однофотонных сверхпроводниковых детекторов в расширенном диапазоне длин волн, увеличения активной площади детектора и выхода годных по пластине.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1) провести литературный обзор для выявления требований к пленкам Wxsi(1-x), используемым в сверхпроводниковых однофотонных детекторах;

2) обосновать выбор метода и режимов процесса формирования пленок Wxsi(1-x) и оценить их влияние на сверхпроводящие свойства пленок;

3) определить требования к оборудованию для формирования пленок WxSi(1-x) и модернизировать экспериментальную установку;

4) провести экспериментальные исследования для выявления взаимосвязей между параметрами процесса формирования, структурой и выходными характеристиками пленок Wxsi(1-x);

5) разработать технологию формирования пленок Wxsi(1-x), изготовить на основе полученных пленок детекторы и исследовать их выходные характеристики.

В ходе выполнения работы сформулированы положения научной новизны:

1) впервые определено комплексное влияние технологических параметров процесса формирования ультратонких пленок Wxsi(1-x) методом магнетронного распыления (температура подложки, потенциал смещения на подложке, ионизация распыляемого материала) на их выходные характеристики (критическую температуру);

2) разработана и экспериментально подтверждена модель расчета неравномерности пленок при магнетронном распылении из двух источников, расположенных под углом 90° друг к другу, имеющая погрешность расчета толщины пленки 5,4% на вращающейся подложке диаметром 50 мм;

3) для процесса нанесения ультратонких пленок Wxsi(1-x) методом магнетронного распыления из двух источников, расположенных под углом 90° друг к другу, теоретически рассчитаны и экспериментально подтверждены параметры осаждения, обеспечивающие неравномерность ±1,2% по толщине и ±0,4% по составу на подложке диаметром 50 мм.

Практическая ценность исследований:

1) разработана и апробирована технология формирования методом магнетронного распыления из двух источников под углом 90° друг к другу ультратонких пленок Wxsi(1-x) с требуемыми характеристиками: толщиной 6 нм, соотношением компонентов 80% вольфрама и 20% кремния;

2) разработана методика формирования двухкомпонентных ультратонких пленок методом магнетронного распыления, позволяющая получать пленки толщиной до 10 нм с заданным соотношением компонентов во всем диапазоне варьирования;

3) модернизирована лабораторная вакуумная установка ВУП-11М для формирования ультратонких пленок Wxsi(1-x) методом магнетронного распыления из двух источников, расположенных под углом 90° друг к другу;

4) получены чувствительные элементы (меандры) на пленках W0,8Si0,2 с внутренней квантовой эффективностью 100%, на базе которых изготовлены детекторы с кантовой эффективностью 65%, темновыми отсчетами 1 с-1, с низким значением коэффициента №Р (мощность, эквивалентная шуму) 2,810-19 ВтГц-1/2 для излучения 1,55 мкм и отношением квантовой эффективности к темновым отсчетам SDE/DC = 0,65 с.

Результаты внедрения

Материалы диссертационной работы и полученные результаты использованы в учебном процессе кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Результаты работы использованы при выполнении гранта Российского научного фонда №18-12-00364, а также в инициативной НИР ЗАО «СКОНТЕЛ» по созданию однофотонных детекторов с улучшенными характеристиками.

Методы исследования

Для определения путей решения проблемы проведены патентные исследования в области сверхпроводниковых однофотонных детекторов. Выбор метода формирования и измерения пленок выполнен с использованием критериального анализа. Анализ зонной модели Келли-Арнелла позволил определить режимы формирования пленки для получения определенной структуры пленки. Проведены экспериментальные исследования зависимости сверхпроводящих свойств от параметров процесса осаждения пленки согласно полному факторному алгоритму планирования. Степень влияния толщины меандра и ширины проводника на внутреннюю квантовую эффективность в ИК спектре изучена благодаря количественному сравнению детекторов. Измеренные значения неравномерности пленки подтверждаются результатами моделирования с использованием среды MathCad.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена использованием поверенных средств измерения на предприятии ЗАО «СКОНТЕЛ» и в лабораториях МГТУ им. Н. Э. Баумана, результатами проведенных экспериментальных исследований (получением модели), прошедших проверку на адекватность.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) для создания сверхпроводниковых однофотонных детекторов с повышенной чувствительностью в ИК области, увеличенной площадью детектирования или матрицы детекторов необходимо использовать двухкомпонентные пленки с рентгеноаморфной структурой и определенным соотношением компонентов, в частности, W0,8Si0,2, обладающие более низкой энергией сверхпроводящей щели и более высоким коэффициентом диффузии электронов, чем кристаллические пленки, такие как ИЪИ;

2) для обеспечения неравномерности двухкомпонентной пленки по толщине ±1,2% и по соотношению материалов ±0,4% на подложке диаметром 50 мм при осаждении из двух магнетронов диаметром 100 и 50 мм необходимо располагать магнетроны под углом 90°, а подложку на пересечении осей магнетронов под углом 450 к каждому магнетрону на расстоянии более 90 мм, обеспечивая при этом вращение подложки вокруг своей оси;

3) использование предложенной в работе технологии нанесения ультратонких двухкомпонентных пленок методом магнетронного распыления из двух источников, расположенных под углом 90° друг к другу, позволяет воспроизводимо формировать пленки толщиной до 10 нм с заданным соотношением компонентов;

4) для получения пленок W0,8Si0,2 с критической температурой 3,7 К и плотностью тока 1,13 -106 А/см2 при толщине 6 нм необходимо формировать пленку на подложках кремния с естественным оксидом при комнатной температуре, без потенциала смещения на подложке и импульсном распылении вольфрама с коэффициентом заполнения импульса 27% и частотой 15 кГц.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование и исследование пленок WSi для сверхпроводниковых однофотонных детекторов с повышенной эффективностью и площадью детектирования»

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 22-26-ой научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Судак, 2015-2019; V и VIII Международной молодежной научной конференции «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы», Саратов, 2016 и 2018; 24-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Вакуумная техника и технологии - 2017», Санкт-Петербург, 2017; 10-ой Юбилейной международной научно-технической конференция «Вакуумная техника, материалы и технология», Москва, 2015; V международная конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, 2015; XX Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2015; VI Научно-практической конференции с международным участием «Наука настоящего и будущего», Санкт-Петербург, 2018; Международной научно-технической конференции «Автоматизация», Сочи, 2020.

Публикации

Результаты исследований по теме диссертационной работы представлены в 20-ти научных работах, опубликованных в рецензируемых журналах и трудах конференций, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 в научно-технических журналах, входящих в базы данных Web of Science и Scopus.

