CC BY
20
УДК 538.9
И.В. Пентин1, К.В. Смирнов1,2, Ю.Б. Вахтомин1,2, А.В. Смирнов1, Р.В. Ожегов2,
А.В. Дивочий1, Г.Н. Гольцман1 1 Московский педагогический государственный университет 2 ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии»
Быстродействующий терагерцевый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых
тонкопленочных наноструктурах
Представлены результаты создания приемных систем терагерцевого диапазона (0,3-70 ТГц), обладающих рекордным быстродействием (50 пс) и высокой чувствительностью (до 5x 10-14 Вт/Гц1/2), а также однофотонных приемных систем ближнего инфракрасного диапазона с квантовой эффективностью 25 %, уровнем темнового счета 10 с-1, максимальной скоростью счета ~ 100 МГц и временным разрешением до 50 пс.
Ключевые слова: электронный разогрев, тонкие пленки, сверхпроводимость, болометр, детектор терагерцевого диапазона, счетчик одиночных фотонов ИК-диапазона.
I. Введение
Открытие коллективом Учебно-научного радиофизического центра Московского педагогического государственного университета (УНРЦ МПГУ) эффекта электронного разогрева в сверхпроводящих пленках [1] привело к созданию новых устройств — сверхпроводникового однофотонного детектора (SSPD — superconducting single photon detector), работающего в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных волн [2], а также рекордных по чувствительности и быстродействию смесителей и болометров миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (HEB-hot electron bolometer) [3].
Указанные детекторы, а также созданные ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» приемные системы на их основе в настоящее время уже нашли практическое применение в радиоастрономии терагерцевого диапазона (исследование звездообразования в молекулярных облаках и пылевых туманностях) и в радиофизике (дистанционное зондирование верхних слоев атмосферы в субмиллиметровом диапазоне волн для мониторинга гетерогенных химических реакций и наличия примесей-катализаторов, предположительно отвечающих за состояние озонового слоя и глобальное потепление климата) [3, 4]; в электронике (разработка приборов для неразрушающей диагностики КМОП СБИС путем детектирования излучения горячих электронов в переключающихся полевых транзисторах) [5]; в квантово-криптографических линиях связи [6, 7] и в телекоммуникации [8]; в научных исследованиях (детектирование одиночных фотонов с высоким временным разрешением, исследование излучения из полупроводниковых квантовых точек, ближнеполевая спектроскопия терагерцевого диапазона частот) [9-12].
Несомненно, что область перспективного применения сверхпроводниковых однофотонных детекторов видимого и инфракрасного излучения, а также болометров терагерцевого излучения значительно шире рассмотренной выше. Они могут быть использованы для создания систем всепогодной навигации, систем охраны и контроля — для детектирования спрятанных металлических и неметаллических объектов, в медицинской технике, пожарной охране, магистральных волоконно-оптических линиях связи и пр.
II. Однофотонные приемники видимого и ИК-диапазонов
Перспективность использования сверхпроводниковых детекторов и приемных систем на их основе определяется, прежде всего, их рекордными характеристиками. SSPD способен регистрировать световые потоки от приблизительно одного фотона в минуту до 109 -1010 фотонов в секун-
ду; его собственная нестабильность (jitter) не превышает 20 пс. Квантовая эффективность (QE) детектора составляет, например, в технологически важном диапазоне 0,85-1,5 мкм QE = 30 %.
Сравнение SSPD с другими существующими быстрыми счетчиками ИК-фотонов показывает, что по совокупности технических характеристик он существенно их превосходит. Так, на длине волны 1,3 мкм лучшие электровакуумные фотоумножители, например фотоумножители фирмы Hamamatsu, при максимальной скорости счета 9■ 106 (jitter ~ 150 пс) имеют квантовую эффективность не более 0,1 % и темновой счет порядка 200 ■ с-1. Полупроводниковые лавинные диоды из InGaAs (фирмы Fujitsu) хотя и демонстрируют большую квантовую эффективность QE = 16 %, но значительно уступают как по скорости счета Б x 106 (jitter ~ 200 пс), так и по уровню ложных срабатываний ( Б00 с-1).
Основу SSPD детекторов составляет пленка нитрида ниобия (NbN) толщиной в 4 ^ 4,Б нм (~ 8 ^ 10 атомных слоев), критическая температура сверхпроводящего перехода которой Тс ~ 10 К. Существенная особенность в изготовлении SSPD детектора состоит в том, что из пленки формируется узкая (~ 100 нм) и длинная (~ 0,Б мм) полоска в виде меандра, заполняющая приемную площадку размером 10 x 10 мкм2 (рис. 1). Приведенные выше характеристики детектора достигаются тогда, когда плотность тока при рабочей температуре детектора Т = 2-4,2 К в любом сечении полоски близка к критическому току, jc ~ 107 А /см2. Указанное условие предполагает создание сверхпроводниковой полоски, ширина которой испытывает отклонения не более чем на Б нм [14].
