Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Воздействие оптического и ик излучения на тонкие сверхпроводящие плёнки . 18
1.1 Образование «горячего пятна» при поглощении кванта ИК излучения тонкими сверхпроводящими плёнками NbN. 19
1.2 Воздействие электрического тока на локальные возбуждения сверхпроводящего состояния в узких мостиках . 23
1.3 Однофотонный детектор на фотоиндуцированных центрах проскальзывания фазы. 28
Глава II. Методика исследования. 36
2.1 Технология изготовления и методы отбора исследуемых образцов. 37
2.2 Экспериментальная установка. 47
2.3 Методы измерения основных характеристик однофотонных детекторов . 52
Глава III. Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводящего детектора на основе тонкой Nbn плёнки . 59
3.1 Эффект однофотонного детектирования оптического и ИК излучений в тонких сверхпроводящих NbN плёнках. Однофотонный и многофотонный процессы детектирования. 60
3.2 Исследование зависимости квантовой эффективности от величины рабочего тока. 72
3.3 Исследование зависимости квантовой эффективности от геометрических размеров однофотонного детектора . 81
3.4 Исследование спектральной зависимости квантовой эффективности. Оценка границы частотного диапазона чувствительности сверхпроводящего однофотоиного NbN детектора. 91
Выводы 97
Глава IV. Быстродействие однофотонного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки. 98
4.1 Величина и форма импульса однофотоиного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки. 99
4.2 Исследование задержки отклика однофотоиного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки после поглощение кванта света . 112
4.3 Исследование джиттера однофотоиного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки. 119
Выводы 124
Глава V. Применение сверхпроводящего однофотонного детектора на основе тонкой NbN плёнки в оптической диагностике микросхем . 125
Заключение. 129
Список публикаций автора. 133
Литература. 138
- Воздействие электрического тока на локальные возбуждения сверхпроводящего состояния в узких мостиках
- Методы измерения основных характеристик однофотонных детекторов
- Исследование зависимости квантовой эффективности от геометрических размеров однофотонного детектора
- Исследование задержки отклика однофотоиного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки после поглощение кванта света
Введение к работе
Развитие инфракрасной техники привело к появлению нового класса приборов - однофотонных детекторов излучения ИК диапазона. Они используются для регистрации сверхмалых потоков излучения, исходящих либо от удалённых объектов, например, в астрономических наблюдениях, либо от тел микронных и субмикронных размеров [1,2,3]. Кроме того, в последние годы возрос интерес к исследованию и конструированию схем обработки и передачи информации квантовыми устройствами (квантовые компьютеры и квантовокриптографические каналы связи) [4-8]. Открытие и множество разработок полупроводниковых одноквантовых генераторов на квантовых точках, например [9-11], генераторов фотонных пар [12,13] придали новый импульс работам в этом направлении. Однофотонные детекторы являются необходимым элементом подобных систем. Ещё одно направление, требующее использования однофотонных детекторов -обнаружение не только слабых, но и быстропротекающих процессов по их неравновесному ИК излучению. Такое излучение, например, возникает при срабатывании каждого транзистора интегральной микросхемы, выполненной по КМОП технологии [14,15]. В течение времени переключения полевого транзистора — от Юпс до ЮОпс, испускается всего несколько квантов света. Максимум спектральной плотности излучения после прохождения через Si подложку микросхемы приходится на длину волны 1,3мкм и наблюдается тенденция к его смещению в область больших длин волн для новых микропроцессорных структур. Один из современных методов тестирования микросхем основан на изучении интенсивности и точного определения времени возникновения излучения, исходящего от каждого отдельного транзистора [16,17]. Перечисленные применения требуют предельных характеристик работы однофотонных детекторов, прежде всего высокой чувствительности к излучению,
высокого быстродействия, а также высокой точности в определении момента прихода фотона.
Исторически одно фото иные детекторы ИК диапазона появились путём продвижения техники однокваитового детектирования видимого и ультрафиолетового диапазонов в длинноволновую область спектра. Поэтому первыми и до настоящего времени широко используемыми приборами являются фотоэлектронные умножители, модифицированные для работы в ИК диапазоне [1,18]. Обладая высокой чувствительностью к видимому свету, они снижают эту характеристику в 103-104 раз, работая в диапазоне 1,3-1,5мкм. Точность в определении момента прихода светового кванта в лучшем случае достигает 150пс. Время восстановления фотоэлектронного умножителя после приёма очередного оптического импульса около 100нс [1].