Личный вклад

Автором проведен анализ методов формирования пленок WxSi(1-x) и обоснован метод магнетронного распыления из двух источников. Определены требования к пленкам Wxsi(1-x) и проведен расчет допусков неравномерности пленки для обеспечения заданных требований. Проанализированы зонные модели структуры пленок и определена совокупность параметров, позволяющих получить требуемую структуру. Составлена модель расчета неравномерности пленки при магнетронном распылении. Модернизирована экспериментальная установка ВУП-11М, отработаны технологические режимы и проведены эксперименты по формированию и исследованию ультратонких сверхпроводящих пленок W0,sSi0,2.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, приложения и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 157 страницах машинописного текста (73 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 120 наименований).

Благодарность

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю - доценту кафедры «Электронные технологии в машиностроении», канд. техн. наук Моисееву Константину Михайловичу - за советы, ценные замечания и поддержку при выполнении диссертационной работы.

Автор благодарит студентов и выпускников лаборатории «Элионные процессы и нанотехнологии» за совместную работу над установкой ВУП-11М, а именно Малеванную Е. И., Акишина М. Ю., Хыдырову С. Ю. и Михайлову И. В.

Искреннюю благодарность автор выражает всему коллективу кафедры «Электронные технологии в машиностроении» за своевременные наставления, помощь в анализе результатов и поддержку, в особенности заведующему кафедрой, профессору, д-ру техн. наук Панфилову Юрию Васильевичу и доценту кафедры, канд. техн. наук Сидоровой Светлане Владимировне.

Особую благодарность автор выражает своим соавторам и всему коллективу ЗАО «СКОНТЕЛ», в особенности профессору, д-ру физ.-мат. наук Смирнову Константину Владимировичу и сотрудникам Вахтомину Ю. Б., Селезневу В. А., Золотову Ф. И., Дивочему А. В., Антипову А. В., Морозову П. В. за совместную работу и обсуждения результатов, без которых данная работа не могла бы состояться.

Также автор выражает благодарность за огромную поддержку своей семье.

Глава 1. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы были разработаны и представлены в 2001 году научной группой Гольцмана Г. Н. [6]. SNSPD детекторы используются в качестве счетчиков одиночных фотонов.

Благодаря своим высоким параметрам, таким как: эффективность детектирования, темновые отсчеты, джиттер, диапазон длин волн и время восстановления, SNSPD детекторы активно стали использоваться как альтернатива другим однофотонным детекторам: болометрам, лавинным диодам и фотоэлектронным умножителям, и нашли свое применение во многих современных применениях.

1.1. Применения сверхпроводниковых однофотонных детекторов

Тестирование микросхем

Благодаря низкой мощности, эквивалентной шуму, первое применение SNSPD нашли в тестировании микросхем. При срабатывании транзистора в КМОП схеме испускается ИК излучение. SNSPD позволяли определять время срабатывания транзистора и проводить отладку схемы [17].

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в ИК спектре и создание матрицы детекторов для пространственного определения излучения.

Распределение квантовых ключей

Распределение квантовых ключей позволяет безопасно передавать данные. В 2010 году в Японии продемонстрировали защищенную телевизионную конференцию на расстоянии 45 км с использованием безопасных ключей, переданных по открытой волоконно-оптической сети [18]. На данный момент максимальное расстояние для передачи QKD составляет 509 км [19].

Преимущество SNSPD - в низких темновых отсчетах, низком джиггере при высоком значении квантовой эффективности и скорости счета.

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в ИК спектре для снижения ошибок при передаче данных, повышения скорости счета и создание матрицы детекторов для использования алгоритма передачи QKD.

Оптическая космическая связь

В 2013 году NASA провела демонстрацию лунной лазерной связи [11]. Лазерная связь имеет большую скорость передачи данных и меньшее энергопотребление в отличие от радиосвязи. Использовался SNSPD детектор на NbN с эффективностью детектирования (SDE) ~75% и активной площадью диаметром 14 мкм, изготовленный в университете MIT [20]. Достигнута скорость 622 Мбит/с для безошибочной связи от спутника до станции на Земле. Данная скорость получена благодаря низким темновым отсчетам, низкому джиттеру при высоком значении квантовой эффективности и скорости счета детектора.

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в ИК спектре, повышения скорости счета и создания матрицы детекторов или детекторов с увеличенной активной площадью для удобства фокусировки лазерного луча.

Исследование веществ

Дозиметрия синглетно-кислородной люминесценции. Во многих биологических и физиологических системах важен процесс релаксации энергии молекулярного кислорода из возбужденного состояния в основное состояние. В момент релаксации испускается излучение на длине волны 1270 нм. Первые работы с использованием SNSPD с эффективностью детектирования системы ~1% позволили точнее провести процедуру измерения по сравнению с фотоэлектронным умножителем с SDE ~1% [21]. Главным параметром при данных измерениях является джиттер детектора, который в недавних работах составил рекордные 3 пс у SNSPD [2].

Флуоресценция в физических и химических образцах позволяет понять динамику процессов. Среди различных методов флуоресцентная корреляционная спектроскопия известна как мощный инструмент для исследования молекулярного движения флуоресцентных материалов в живых клетках, а также в водных растворах. SNSPD по сравнению с SAPD не имеет импульсов после детектирования, что позволяет измерять автокорреляционную функцию в субмикросекундной области [22].

SNSPD имеет высокую квантовую эффективность для рентгеновского излучения. Детектор может работать в режиме, когда темновые отсчеты будут наблюдаться раз в 5 часов, и при этом детектировать 100% излучения [23].

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в видимом спектре, уменьшение джиггера и создание матрицы детекторов или детекторов с увеличенной активной площадью для оценки пространственного распределения излучения и использования многомодового оптоволокна.

Квантовая оптика

Измерение параметров источников единичных фотонов. С помощью SNSPD и SAPD измерили корреляцию функции второго порядка фотонов с длиной волны 902 нм, излучаемых из квантовой точки InGaAs. Благодаря низкому джиттеру SNSPD пик спектра был уже. Автор возлагает большие надежды на SNSPD благодаря высокой эффективности в ближнем ИК спектре [24].