Рис. 1. Фотография чувствительной области ВБРР, полученная на сканирующем электронном микроскопе. Светлые участки — полоски сверхпроводника, темные — участки, где сверхпроводник удален
В рабочем состоянии при температуре гораздо ниже Тс детектор смещается постоянным током, близким к критическому. Поглощение фотона и последующее электрон-электронное взаимодействие, сопровождающееся диффузией горячих электронов, образуют горячее пятно, содержащее квазичастицы. Это подавляет сверхпроводимость в области пятна и выталкивает сверхток смещения на периферию, где его плотность становится больше критической. Все сечение сверхпроводниковой полоски переходит в нормальное состояние и возникает падение напряжения, которое может быть легко зарегистрировано. Фронт нарастания напряжения составляет единицы пикосекунд. Продолжающаяся диффузия горячих квазичастиц приводит к быстрому остыванию горячего пятна и возврату в сверхпроводящее состояние. Длительность импульса напряжения определяется кинетической индуктивностью сверхпроводниковой полоски и составляет около 1 нс.
На основе ВБРБ нами были реализованы приемники ИК-излучения, оптимизированные для телекоммуникационных и квантово-криптографических применений с использованием оптоволоконной техники. Основной решенной задачей при создании приемников являлась реализация
эффективного оптического согласования используемого стандартного одномодового волокна (диаметр светонесущей жилы ~ 9 мкм) с приемной площадкой ВБРБ размером 10 х 10 мкм2. В табл. 1 представлены характеристики приемной системы, приведенные к оптическому входу. Приемники имеют один или два идентичных канала (в случае проведения корреляционных измерений) и выполнены в виде вставки в гелиевый транспортный сосуд Дьюара или на основе крио-рефрижератора замкнутого цикла.
Т а б л и ц а 1
Квантовая эффективность, приведенная к оптическому входу (отношение количества импульсов напряжения на выходе системы к количеству фотонов на входе): на длине волны 0,85 мкм на длине волны 1,3 мкм на длине волны 1,55 мкм на длине волны 2 мкм 25 % 20 % 15 % 2 %
Уровень ложных срабатываний (количество импульсов напряжения на выходе системы при отсутствии излучения на входе) 10 с -1
Длительность выходного импульса напряжения 5 нс
Временная нестабильность переднего фронта выходного импульса напряжения < 50 пс*
* Ограничено предельным разрешением регистрируемой аппаратуры.
III. Болометры терагерцового диапазона
Основными характеристиками болометров терагерцевого диапазона являются эквивалентная мощность шума (NEP — noise equivalent power), быстродействие, диапазон рабочих частот. Созданные нами сверхпроводниковые болометрические приемные системы охватывают диапазон частот от 300 ГГц до 70 ТГц (табл. 2), максимальное быстродействие — 50 пс, NEP ~ 10-12-10-14 Вт ■ Гц-1/2. Ближайшими конкурентами сверхпроводниковых болометров являются полупроводниковые детекторы на основе InSb и Ge [15]. Оба типа болометра имеют NEP ~ 10-12 Вт ■ Гц-1/2, малое быстродействие (1 МГц и 200 Гц для InSb и Ge болометров соответственно), рабочий диапазон 60-500 GHz для InSb и 0.1-30 THz для Ge.
Т а б л и ц а 2
Тип детектора 1/1 а 2/2 а 3/3 а
Диапазон частот, ТГц 0.3-3 25-70 1-30
Эквивалентная мощность шума (МЕР), Вт ■ Гц-0>5 5-7 x 10-14/ 3-5x 10-13 1-2 x 10-12/ 4-5 x 10-12 1-2 x10-11/ 6-8 x10-11
Время отклика, нс 1/0,05 1/0,05 1/0,05
Динамический диапазон, ^Вт 1 50 105
Как и в случае однофотонных детекторов, принцип действия НЕВ болометров основан на эффекте электронного разогрева в тонкой пленке сверхпроводника. При поглощении излучения сверхпроводником, находящимся при температуре сверхпроводящего перехода (в точке с максимальным значением ёБ/ёТ), сопротивление структуры изменяется вследствие установления электронной температуры выше температуры решетки. В случае, если частота модуляция излучения меньше обратного времени остывания электронной подсистемы сверхпроводника (определяется в основном временем электрон-фононного взаимодействия и выходом неравновесных фононов из пленки в подложку), на концах структуры, смещенной постоянным током, возникает электрический сигнал, модулированный с частотой модуляции излучения. Для создания быстрых болометрических приемников необходим подбор сверхпроводниковых материалов с малым временем электрон-фононного взаимодействия, а также создание условий для уменьшения времени выхода неравновесных фононов в подложку. Последнее уменьшается с уменьшением толщи-
ны сверхпроводниковой пленки и при улучшении акустического согласования сверхпроводника и подложки. Для создания болометров нами используются тонкие пленки NbN и MoRe, время остывания электронной подсистемы в которых составляет 50 пс и 1 нс соответственно.