В качестве быстродействующих линейных детекторов ИК излучения давно используются кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД). При изменении конструкции с целью повышения квантового выхода, лавинный фотодиод переводят в режим счётчика одиночных фотонов [19,20]. К сожалению, рост квантового выхода сопровождается снижением быстродействия детектора до величины около 200нс [19]. Красная фаница чувствительности кремниевых ЛФД определяется шириной запрещённой зоны в кремнии и находится вблизи 1мкм.
Помимо модификаций традиционных типов одно фотонных детекторов активно ведутся поиски новых принципов однофотонного детектирования. В счётчиках фотонов видимого света (VLPC) для усиления фотоотклика используется пробой мелкой примеси в легированном слое кремния [21-23]. Пробой инициируется попаданием в легированную область носителя заряда фотоиндуцированного в нелегированном слое полупроводника. Полученная квантовая эффективность оказался выше, чем в кремниевых ЛФД.
Для работы в диапазоне более длинных волн создаются ЛФД на основе Ge [24-26] и узкозонного тройного соединения InGaAs [27,28]. Вместе с повышением квантовой эффективности в этих детекторах возрастает уровень спонтанных срабатываний прибора в отсутствие излучения, что является серьёзным препятствием в получении высокой чувствительности. Время восстановления варьируется от нескольких единиц до сотен наносекунд.
Для полноты картины следует сказать, что в последние годы появились разработки полупроводниковых однофотонных детекторов в дальней инфракрасной области спектра на основе квантовых точек, образующихся в двумерном слое GaAs/AlGaAs [29-31]. Приборы охлаждаются до сверхнизких температур (ниже 0,1 К). Лавинное размножение числа свободных носителей заряда возникает после поглощения фотона с энергией соответствующей переходу между уровнями размерного квантования. Эти приборы интересны тем, что работают в диапазоне длин волн выше ЮОмкм, недоступном другим детекторам. Но сложные технические условия работы и крайне продолжительное время восстановления, около 1мс, сильно ограничивают возможную область их применения.
В Таблице 1 (строки 1-4) приведены основные характеристики лучших коммерческих однофотонных детекторов излучения на длине волны 1,3мкм. Скорость счёта детектора зависит от быстродействия протекающих в нём физических процессов. Её отношение к количеству самопроизвольных срабатываний (темновому счёту - DC) определяет динамический диапазон детектора. Динамический диапазон - это ключевая характеристика однофотонных приёмников для работы в телекоммуникационных системах, т.к. она прямо влияет на количество ошибок, возникающих при передаче и обработке информации. Кроме того, скорость счёта влияет на возможность регистрации часто повторяющихся
процессов, например, срабатывание ключей микросхем, происходящее с частотой до нескольких ГТц. Другая характеристика однофотонного детектора - квантовая эффективность (QE). Она определяет чувствительность приёмника и равна вероятности возникновения отклика при попадании фотона на рабочую поверхность детектора. Временная нестабильность отклика детектора - джиггер - приведён в третьей графе. Джиттер практически указывает на точность, с которой можно определить момент поглощения фотона. Например, в современных микросхемах время срабатывания ключей следует контролировать по их излучению с точностью ~ Юпс.
Таблица 1.
Приведённые в Таблице I значения параметров показывают, что характеристики существующих одно фото иных детекторов не полностью отвечают современным практическим потребностям. Поэтому поиск новых физических принципов однофотонного детектирования и разработка на их основе новых типов однофотонных детекторов ИК диапазона является актуальной и практически значимой задачей.