SNSPD могут быть использованы для спектроскопии комбинационного рассеяния волокон благодаря высокому временному разрешению. В спектроскопии комбинационного рассеяния волокон используется разница во времени, необходимом для прохождения света с разными длинами волн через оптическое волокно, для получения спектров путем измерения времени прихода, зависящего от длины волны, с помощью модуля счета одиночных фотонов с корреляцией по времени. Поскольку различия во времени прибытия чрезвычайно малы, например, только 0,1 нс для разности длин волн 1 нм (при средней длине волны 629 нм) даже при использовании 200-метрового оптического волокна необходим детектор с

высоким временным разрешением. Авторы продемонстрировали основную концепцию спектроскопии комбинационного рассеяния волокон, используя SNSPD с временным джиттером приблизительно 20 пс, и достигли разрешения по длине волны 3,42 нм при 629 нм [25].

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в ИК спектре и уменьшение джиттера детектора для более точных измерений.

Визуализация глубины предмета высокого разрешения на дальних расстояниях

Технология формирования дальностного портрета ToF позволяет определить расстояние до целевого объекта путем измерения задержки отраженных световых импульсов, которые используются для освещения объекта. В отличие от обычных измерений ToF, которые проводились на длинах волн ниже 1000 нм, использование SNSPD позволяет реализовать визуализацию ToF при 1560 нм, которая имеет преимущества, такие как более низкое атмосферное затухание, пониженный солнечный фоновый шум и, возможно, более высокую выходную мощность лазера [9]. При этом SNSPD позволяют детектировать фотоны на длинах волн от 0,5 до 5,0 мкм [3].

Аналогичным образом реализуется LIDAR система. Системы визуализации LIDAR, использующие SNSPD, были продемонстрированы на длине волны 1,55 мкм, достигая диапазонов до километровых расстояний и с разрешением в несколько миллиметров. Был проведен мониторинг морского тумана с использованием схем LIDAR на основе SNSPD. Эти системы используют низкий джиттер для достижения превосходного разрешения по глубине для быстрого расчета и высокой эффективности системы, что позволяет проводить визуализацию с низкой отдачей сигнала [26].

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD в ИК спектре, повышения скорости счета, уменьшение джиттера детектора и создание матрицы детекторов для оценки пространственного распределения излучения.

Создание нейрокомпьютера и квантовых интегральных схем

Благодаря простоте интеграции SNSPD с оптическими волноводами по сравнению с другими однофотонными детекторами, они являются наиболее предпочтительными для оптических схем на чипе. На данный момент исследователи разных стран продемонстрировали существенные преимущества квантовых компьютеров с использованием фотонов [8]. Научной группой из института KIT (Германия) показано, как на основе элементов оптической схемы создать нейросеть [27]. К детекторам для данной схемы предъявляют требования быстродействия, значение параметра которого у SNSPD выше, чем у других однофотонных детекторов.

Дальнейшее развитие данной области требует повышения квантовой эффективности SNSPD детекторов в ИК спектре на всей площади подложки и скорости счета.

1.2. Тенденции развития SNSPD

Представленные применения SNSPD детекторов свидетельствуют о дальнейших тенденциях развития детекторов:

1) повышение квантовой эффективности в ИК спектре;

2) повышение скорости счета;

3) уменьшение джиггера;

4) формирование матрицы детекторов;

5) формирование детекторов с увеличенной активной площадью;

6) формирование детекторов с высокими и воспроизводимыми параметрами на всей области подложки.

1.3. Сравнение SNSPD с другими типами детекторов

Параметры сверхпроводниковых однофотонных детекторов значительно превосходят характеристики традиционных однофотонных детекторов - лавинных

фотодиодов SAPD, фотоэлектронных умножителей PMT и болометров TES (Таблица 1). К недостаткам SNSPD можно отнести необходимость поддержания низких температур менее 4 К и относительно небольшие размеры активной области ~15х15 мкм.

Таблица 1.

Характеристики однофотонных детекторов

Параметр Сверхпроводниковый однофотонный детектор Болометр Однофотон- ный лавинный диод Фотоэлектронный умножитель

Эффективность детектирования системы, % 98 [28] 95 [30] 28 [35] 2 [38]

Темновые отсчеты, DC, Гц 35 [4] 500 [31] 1700 [35] 5000 [38]

Джиттер, J, пс 3 [2] 25000 [32] 128 [35] 367 [38]

Диапазон длин волн, X, мкм От 0,1 до 5,0 [3] От 0,1 до 5,0 [31] От 0,1 до 3,0 [36] От 0,1 до 1,7 [36]

Время восстановления, нс 2 [4] 1000 [30] 100 [35] 100 [38]

Мощность, эквивалентная шуму, КЕР, Вт/Гц1/2 ~610-18 [29] ~110-19 [33] ~110-16 [29] ~110-16 [29]

Рабочая температура, Т, К 2,2 [5] 0,1 [30] 223,0 [35] 200,0 [38]

Размер активной области, S, мкм 15х15 [5] 100х100 [34] 100х100 [37] 2900х2900 [39]

SNSPD превосходят SPAD и PMT, благодаря своей чувствительности к микроволновому излучению [40] и низкому значению мощности, эквивалентной шуму, лишь немного уступая в этих параметрах TES, однако имеют более высокую рабочую температуру, что делает их по совокупности параметров наиболее перспективными.

1.4. Физика процесса детектирования фотонов чувствительным элементом SNSPD

Основным элементом SNSPD является чувствительный элемент, сформированный из сверхпроводящей ультратонкой пленки в виде меандра.

В начальный момент времени меандр охлажден и находится в сверхпроводящем состоянии. При поглощении фотона участок меандра кратковременно переходит в резистивное состояние и возникает импульс напряжения (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1.

Импульс напряжения при детектировании фотона [41]

Существует несколько моделей, описывающих процесс детектирования фотонов, которые с момента появления SNSPD дополнялись из-за несоответствия теории и результатов экспериментов. В основном в механизме детектирования участвуют 2 модели: модель горячего пятна и вихревая модель.

1.4.1. Модель горячего пятна

Модель горячего пятна объясняет возникновение резистивного состояния за счет локального подавления сверхпроводимости в месте поглощения фотона (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2.

