Главная » 2014 » Сентябрь » 30 » Скачать Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора. Корнеев, Александр бесплатно
2:55 AM
Скачать Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора. Корнеев, Александр бесплатно
Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора
Диссертация
Автор: Корнеев, Александр Александрович
Название: Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора
Справка: Корнеев, Александр Александрович. Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.03 Москва, 2006 116 c. : 61 06-1/823
Объем: 116 стр.
Информация: Москва, 2006
Содержание:
Список сокращений
Глава 1 Обзор литературы и постановка задачи
11 Современные однофотопные детекторы
12 Однофотонный сверхпроводниковый детектор на основе тонкойнленки NbN
13 Выбор объекта исследования и постановка задачи 2G
Глава 2 Изготовление образцов и методика эксперимента
21 Технология изготовления и методы отбора образцов
22 Описание эксперимептальной устаповки и методики измерепий
23 Калибровка мощности для определения квантовой эффектив-ности
24 Особенности методики измерения скорости темпового счета
25
Выводы 4G
Глава 3 Механизм возникповения однофотонного отклика втонких сверхпроводящих нленках
31 Формирование и развитие горячего нятна в тонкой сверхпрово-дящей пленке при поглощении фотона
32 Однофотонный и многофотонный нроцессы детектированиятонкой сверхнроводян1,ей плепкой
33
Выводы
Глава 4 Квантовая эффективность сверхпроводникового одно-фото1нюго детектора
41 Эффект однофотонного детектирования
42 Зависимость числа фотоотсчетов от транспортного тока
43 Зависимость квантовой эффективности от толнщн1>1 нленки
44
Выводы
Глава 5 Скорость темпового счета и эквивалентная мощностьшума
51 Зависимость скорости темнового счета от транснортного тока
52 Эквивалентная мощность шума
53 Применение
54 Вьнюды
Введение:
За последние десятилетия появились повые поколепия высокочупствительпых сверхпроводпиковых детекторов. Это и смесители миллиметрового и субмиллиметрового диапазопов волп, и прямые детекторы, и счетчики фотонов, работающие в широком диапазоне волн от микроволнового дорентгеновского. В настоян1,ее время в этой области ведутся активные работы как по улучп1ению характеристик уже существуюпщх типов сверхпроводниковых детекторов, так и но разработке принциниалг>но новых устройств.Сверхпроводниковые детекторы уже нродемонстрировали высокие технические характеристики в радиодианазоне, в дальнем, среднем и ближнем ИК,в оптическом и рентгеновском дианазонах. Это сделало их нригодными дляприменения и таких областях, как радиоастрономия, диагностика плазмы,исследовапие лазеров, детектировапие одиночпых фотонов в квантовых системах связи.Значительный нрогресс в области разработки компактпых криостатови машип замкпутого цикла спизил стоимость эксплуатации криодетекторов,сделал возможной их эксплуатацию персопалом не имеющим квалификациидля работь1 с пизкотемпературпой техникой, стало возможно примепение таких детекторов на космических снутниках для радиоастрономических наблюдений и систем связи.Приемники на основе сверхнроводниковых детекторов имеют целый ряднреимун1,еств паред, традиционными высокотемнературными детекторами. Впервую очередь, это — высокая чувствительность, обусловленная как малойвеличипой эпергетической Н1,ели в сверхпроводпике, так и очепь пизким уро8венем тенловых Н1умов. Это и высокое быстродействие обусловленное малойтеплоемкостью.Актуальность разработки сверхнроводниковых однофотонных детекторов инфракрасного диапазона определяется, в нервую очередь, всё возрастаюнщми нотребностями современной науки и техники, которые уже не в нолной мере удовлетворяются техническими характеристиками электровакуумных фотоумножителей (ФЭУ) и лавинных фотодиодов (ЛФД), традиционноиснользуемых в качестве однофотонных детекторов.Снерхнроводниковые однофотонные детекторы нривлекательны в тех областях, где требуется предельная чувствительность для регистрации крайнеслабых оптических сигналов. Недавно появилась технология неразрушающего анализа неисправностей интегральных микросхем, основанная на детектировании света, излучаемого нереключаюн1,имися транзисторами и нроходящего через кремниевую нодложку микросхемы. Ряд комнаний ведут активную работу в этом нанравлении: NPTest-Credence\ Semicaps, Quantum FocusInstruments.