Принцип действия перечисленных однофотонных детекторов основан на лавинном размножении свободных носителей заряда в результате каскадной ударной ионизации, вызванной либо внешним, либо
внутренним фотоэффектом. На ином принципе осуществляется работа детекторов из сверхпроводящих материалов. Энергия ИК фотона в сотни раз превосходит энергетическую щель в сверхпроводнике, поэтому его поглощение сопровождается повышением концентрации квазичастиц. До настоящего времени зарегистрировать повышение концентрации квазичастиц при поглощении одного фотона удавалось только в неоднородностях сверхпроводящих плёнок, например, по эффектам связанным со слабой сверхпроводимостью [32-34]. В работах [35-39] поглощение кванта ИК излучения регистрировалось по изменению электрического тока сверхпроводящего туннельного контакта (STJ). Эти детекторы требуют глубокого охлаждения до температуры около 1К. Время восстановления составляет несколько микросекунд (строка 5 Таблицы 1). В сложившейся ситуации актуальным является экспериментальное исследование возможностей однофотонного детектирования в однородных сверхпроводящих плёнках.
В настоящей работе обнаружен новый эффект однофотонного детектирования в тонких сверхпроводящих плёнках, возникающий в однородных, узких плёнках - мостиках в условиях протекания электрического тока близкого к критическому току распаривания. На основе этого эффекта предложен новый тип однофотонного детектора оптического и ИК диапазонов [40,41]. Характеристики детектора, достигнутые в настоящее время, указаны в последней строке Таблицы 1.
При выборе объекта исследования, принималось во внимание то обстоятельство, что наибольший квантовый выход, т.е. количество квазичастиц, образующееся после поглощения фотона сверхпроводящей плёнкой, имеют приборы, в которых тсе<те, где тсс - время электрон-электронного неупругого рассеяния, а те — время релаксации энергии электронов. В этом случае вся энергия поглощённого излучения сначала распределится только по электронной подсистеме. В достаточно тонких
плёнках наблюдается явление электронного разогрева, когда между электронной и фононной подсистемами не устанавливается термодинамического равновесия [42-48]. Это возникает, если Tes
В работах [58-59] исследовались отклики фотодетекторов из тонких сверхпроводящих NbN плёнок на воздействие импульсного излучения ближнего ИК диапазона. Выбор материала обусловлен тем, что при температурах ниже температуры сверхпроводящего перехода в тонких плёнках неупорядоченных сверхпроводников, к которым относится NbN, за счёт интенсивного примесного рассеяния происходит усиление электрон-электронного рассеяния [49] и существенное ослабление неупругого электрон-фононного [50]. Исследование релаксации проводимости тонких плёнок NbN в резистивном состоянии [52] показало, что даже при хорошем акустическом согласовании материалов плёнки и подложки электронный разогрев наблюдается в плёнках NbN с толщиной не более 40нм. Длительность отклика фотодетектора из сверхпроводящей NbN плёнки толщиной менее Юнм на оптические импульсы оказалась короче ЗОпс, что раскрывает широкие возможности для его практического применения. Но при поглощении одного фотона возникает нагрев электронов в небольшой области плёнки, с размерами гораздо меньшими размеров самой структуры, что не приводит к возникновению сопротивления фотодетектора. Переход всей плёнки из сверхпроводящего состояния в нормальное требует значительного потока излучения.
В настоящей работе предложено изготавливать детектор в виде полоски субмикронной ширины из тонкой сверхпроводящей NbN плёнки. При поглощении в плёнке светового кванта образуется «горячее пятно» [60], Диаметр "горячего пятна" столь мал, что современными технологическими средствами невозможно изготовить сверхпроводящую полоску равных ему поперечных размеров с удовлетворительными физическими характеристиками. Поэтому вдоль сверхпроводника предлагается пропускать электрический ток близкий к току распаривания. Квант света воздействует на плёнку, находящуюся около неустойчивой точки перехода, когда небольшое внешнее возмущение способно привести к заметным изменениям в системе квазичастиц и сверхпроводящего конденсата.
Целью диссертационной работы являлось исследование воздействия одиночных фотонов оптического и ИК излучений на тонкие однородные сверхпроводящие плёнки и определение возможностей однофотонного детектирования. Исследование механизма возникновения электрического сигнала при поглощении фотона и определение физических характеристик отклика. Исследование влияния геометрии структур и физических условий наблюдения на квантовую эффективность образцов детектора, форму, длительность и временную нестабильность отклика (джиттер).