Схема, иллюстрирующая цикл детектирования излучения [41]. 1 - протекание

тока смещения в нанопроволоке; 2 - поглощение фотона нанопроволокой; 3 - разрушение электронных пар, образование «горячего пятна»; 4 - огибание током «горячего пятна» и превышение плотности критического тока в боковых областях; 5 - возникновение резистивной области; 6 - возвращение детектора в

исходное состояние

Изначально нанопроволока меандра охлаждена ниже критической температуры (Тс), поэтому находится в сверхпроводящем состоянии. Через нанопроволоку протекает ток смещения (1ь) меньше критического тока (1с). Фотон поглощается нанопроволокой. Если энергия фотона больше энергии сверхпроводящей щели материала меандра (^ > 2Д, где Ьу - энергия фотона; 2Д - энергетическая щель при данной температуре), то он разрушает куперовскую пару, образуя высокоэнергичный электрон с энергией порядка энергии фотона. Высокоэнергичный электрон передает свою энергию другим электронам, разрушая новые куперовские пары, из-за чего возникает локальная область, в которой образуются квазичастицы и подавлена сверхпроводимость, называемая «горячим пятном». Размер горячего пятна в большей степени зависит от коэффициента диффузии электронов D, а глубина его подавления - от сверхпроводящей энергетической щели Д. При малой энергетической щели после поглощения фотона разрушается большее число куперовских пар [16] и сильнее подавляется параметр

порядка сверхпроводника, а при большем коэффициенте диффузии электроны диффундируют на большее расстояние [42]. В результате при полном подавлении параметра порядка в горячем пятне ток, протекающий через нанопроволоку, начинает огибать резистивную область. Плотность тока в боковых областях увеличивается и превышает плотность критического тока (]с), в результате в боковых областях так же разрушается сверхпроводимость. При разрушении сверхпроводимости в боковых областях во всем поперечном сечении нанопроволоки возникает резистивная область, которая создает импульс напряжения. Через некоторое время область охлаждается и меандр возвращается в сверхпроводящее состояние. SNSPD готов детектировать следующий фотон.

С увеличением длины волны энергия фотона уменьшается, в связи с чем уменьшается плотность квазичастиц. При определенной длине волны, плотность тока, обтекаемая горячее пятно при заданной ширине нанопровода, становится меньше критической, из-за чего вероятность образования импульса напряжения становится меньше 100%. Такая длина волны называется «пороговой длиной волны». Согласно модели горячего пятна, на длинах волн больше пороговой будут отсутствовать импульсы напряжения при поглощении фотонов. Однако эксперименты показывают лишь уменьшение эффективности детектирования фотонов с длиной волны больше пороговой. Данный механизм объясняется вихревой моделью.

1.4.2. Модель детектирования с помощью вихрей

С увеличением плотности тока, протекающего через нанопроволоку, при некоторой плотности тока ^ вихрь магнитного поля проникает в нанопроволоку, при плотности токе ^ < _]2 вихрь сорвется с центра пиннинга и будет двигаться поперек полоски под действием силы Лоренца. При еще большем токе _]2 < ]3 вихрь достаточно сильно разогреет полоску при своем движении, что разрушит сверхпроводимость, тем самым образует резистивную перемычку [43].

Чем больше плотность тока 0) протекает через нанопроволоку, тем с большее выделение тепла произойдет при движении вихря, что разогреет сверхпроводник и с большей вероятностью разрушит сверхпроводимость. Поэтому, когда размера горячего пятна недостаточно для образования резистивной перемычки, есть вероятность, что в области с повышенной плотностью тока проникнет вихрь и разрушит сверхпроводимость, образуя резистивную область и импульс напряжения.

1.4.3. Система детектирования одиночных фотонов SNSPD

Рабочие температуры SNSPD составляют единицы градусов Кельвина. Для этого его погружают в жидкий гелий или устанавливают в криостат (Рисунок 1.3). Криостат, как правило, построен на базе криорефрижератора замкнутого цикла с газообразным гелием в качестве хладагента. От детектора наружу выводятся провода, которые подключаются к блоку управления. Блок управления является источником тока и счетчиком, а также позволяет подключиться через компьютер для снятия параметров детектирования. Оптоволокно согласуется с меандром и выводится наружу для подключения к источнику излучения.

Блок Криостат Компрессор

управления

Рисунок 1.3.

Система детектирования одиночных фотонов SNSPD [44]

1.5. Конструкция SNSPD

Эффект перехода сверхпроводника в резистивное состояние от поглощения фотона наблюдается в сверхпроводящих нанопроволоках толщиной от 4 до 9 нм и шириной менее 120 нм. В большинстве случаев излучение передается на детектор с использованием оптоволокна. У одномодового оптоволокна минимальный диаметр ядра составляет 7 мкм. В связи с этим из нанопроволки формируется меандр (чувствительный элемент) с геометрической площадью больше диметра оптоволокна.

Детектор состоит из подложки, на которой формируют отражающий слой для отражения не поглотившегося излучения (Рисунок 1.4). На отражающем слое формируют сверхпроводящую пленку толщиной от 4 до 9 нм, из которой методами литографии формируется меандр с толщиной проводника и шириной зазора менее 120 нм. Оптоволокно направляется перпендикулярно меандру. На концах меандра формируют контактные площадки для подключения к источнику тока и счетчику.

Рисунок 1.4.

Структура SNSPD и схема подключения детектора

Детектор охлажден до температуры (Т) ниже критической температуры пленки в сверхпроводящее состояние (Тс). Поэтому меандр имеет сопротивление, близкое к нулю. Для работы детектора через него должен протекать ток, называемый током смещения (1ь). Для сверхпроводников существует понятие

критического тока, (1с), при пропускании через меандр тока выше критического (1ь>1с) сверхпроводимость разрушается и меандр становится резистивными. Чем сильнее охлажден меандр относительно критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Т1 < Т2 < Тс), тем больший ток нужен для разрушения сверхпроводимости (1с1 > 1с2), а, значит, можно пропустить больший ток смещения (1ь) без разрушения сверхпроводимости. В некоторых случаях лучше оперировать плотностью критического тока. Если критический ток (1с) поделить на площадь сечения нанопроволоки получится

плотность критического тока (]с), которая является характеристикой материала. Сверхпроводимость разрушается в нанопроволоке при превышении плотности критического тока (]с). Поэтому критический ток (1с) увеличивается не только с понижением температуры охлаждения (Т), но и с увеличением ширины и толщины нанопроволоки.

Детектор подключается к источнику току и счетчику (Рисунок 1.4). Источник тока обеспечивает протекание тока (1ь) через меандр, счетчик считает количество детектируемых фотонов. Если вместо счетчика подключить осциллограф, будет наблюдаться импульс напряжения.