Использование более чувствительных детекторов, обладаюн;их высокимбыстродействием и высоким временным разрешением нозволит увеличитьдлину волоконно-оптических линий связи и избежать иснользования дорогих оптических усилителей. В ряде биомедиципских примепепий используется техника получения изображений с иснользованием сверхбыстрых однофотонных детекторов видимого и ИК дианазонов, например, коррелирова1Н1аяно времени флюоресцентная снектроскония^, а также техника времянролетной оптической томографии* .^ Использование одпофотоппых детекторов позволяет повысить чувствительпость оптической времепной рефлектометрии^http://www.nptcst.com/pro(lucts/probe/idsOptica.btm^http://www.picoquant.com/_instnimcntatiori.btni и http://www.bcckcr-hickl.de/^http://www.mcdphys.ucl.ac.uk/rescarch/borl/rescarch/monstir/9(Optical time-domain reflectometry — OTDR)[1].Квантовые оптические технологии, разработанные для применения в' t ^ криптографии и метрологии, в том числе основанные на примепении спонтанного параметрического рассеяния, ориентированы на использование телекоммуникационных длин волн. Однако квантовая эффективность и шумыдетекторов на основе ЛФД и ФЭУ в настояп^ее время ограничивают длинуквантовокриптографического канала до 100 км[2] — основное ограничение вбольшинстве реализаций. Квантовая метрология также нуждается в однофотонных детекторах для таких применений как квантовая оптикокогерентная томография (quantum optical-coherence tomography) [3]. В долгосрочнойперспективе все квантовые информационные технологии получат больн1уюBbiro;iy от доступности эффективных и быстрых однофото!П1ых детекторов.Целью диссертационной работы являлось исследование механизмавозникновения резистивЕЮго состояния в узких нолосках из тонкой однородной сверхнроводящей плёнки NbN как при поглоп1,ении одиночных фотоновоптического и ИК излучений, так и в отсутвие надаюп1,его излучения (ложныесрабатывания, обуславливаюнще темновой счет детектора). Это включало всебя определепие условий од1,нофотопного детектирования, исследование влияния геометрии структур (ншрины нолоски, толщины пленки) па кваптовуюэффектив1юсть па различных длинах волн в интервале 0.56—1.55 мкм и павероятпость возникновения ложных срабатываний (темнового счета), измерение величины эквивалентной мощности Н1ума.В качестве объекта исследования выбраны сверхнроводящие полоскишириной от 150 нм до 200 нм и длиной от 30 мкм до 350 мкм, изготовле1нп>1еметодом электро1пюлучевой литографии из плёнок NbN толщиной 3.5 нм и# 10 нм. Плёнки наносилис!> на санфировую нодложку методом магнетронного расныления Nb в газовой смеси N2 и Аг. Работа нреднолагала дальнейншенрименение нолученпых результатов для создания нрактических детекторов.Поэтому для удобства фокусировки излучения на детектор, нолоска изготавливалась не нрямой, а изогнутой в виде меандра, нокр1>1ваюн1,его нлощадку4 мкм X 4 мкм или 10 мкм х 10 мкм.V Предмет работы включает в себя:• Разработку и изготовление экснериментальной установки, обеснечивающей измерение квантовой эффективности исследуемых образцов при11рабочей температуре 4.2 К в интервале длип волн 0.56—1.55 мкм с использованием непрерывпых иеточпиков излучепия.• • Разработку и изготовление экспериментальной устаповки для ртзмерепия скорости темпового счета исследуемых образцов при температуре4.2 К.• Разработка теоретической модели, описывающей отклик топкой сверхпроводниковой плепки NbN на поглон1,ение ИК фотона.• Измерение квантовой эффективности исследуемых структур в зависи^ мости от рабочего тока, длины волны излучепия, геометрических размеров приёмных элементов и толщины нленки.• Измерение зависимости скорости темнового счета от величины рабочеготока и геометрических размеров образцов и то;нцины нленки. Получение величины эквивалентной мощности шума.• Сравпение получепных экспериментальн1>1х результатов с модельными^, теоретическими расчётами.^ Особенностью методик исследования однофотонных нроцессов является статистический характер измеряемых величин. Излучение источников,нодаваемое на образец, ослаблялось HacTOjn.KO, что время отклика образцана поглощение фотона было много меньню среднего времени между нопаданиями фотонов на образец. Это обеспечивало одпофотоппость отклика. Упикальпость предлагаемых методов исследования в первую очередь определяется спецификой исследуемого оба>екта: сверхпроводниковые наноструктурыпредставляют собой полоски в форме меапдра, толщипа которых мепьше илисравнима с длиной когерентности куперовских пар, а ппфипа больню длиныкогерентности, по гораздо меньню глубины пропикповепия магпитпого поля.12Кроме того, перавповеспые процессы исследуются при температуре 0.5Тс,но в нрисутствие тока, близкого к критическому.