Геометрия болометра определяется частотным диапазоном и необходимостью эффективного согласования излучения с активной областью детектора, а также согласованием сопротивлений болометра и сигнального тракта. В диапазоне 0,3-3 ТГц чувствительная область имеет типичные размеры 0,1 х 1 мкм2 и интегрирована с планарной широкополосной антенной (рис. 2). Для улучшения согласования с излучением нами используется кремниевая линза, фокусирующая исследуемое излучение на антенну. В диапазонах 1-30 ТГц и 25-70 ТГц чувствительный элемент болометра имеет планарные размеры в несколько десятков микрон; излучение фокусируется кремниевой линзой в диапазоне 1-30 ТГц и германиевой линзой в области больших частот. Детектор устанавливается в гелиевый оптический криостат и комплектует- сверхпроводникового HEB болометра, интегриро-
ся блоком электроники, интегрируемым в сре- ванного с планарной спиральной антенной
ду LabView.
Представленные в настоящей работе приемные системы видимого, инфракрасного и терагер-цевого диапазонов являются продукцией компании ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» [16].
Поисковая научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг., ГК 02.740.11.0228; 17.09.10; 17.09.10; 111267; П1287 и поддержана грантом Президента НШ-3265.2010.2.
Литература
1. Гершензон Е.М., Гершензон М.Е., Гольцман Г.Н. [и др.] Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии // Письма в ЖЭТФ. — 1981. — Т. 34, вып. 5. — С. 281-285.
2. Gol’tsman G., Okunev O., Chulkova G. et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector // App. Phys. Lett. — 2001. — V. 79. — P. 705-707.
3. Финкель М.И., Масленников С.Н., Гольцман Г.Н. Супергетеродинные терагерцовые приёмники со сверхпроводниковым смесителем на электронном разогреве // Известия вузов. Радиофизика. — 2005. — Т. 48, №. 10-11. — С. 964.
4. TELIS home page: http://telis.af.op.dlr.de/; HERSCHEL home page:
http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Projects/Herschel/; SOFIA home page:
http://sofia.arc.nasa.gov/
5. Zhang J., Boiadjieva N., Chulkova G. [et al.] Non-invasive CMOS circuit testing with NbN
superconducting single-photon detectors // Elect. Lett. — 2003. — V. 39. — С. 1086-1088.
6. Takesue H., Nam S., Zhang Q. [et al.] Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors // Nature Photonics. — 2007. — V. 1. — P. 343--348.
7. Stucki D., Walenta N., Vannel F. et al. High rate, long-distance quantum key distribution over 250km of ultra low loss fibres // New Journal of Physics. — 2009. — V. 11, 075003.
8. Milostnaya I., Korneev A., Rubtsova I. [et al.] Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-мm telecommunication wavelength // Journal of Physics: Conference Series. — 2006. — V. 43. — P. 1334-1337.
Рис. 2. Фотография чувствительного элемента
9. Huber A., Keilmann F., Wittborn J. [et al.] Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices // Nano Lett. — 2008. — V. 8, N. 11. — P. 3766-3770.
10. Hostein R., Braive R., Larque M. [et al.] Room temperature spontaneous emission enhancement from quantum dots in photonic crystal slab cavities in the telecommunications C band // Appl. Phys. Lett. — 2009. — V. 94, 123101.
11. Divochiy A., Marsili F., Bitauld D. [et al.] Superconducting nanowire photon number resolving detector at telecom wavelength // Nature Photonics. — 2008. — V. 2. — P. 302-306.
12. Halder M., Beveratos A., Gisin N. [et al.] Entangling independent photons by time measurement // Nature physics. — 2007. — V. 3.
13. www.idquantique.com,www.perkinelmer.com
14. Gol’tsman G., Smirnov K., Kouminov P. [et al.] Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors // IEEE Trans. Appl. Supercon. — 2003. — V. 13, N. 2. — P. 192-195.
15. www.terahertz.co.uk
16. www.scontel.ru
Поступила в редакцию 27.04.2011.