1.6. Параметры SNSPD детектора

Эффективность детектирования системы

Эффективность детектирования системы SDE отношение количества детектируемых фотонов к общему количеству падающих фотонов. Эффективность детектирования зависит от эффективности согласования оптоволокна с детектором, эффективности поглощения меандра и вероятности образования резистивной области, рассчитывается по формуле (1.1) [45]. С увеличением тока смещения (1ь) через меандр, эффективность детектирования системы увеличивается и выходит на постоянное значение. Постоянное значение называется «полная внутренняя эффективность», означающая 100% вероятность образования резистивной области. Последующее увеличение эффективности

детектора решается за счет мероприятий по согласованию оптоволокна и детектора, а также конструкционных решений детектора для повышения эффективности поглощения. Полная внутренняя эффективность зависит от толщины пленки. С уменьшением толщины пленки повышается вероятность образования резистивной области при более низких значениях тока смещения, однако уменьшение толщины пленки уменьшает эффективность поглощения. Максимальная эффективность детектирования меандра зависит от свойств материала детектора (диффузии электронов, энергии сверхпроводящей щели, глубины проникновения магнитного поля, длины когерентности), и от поглощающей способности пленки. При толщинах от 4 до 9 нм пленка считается двухмерной, и ее свойства отличаются от свойств массивного трехмерного материала. При уменьшении толщины пленки изменения перечисленных выше свойств положительно влияют на эффективность детектирования, но с уменьшением толщины уменьшается поглощательная способность пленки, что уменьшает эффективность детектирования. Поэтому толщина пленки подбирается оптимальной для получения максимальной эффективности детектирования меандра.

tfsde Лcoupling ' Лabsorption ' Лregistering, (1.1)

где ^coupling - эффективность согласования оптоволокна с детекторов; nabs0ipti0n - эффективность поглощения; %egitermg - вероятность образования резистивной области.

Темновые отсчеты

Темновые отсчеты DC - ложные срабатывания, когда без поглощения фотона образовывается резистивная область и соответствующий импульс напряжения. Природу темновых отсчетов объясняют вихрями магнитного поля, которые с увеличением тока смещения (Ib) с большей вероятность проникают в нанопроволоку.

Рабочая температура

Температура (Т), при которой работает детектор. Как показано выше, ток смещения (1ь) должен быть не меньше определенного для получения максимальной квантовой эффективности меандра, и как можно меньше для снижения темновых отсчетов, то есть ток смещения (1ь) должен быть оптимальным относительно критического тока (1с). С уменьшением рабочей температуры при оптимальном токе смещения (1ь) сохраняется максимальная квантовая эффективность меандра и уменьшаются темновые отсчеты DC, при этом увеличивается критический ток (1с).

Джиттер

Нестабильность переднего фронта импульса. Время генерации импульса SNSPD при детектировании фотона не одинаково. Для вычисления джиттера строится гистограмма времени генерации импульса. Джиттер равен медиане гистограммы, то есть распределения нестабильности времени генерации импульсов при детектировании фотонов.

Диапазон длин волн

Диапазон длин волн, детектируемых SNSPD. С увеличением длины волны уменьшается энергия фотона, что влечет уменьшение концентрации квазичастиц в горячем пятне и переход к детектированию по модели с помощью вихрей, которые имеют вероятностный характер [3].

Для увеличения детектируемой длины волны необходимо уменьшать ширину нанопроволоки, что ограничивается технологическими возможностями и влечет за собой уменьшение критического тока (1с).

Увеличение длины волны возможно использованием сверхпроводящих материалов с большим коэффициентом диффузии электронов, из-за чего в таких материалах при заданной энергии фотона будет образовываться горячее пятно большего размера. Например, для детектирования ИК спектра для NbN требуется ширина нанопровода ~30-50 нм [46-47], а для Wxsi(1-x) ~150 нм [48].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильев Денис Дмитриевич, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Detecting single infrared photons with 93% system efficiency / F. Marsili [et al.] // Nat. Photon. 2013. Vol. 7. P. 210-214.

2) Demonstration of sub-3 ps temporal resolution with a superconducting nanowire single-photon detector / B. Korzh [et al.] // Nature Photonics. Vol. 14. P. 250-255.

3) Efficient Single Photon Detection from 500 nm to 5 ^m Wavelength / F. Marsili [et al.] // Nano Letters. 2012. Vol. 12. P. 4799-4804.

4) High-performance superconducting photon-number-resolving detectors with 86% system efficiency at telecom range / M. Moshkova [et al.] // J. Opt. Soc. Am. 2019, Vol. 36, No. 3. P. B20-B25.

5) Yamashita T., Miki S., Terai H. Recent Progress and Application of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors // IEICE Trans. Electron. 2017. Vol. E100.C, No. 3. P. 274-282.

6) Picosecond superconducting single-photon optical detector / G. N. Gol'tsman [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 79, No. 6. P. 705-707.

7) Superconducting nanowire single-photon detector with saturated internal quantum efficiency from visible to 1850 nm / B. Baek [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, No. 25. P. 251105.

8) Quantum computational advantage using photons / H.-S. Zhong [et al.] // Science. 2020. Vol. 370. P. 1460-1463.

9) Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection / A. McCarthy [et al.] // Optics Express. 2013. Vol. 21, No. 7. P. 8904-8915.

10) Short-wave infrared compressive imaging of single photons / T. Gerrits [et al.] // Optics Express. 2018. Vol. 26, No. 12. P. 15519-15527.

11) A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon / M. Grein [et al.]. SPIE Newsroom. 2015. P. 1-3.

12) Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi / И. Н. Флоря [и др.] // Физика низких температур, Харьков: Физ.-техн. ин-т низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, 2018. Т. 44, № 3. С. 292-297.

13) 55% system detection efficiency with self-aligned WSi superconducting nanowire single-photon detectors / V. B. Verma [et al.] // Conference on Lasers and Electro-Optics Technical Digest. San Jose, CA, USA, 2012. P. QTu1E.5.

14) Surick J. J. Growth of Amorphous Tungsten Silicide and Study of the Proximity Effect at low Dimensions for Superconducting Applications: Electrical Engineering and Computer Sciences - Master's degree. Massachusetts Institute of Technology, 2015. 107 p.

15) Preparation and Characterization of Ultrathin WSi Films for Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors / J. Jin [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2019. Vol. 29, No. 5. P. 1-4.

16) Characteristics of superconducting tungsten silicide WxSi1-x for single photon detection / X. Zhang [et al.] // Phis. Rev. 2016. Vol. 94, No. 17. P. 174509.

17) Noninvasive CMOS circuit testing with NbN superconducting single-photon detectors / J. Zhang [et al.] // Electronics Letters. 2003. Vol. 39, No. 14. P. 1086-1088.

