М. В. СИДОРОВА, А. В. ДИВОЧИЙ,
А. А. КОРНЕЕВ, Г. Н. ГОЛЬЦМАН
Московский педагогический государственный университет
СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ОДНОФОТОННОГО ДЕТЕКТОРА
В работе представлены результаты исследования спектральной чувствительности сверхпроводникового однофотонного детектора на основе пленки NbN.
В настоящее время растет интерес к быстрым и высокочувствительным однофотонным детекторам инфракрасного диапазона. Такие детекторы требуются как для научных исследований, таких как астрономия ИК диапазона или исследование однофотонных излучателей на квантовых точках, так и для практического применения: для неразрушающего тестирования интегральных микросхем методом PICA, передачи кватновокриптографического ключа, дистанционного измерения температур и теплого излучения различных тел. Применение высокочувствительных однофотонных детекторов в классических линиях связи позволяет либо совсем отказаться от дорогостоящих оптических усилителей, либо уменьшить их количество.
Одним из перспективных типов однофотонных детекторов является сверхпроводниковый однофотонный детектор (Superconducting Single Photon Detector – SSPD). По скорости счета, временному разрешению, уровню темновых срабатываний SSPD существенно превосходят однофотонные лавинные диоды, обеспечивая скорость счета ~100 МГц.
На рис. 1 представлена топология SSPD чипа. Сверхпроводниковый однофотонный детектор представляет собой чувствительный элемент, расположенный в центре чипа между двумя золотыми контактами. В качестве чувствительного элемента выступает ультратонкая полоска шириной порядка 100 нм изготовленная из пленки NbN, толщиной 3.5 нм, и изогнутая в виде меандра, заполняющего площадь 7×7 мкм2. Принцип действия детектора основан на переходе в резистивное состояние небольшой части сверхпроводящей полоски с током при поглощении фотона. Возникающий при этом в токонесущей пленке резистивный барьер приводит к появлению импульса напряжения на контактах детектора.
Неидеальность пленки и сложность технологических процессов при изготовлении SSPD приводит к разбросу основных характеристик детекторов, изготовленных в одном технологическом процессе. Было проведено изучение разницы между детекторами с высокой и низкой квантовыми эффективностями (QE) в ближнем ИК диапазоне и определении причин приводящих к такому разбросу. Для этого были проведены измерения спектральной чувствительности образцов с высокой и низкой квантовыми эффективностями, равные на длине волны 1.2 мкм 7% и 1% соответственно. Исследования проводились в диапазоне длин волн 0.4-1.5 мкм, при температуре T=4.2 К, при этом устанавливался ток близкий к критическому току Ic соответствующего образца.
Экспериментальные данные показали, что, несмотря на большую разницу в чувствительности в ближнем ИК диапазоне чувствительность детекторов в видимом диапазоне становится одинаковой и перестает зависеть от длины волны. А с уменьшением энергии фотона (при продвижении в длинноволновую область спектра) разница в эффективности детектирования растет. На рис. 2 представлена зависимость отношения квантовых эффективностей хорошего к плохому образцу от длины волны. Как известно из [1] такое поведение спектральной чувствительности может говорить о том, что у детектора с низкой QE существуют неоднородности (слабые места, дефекты) ограничивающие транспортный ток, текущий в полоске.
Список литературы
1. Gol’tsman G., Minaeva O., Korneev A., Tarkhov M., et. al. Middle-Infrared to visible-light ultrafast superconducting single-photon detector. IEEE Trans. on Applied Superconductivity. 2007. V.17. Is.1. P.246-251.