В процессе работы были получепы следуюпще новые научные результаты:• Разработапа модель, описыва1ОН1,ая формирование резистивной области("горячего пятна") при поглощении 4)отона узкой нолоской из сверхпроводящей пленки, а также носледуюн1ую динамику развития этой области.• Для узких нолосок из тонкой сверхнроводян1,ей плепки NbN исследована зависимость квантовой эффективности от транснортного тока надлинах волн 0.56, 0.67, 0.94, 1.26, 1.55 мкм нри темнературе 4.2 К.• Исследована зависимость квантовой эффективности от толщины нленки NbN, из которой изготовлена сверхнроводян1,ая полоска. Уменьнюние толщины нленки с 10 до 3.5 им нриводит к увеличению квантовойэффективности в ИК дианазоне в 30-40 раз.• Исследована зависимость скорости темнового счета от транснортноготока для узких нолосок из нленки NbN толщиной 3.5 и 10 нм при темнературе 4.2 К. Скорость темнового счета эксноненциа;п>но зависит оттранспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толпщньт плепки.• Измерепа эквивалентная мопцюсть Н1ума детекора на основе узкой полоски из тонкой сверхпроводяп1,ей пленки NbN в диапазоне длип волп0.56 — 1.55 мкм при температуре 4.2 К.• На основапии эксперимептальпых результатов но измерепию зависимостей квантовой эффективности от транспортпого тока произведепа13оценка размеров образующейся резистивной области при поглощениифотопов. Результаты этой оценки, выполненные для различных длинволн и для различных толнщн пленки, согласуются с выводами теоретической модели.На защиту выносятся следующие положения:• При поглощении фотона полоской ншриной 150 — 200 им из сверхпроводян1,ей пленки NbN толнщной 3.5 — 10 нм, несун1,ей транспортныйток близкий к критическому, формируется резистивная область ("горячее пятно") размером порядка длины термализации, по сун1,ественномепьню П1ирины нолоски. После этого транспортный ток вытесняетсяв боковые области вокруг "горячего нятна", где его плотность становится выше критической, нриводя к ноявлению нанряжения па концахполоски.• Квантовая эффективпость детектировапия фотонов узкой и тонкойсверхнроводящей нолоской из NbN экспоненциально надает с уменыпением транснортпого тока, нри некотором пороговом значении тока зависимость квантовой эффективности от транснортного тока нереходитв экспоненту с большим показателем. Пороговое значение тока уменьшается с уменьшением длины волны излучения и с уменьшением толщины нленки: при толщине 10 нм значения норогового тока составляютот 0.81/с (длина волны 0.56 мкм) до 0.884 (1-26 мкм), а нри толщинепленки 3.5 нм - от 0.65/^ (0.5G мкм) до 0.80/с (1.55 мкм).• Максимальные значения квантовой эффективности при толщине нленки NbN 10 нм и / ^ 0.99/с составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% надлинах волн 0.5G мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм, соответственно.Практическая значимость работы.Практическим результатом работгл явилось создание детектора одиночных фотонов на основе исследова1П1ого в настоящей работе эффекта однофотонного детектирования онтического и ИК излучений. Детектор нредставляет собой меандр размером Юмкм х Юмкм из нленки NbN толщиной 3.5 нми обладает рекордными характеристиками в дианазоне электромагнитногоизлучения 1.3-1.5 мкм. Этот детектор положен в основу тестера микросхем,который анализирует работу схемы нутём регистрации ИК имнульсов, излу^ чаемых КМОП транзисторами [5, 6, 7].15Масштабность сферы нрименения результатов работы определяется тем,что рекордная чувствительность и быстродействие однофотонных детекторовf на основе исследуемых наноструктур позволяет достичь значительного прогресса в волоконно-онтических телекоммуникационных технологиях, квантовой криптографии, квантовых комныотерах, дистанционном зондированни,радиоастрономии, системах контроля и безонасности, медицине и фармакологии. Кроме того, современные корреляционнр>1е методы исследования однос|)отонных источников (квантовых точек) и бифотонных запутанных состояний в нелинейной оптике также могут получить суп1,ествепное нродвнжение-^ с улучшением характеристик однофотонных детекторов.Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и нрактичсскаязначимость работы, приводится краткое содержание диссертации.