18) Field test of quantum key distribution in the Tokyo QKD Network / M. Sasaki [et al.] // Optics Express. 2011. Vol. 19, No. 11. P. 10387-10409.

19) Sending-or-Not-Sending with Independent Lasers: Secure Twin-Field Quantum Key Distribution over 509 km / J.-P. Chen [et al.] // Phys. Rev. Lett. 2020. Vol. 124, No. 7. P. 070501.

20) Review of superconducting nanowire single-photon detector system design options and demonstrated performance / E. A. Dauler [et al.] // Optical Engineering. 2014. Vol. 53, No. 8. P. 081907.

21) Singlet oxygen luminescence detection with a fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector / N. R. Gemmell [et al.]. Optics Express. 2013. Vol. 21, No. 4. P. 5005-5013.

22) Fluorescence correlation spectroscopy with visible-wavelength superconducting nanowire single-photon detector / T. Yamashita [et al.]. // Optics Express. 2014. Vol. 22, No. 23. P. 28783-28789.

23) An ultra-fast superconducting Nb nanowire single-photon detector for soft x-rays / K. Inderbitzin [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101, No. 16. P. 162601.

24) Single photon source characterization with a superconducting single photon detector / R. H. Hadfield [et al.] // Optics Express. 2005. Vol. 13, No. 26. P. 10846-10853.

25) Proof of concept of fiber dispersed Raman spectroscopy using superconducting nanowire single-photon detectors / J. Toussaint [et al.] // Optics Express. 2015. Vol. 23, No. 4. P. 5078-5090.

26) Photon counting LIDAR at 2.3^m wavelength with superconducting nanowires / G. G. Taylor [et al.] // Optics Express. 2019. Vol. 27, No. 26. P. 38147-38158.

27) Feldmann J., Pernice W. H. P. Lichtschnelles Nervennetz // Phys. Unserer Zeit. 2019, Vol. 50. P. 282-288.

28) Achieving 98% system efficiency at 1550 nm in superconducting nanowire single photon detectors / D. V. Reddy [et al.] // Rochester Conference on Coherence and Quantum Optics: OSA Technical Digest. 2019. P. W2B.2.

29) Hadfield R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications // Nat. Photon. 2009. Vol. 3. P. 696-705.

30) Lita A. E., Miller A. J., Nam S. W. Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency // Optics Express. 2008. Vol. 16, No. 5. P. 3032-3040.

31) Hadfield R. H., Johansson G. Superconducting Devices in Quantum Optics. Quantum Science and Technology. Springer International Publishing Switzerland, 2016. 256 p.

32) Miller A. J., Nam S. W., Martinis J. M. Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83, No. 4. P. 791-793.

33) Hamamatsu Photon is our Business // Products. URL: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/optical-sensors/photodiodes/si-photodiodes/index.html (дата обращения: 14.02.2019).

34) Study of TES Detector Transition Curve to Optimize the Pixel Design for Frequency-Division Multiplexing Readout / M. L. Ridder [et al.] // J. Low Temp. Phys. 2020. Vol. 199. P. 962-967.

35) 1.25 GHz sine wave gating InGaAs/InP single-photon detector with a monolithically integrated readout circuit / W.-H. Jiang [et al.] // Optics Express. 2017. Vol. 42, No. 24. P. 5090-5093.

36) Ferrari S., Schuck C., Pernice W. Waveguide-integrated superconducting nanowire single-photon detectors // Nanophotonics. 2018. Vol. 7, No.11. P. 1725-1758.

37) A 256 Pixelated SPAD readout ASIC with in-Pixel TDC and embedded digital signal processing for uniformity and skew correction / F. Nolet [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2020. Vol. 949. P. 162891.

38) Thermoelectric cooled NIR-PMT Unit H12397-75, Hamamatsu Photonics K. K., Electron Tube Division, Japan. 2015. URL: http://www.hamamatsu.com.cn/UserFiles/DownFile/Product/H12397-75_TPMH1351E.pdf (дата обращения: 14.02.2019).

39) Performance evaluation of a depth-of-interaction detector by use of positionsensitive PMT with a super-bialkali photocathode / Y. Hirano [et al.] // Radiol. Phys. Technol. 2014. Vol. 7. P. 57-66

40) Multimode fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector with 70% system efficiency at visible wavelength / D. Liu [et al.] // Optics Express. 2014. Vol. 22, No. 18. P. 21167-21174.

41) Natarajan Ch. M., Tanner M. G., Hadfield R. H. Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and applications // Supercond. Sci. Technol. 2012. Vol. 25. P. 063001.

42) Electron diffusivity measurements of VN superconducting single-photon detectors / N. R. Romanov [et al.] // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1124 No. 5. P. 051032.

43) Vortex-assisted photon counts and their magnetic field dependence in singlephoton superconducting detectors / L. N. Bulaevskii [et al.] // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85. No. 1. P. 014505.

44) Superconducting nanotechnology // Scontel superconducting nanotechnology. URL: https://www.scontel.ru/booklet-sspd-all-newest_150303.pdf (дата обращения: 02.05.2018)

45) Superconducting nanowire single-photon detectors with non-periodic dielectric multilayers / T. Yamashita [et al.] // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. P. 35240.

46) Single-Photon Detectors Based on Ultranarrow Superconducting Nanowires / F. Marsili [et al.] // Nano Lett. 2011. Vol. 11. No. 5. P. 2048-2053.

47) NbN Nanowire Superconducting Single-Photon Detector for Mid-Infrared / A. Korneev [et al.] // Physics Procedia. 2012. Vol. 36. P. 72-76.

48) High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films / V. B. Verma [et al.] // Optics Express. 2015. Vol. 23. No. 26. P. 33792-33801.

49) NbN single-photon detectors with saturated dependence of quantum efficiency / K. Smirnov [et al.] // Superconductor Science and Technology. 2018. Vol. 31, No. 3. P. 035011.

50) Low noise superconducting single photon detectors on silicon / S. N. Dorenbos [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93, No. 13. P. 131101.

51) Superconducting single-photon detector made of MoSi film / Yu. P. Korneeva [et al.] // Supercond. Sci. Technol. 2014. Vol. 27. P. 095012.

52) Low gap superconducting single photon detectors for infrared sensitivity / S. N. Dorenbos [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98. P. 251102.

53) Tantalum nitride superconducting single-photon detectors with low cut-off energy / A. Engel [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. P. 062601.

54) Superconducting Single-photon Detectors Made of Ultra-thin VN Films / Ph. Zolotov [et al.] // KnE Energy. VII International Conference on Photonics and Information Optics. 2018. P. 83-89.

55) Superconducting nanowire single photon detectors fabricated from an amorphous Mo0.75Ge0.25 thin film / V. B. Verma [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, No. 2. P. 022602.

56) High efficiency, large-active-area superconducting nanowire single-photon detectors / M. Gu [et al.] // Chin. Phys. B. 2015. Vol. 24, No. 6. P. 068501.

57) Comparison of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors Made of NbTiN and NbN Thin Films / X. Yang [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2018. Vol. 28, No. 1. P. 1-6.

58) Панфилов Ю. В. Выбор метода нанесения наноструктурированных тонкопленочных покрытий по критерию «Энергомассоперенос» // Наноинженерия. 2015. № 12, Т. 54. С. 3-10.

59) Dauben C. H. Crystal structures of transition metal silicides. Radiation Laboratory and Department of Chemistry and Chemical Engineering, University of California, Berkeley k, California. 1956. 16 p.

60) Itoh S. Fermi surfaces of tungsten silicide alloys // J. Phys.: Condens. Matter. 1990. Vol. 2. P. 3747-3758.

61) Samsonov G. V., Hausner H. H. Plenum press handbooks of high-temperature materials. No. 2 Properties index. Springer Science+Business Media New York, 1964. 429 p.

62) Goldschmidt H.J. Interstitial Alloys. Springer Science+Business Media New York, 1967. 639 p.

63) Tungsten silicide films for microwave kinetic inductance detectors / T. Cecil [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. P. 032601.

64) Quaranta O., Cecil T. W., Miceli A. Tungsten Silicide Alloys for Microwave Kinetic Inductance Detectors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2013. Vol. 23, No. 3. P. 2400104-2400104.

65) Dew-Hughes D. Superconducting A-15 compounds: A review // Cryogenics. 1975. Vol. 15, No. 8. P. 435-454.

66) Wei H., Chen Y.-li, Su L. Stability, Mechanical Properties and Electronic Properties of X3Si (X=V, Nb, Cr, Mo and W) from First Principles Calculations // Materials Science Forum. 2018. Vol. 913. P. 596-606.

67) Study of Schottky contacts on nGa0.51In0.49P by low pressure metalorganic chemical vapor deposition / E. Y. Chang [et al.] // J. Appl. Phys. 1993. Vol. 74. P. 5622-5625.

68) Eicher S., Bruce R. A. WSix formation in W-Si multilayers // Can. J. Phys. 1987. Vol. 65. P. 868-871.

69) Electrical Properties of Sputtered Deposited Tungsten Silicide Films / J.-W. Hoon [et al.] // IEEE International Conference on Semiconductor Electronics. Melaka, Malaysia. 2010. P. 5-7.

70) Sliced Linear Zone Plates for Hard XRay Radiation / I. A. Artyukova [et al.] // Technical Physics. 2012. Vol. 57, No. 9. P. 1283-1288.

71) Accurate characterization of a thick multilayer structure using the marking-layer-based scanning electron microscopy method / Q. Huang [et al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. Vol. 46. 5 p.

72) Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами: пат. 2327253 РФ / Г. Н. Гольцман, Г. М. Чулкова, О. В. Окунев, А. П. Мельников, Б. М. Воронов Н. С. Каурова, А. А. Корнеев, А. В. Антипов, О. В. Минаева, А. В. Дивочий; патентообладатель: Закрытое акционерное общество «Сверхпроводящие нанотехнологии» (ЗАО «Сконтел»); № 2006129452/28; заявл. 15.08.2006; опубл. 20.06.2008. Бюл. № 17.

73) Сверхпроводниковый однофотонный детектор с управляемым эффектом памяти: пат. 2 609 729 РФ / А. В. Антипов, Ю. Б. Вахтомин, А. В. Дивочий, В. В. Ковалюк, Р. В. Ожегов, К. В. Смирнов; патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии"; № 2015147036; заявл. 02.11.2015; опубл. 02.02.2017. Бюл. № 4.

74) Superconducting single photon detector: pat. 2014/0299751A1 US / H. Tang, W. Pernice, C. Schuck; Assignee: Yale University; Appl. No.: 14/095,516; Filed: Dec. 3, 2013; Pub. Date: Oct. 9, 2014.

75) Волноводный сверхпроводниковый однофотонный детектор с улучшенной топологией: пат. 194126 РФ / В. В. Кавалюк, П. П. Ан, Е. В. Зубкова, А. Д. Голиков, Г. Н. Гольцман; патентообладатель: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский педагогический государственный университет; № 2019115802; заявл. 22.05.2019; опубл. 28.11.2019. Бюл. № 34.

76) Efficient polarization independent single photon detector: pat. 2014/0087952 A1 US / S. W. Nam, B. Baek; Assignee: The United States of America as represented by the Commerce, Gaithersburg, MD (US); Appl. No.: 13/869,802; Filed: Apr. 24, 20134; Pub. Date: Mar. 27, 2014.

77) Photon counting statistics of superconducting single-photon detectors made of a three-layer WSi film / I. N. Florya [et al.] // Low Temperature Physics. 2018. Vol. 44. No. 3. P. 221-225.

78) Bias sputtered NbN and superconducting nanowire devices / A. E. Dane [et al.] // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111. P. 122601.

79) Ultra-thin NbN films on Si: crystalline and superconducting properties / K. Ilin [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2008. Vol. 97. P. 012045.

80) Superconducting properties and crystal structures of singlecrystal niobium nitride thin films deposited at ambient substrate temperature / Zh. Wang [et al.] // J. Appl. Phys. 1996. Vol. 79, P. 7837-7842.

81) Room temperature deposition of superconducting niobium nitride films by ion beam assisted sputtering / T. Polakovic [et al.] // Apl. Materials. 2018. Vol. 6. P. 076107.

82) Kondo S. Superconducting characteristics and the thermal stability of tungsten-based amorphous thin films // J. Mater. Res. 1992. Vol. 7, No. 4. P. 853-860.

83) Superconducting niobium nitride films deposited by unbalanced magnetron sputtering / J. J. Olaya [et al.] // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. P. 8768-8773.

84) Materials Development for High Efficiency Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors / A. E. Lita [et al.] // Mater. Res. Soc. 2015. Vol. 1807. Art. Num. 1.

85) Manova D., Gerlach J. W., Mandl S. Thin Film Deposition Using Energetic Ions // Materials. 2010. Vol. 3. P. 4109-4141.

86) О возможности формирования метастабильной фазы Al3Si в композитных пленках Al-Si, полученных ионно-лучевым и магнетронным напылением / В. А. Терехов [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. 2018. № 1, Т. 20. С. 135-147.

87) Голосов Д.А., Мельников С. Н., Достанко А. П. Расчет элементного состава тонкопленочных слоев при магнетронном распылении мозаичных мишеней // Электронная обработка материалов. 2012. № 48, Т. 1. С. 63-72.

88) Калинин В. Н., Попова В. М. Изучение процесса нанесения нанокомпозитных тонкопленочных покрытий методом распыления прессованных мишеней // Молодежный научно-технический вестник. 2015. № 1. URL. http://sntbul.bmstu.ru/doc/752798.html. (Дата обращения: 28.04.2017)

89) Сидорова С. В. Расчет технологических режимов и выбор параметров оборудования для формирования островковых тонких пленок в вакууме: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2016. -191 с.

90) Thornton J. A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings // J. of Vacuum Science and Technology. 1974. Vol. 11, No. 4. P. 666-670.

91) Messier R., Giri A. P., Roy R. A. Revised structure zone model for thin film physical structure // J. of Vacuum Science & Technology A. 1984. Vol. 2, No. 2. P. 500-503.

92) Musil J., Kadlec S. Ion-assisted sputtering of tin films // Surface and Coatings Technology. 1990. Vol. 43/44. P. 259-269.

93) Kelly P. J., Arnell R. D. Development of a novel structure zone model relating to the closed-field unbalanced magnetron sputtering system // J. Vac. Sci. Technol. A. 1998. Vol. 16, No. 5. P. 2858-2869.

94) Amorphous molybdenum silicon superconducting thin films / D. Bosworth [et al.] // AIP Advances. 2015. Vol. 5. P. 087106.

95) Майссел Л., Глэнг Р. Технология тонких пленок. Справочник. М.: «Советское радио», 1977. 768 с.

96) Influence of thickness, width and temperature on critical current density of Nb thin film structures / K. Il'in [et al.] // Physica C. 2010. Vol. 470, No. 19. P. 953-956.

97) A four-pixel single-photon pulse-position array fabricated from WSi superconducting nanowire single-photon detectors / V. B. Verma [et al.] // Applied Physics Letters. 2014. Vol. 104, No. 5. P. 122601.

98) High-efficiency WSi superconducting nanowire single-photon detectors operating at 2.5 K / V. B. Verma [et al.] // Applied Physics Letters. 2014. Vol. 105. No 12. P. 051115.

99) Zhang X. Characteristics of tungsten silicide and its application for single X-ray photon detection: dissertation to Obtaining a doctorate in natural sciences. Zurich. 2018. 174 p.

100) Vasilev D. D., Moiseev K. M. Influence of the planar cylindrical target erosion zone of magnetron sputtering on the uniformity of a thin-film coating // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. Vol. 584. P. 012012.

101) Панфилов Ю. В. Элионные процессы и нанотехнологии: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 128 с.

102) Ekpe S. D., Bezuidenhout L. W., Dew S. K. Deposition rate model of magnetron sputtered particles // Thin Solid Films. 2005. Vol. 474. P. 330-336.

103) Мартыненко Ю. В., Рогов А. В., Шульга В. И. Угловое распределение атомов при магнетронном распылении поликристаллических мишеней // Журнал технической физики, СПб: ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2012. Т. 82, вып. 4. С. 13-18.

104) Zhu G., Sun J., Gan Zh. A novel approach to calculate the deposition uniformity of multi-target sputtering system // 19th International Conference on Electronic Packaging Technology. 2018. P. 1372-1377.

105) Film Thickness Distribution in Magnetron Sputtering System with the Round Cathode / A.A. Soloviev [et al.] // Poster session Coatings deposition. 2008. P. 491-493.

106) Rogov A. V., Kapustin Yu. V. Angular Distributions during Magnetron Sputtering of Polycrystalline Mg, Al, Si, Ti, Cr, Cu, Zn, Ge, Zr, Nb, Mo, Ag, In, Sn, W,

Pt, Au, and Bi Targets. Instruments and Experimental Techniques. 2020. Vol. 63, No. 5. P. 776-781.

107) Прогнозирование эрозии мишени магнетронных распылительных систем / Д. А. Голосов [и др.] // Проблемы физики, математики и техники: Беларусь. 2010. № 2, Т. 3. С. 62-67.

108) Sauerbrey G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung // Zeitschrift fuer Physik. 1959. Vol. 155. P. 206-222.

109) Advanced coatings through pulsed magnetron sputtering / P. J. Kelly [et al.] // Surface Engineering. 2004. Vol. 20, No. 3. P. 157-162.

110) Enhanced properties of tungsten thin films deposited with a novel HiPIMS approach / I.-L. Velicu [et al.] // Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 424, No. 3. P. 397-406.

111) Меледина Т. В., Данина М. М. Методы планирования и обработки результатов научных исследований: учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО. 2015. 110 с.

112) Моисеев К. М. Многопозиционные вакуумные технологические установки // Наноинженерия. 2014. № 8. С. 18-21.

113) Зимкина Т. М., Фомичев В. А. Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1971. 132 с.

114) Characterization of W/Si multilayers by ultrasoft x-ray emission spectroscopy / E. Z. Kurmaev [et al.] // J. Mater. Res. 1995. Vol. 10, No. 4. P. 907-911.

115) Взаимодействия излучения и частиц с конденсированным веществом / Ю. П. Першин [и др.] // Металлофиз. новейшие технол., Киев: ИМФ им. Кардюмова НАН Украины, 2016. Т. 38, №3. С. 367-388.

116) High-efficiency WSi superconducting nanowire single-photon detectors for quantum state engineering in the near infrared / Hanna Le Jeannic [et al.] // Optics Letters. 2016. Vol. 41. No 22. P. 5341-5344.

117) Carter D.C., McDonough G.M., Christie D.J. Target Utilization in Pulsed-dc Sputtering Processes // 50th Annual Technical Conference Proceedings. 2007. P. 30-35.

118) Preparation of multicomponent thin films by magnetron co-sputtering method: The Cu-Ti case study / B. Adamiak [et al.] // Vacuum. 2019. Vol. 161. P. 419428.

119) Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors / G. N. Gol'tsman [et al.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2003. Vol. 13, No. 2. P. 192-195.

120) Superconducting Nanowire Single-Photon Detector with Ultralow Dark Count Rate Using Cold Optical Filters / H. Shibata [et al.] // Applied Physics Express. 2013. Vol. 6. P. 072801.