В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводящие полоски шириной от 150нм до 200нм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из NbN плёнок толщиной от 3,5нм до 20нм. Плёнки наносились на сапфировую или кремниевую подложки методом магнетронного распыления Nb в газовой смеси N2 и Аг. Полоски изготавливались в виде отдельных мостиков, а также меандров, покрывающих площадку 4х4мкм2 или ЮхЮмкм2..
Предмет работы включает в себя:
разработку и изготовление экспериментальной установки с временным разрешением до Юпс на основе импульсного лазера ИК диапазона для измерения характеристик однофотонных детекторов.
обнаружение эффекта однофотонного детектирования в тонких сверхпроводящих NbN плёнках. Исследование условий его возникновения и характер перехода от многофотонного к однофотонному процессу детектирования.
измерение квантовой эффективности исследуемых структур в зависимости от тока смещения, длины волны излучения и геометрических размеров приёмных элементов.
изучение формы электрических импульсов, вырабатываемых детектором, задержки отклика и джиггер.
сравнение полученных экспериментальных результатов с модельными теоретическими расчётами.
Особенностью методик исследования однофотонных процессов является статистический характер измеряемых величин. Излучение импульсного GaAs лазера, подаваемое на детектор, ослаблялось набором ИК фильтров настолько, чтобы большая часть дошедших до приёмника оптических импульсов содержала только один квант световой энергии, что позволяло изучать процессы однофотонного детектирования. В этом случае вероятность попадания на приёмный элемент фотонов в момент срабатывания лазера была много меньше единицы. Квантовая эффективность определялась по зависимости вероятности появления отклика от величины средней энергии импульсного излучения, при его ослаблении до величины меньшей энергии одного светового кванта. Характер зависимости позволял разделять однофотонные и многофотонные процессы детектирования. Статистический характер имеют и другие наблюдаемые величины: длительность отклика и его задержка.
В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:
Впервые обнаружен и исследован эффект однофотонного детектирования света видимого и ИК диапазонов структурами субмикронных размеров, изготовленными из тонких сверхпроводящих плёнок, в условии протекания через них тока близкого к критическому току распаривания.
Определены условия наблюдения эффекта однофотонного детектирования. Этот эффект наблюдался в узких, шириной 150нм - 200нм однородных сверхпроводящих полосках - мостиках, изготовленных на основе тонких, толщиной менее 20нм, NbN плёнок и охлаждённых ниже критической температуры сверхпроводящего перехода. Необходимым условием возникновения эффекта однофотонного детектирования является пропускание по сверхпроводящему мостику тока смещения близкого к току распаривания. В исследованных структурах ток смещения отличался от критического тока не более, чем на 20% для образцов толщиной 3,5нм и на 10% для образцов толщиной Юнм.
- Получены спектральные зависимости квантовой эффективности сверхпроводящих однофотонных детекторов на основе NbN плёнки. Обнаружено, что в диапазоне длин волн от 0,8мкм до Змкм квантовая эффективность спадает с длиной волны по экспоненциальному закону. Коэффициент в показателе экспоненты зависит от толщины плёнки. Для исследованных структур толщиной Юнм он составил 4,2мкм"\ а при толщине 3,5нм - 2,7мкм"1.
Обнаружена зависимость квантовая эффективность сверхпроводящих однофотонных детекторов от толщины плёнки. Для длины волны 0,85мкм достигнутые в работе квантовые эффективности детекторов из плёнки толщиной 3,5нм составляли 1%-^5%, а при толщине Юнм - 0,05%-Ю,3%. В детекторах из плёнки толщиной более 20нм однофотонный режим работы в
ИК диапазоне не наблюдался. Показано, что существенным фактором, определяющим величину квантовой эффективности, является однородность сверхпроводящей полоски по длине детектора.
Исследована форма и длительность отклика сверхпроводящего одно фото иного детектора на поглощение фотона. Форма и длительность импульса напряжения, вырабатываемого детектором, не зависят от энергии поглощённого фотона. Импульс имеет резко нарастающий передний фронт. Время нарастания (100 пс) определяется измерительной аппаратурой. Время спада заднего фронта определяет длительность всего отклика. Быстродействие детектора зависит от параметров внешней схемы включения, и в настоящей работе достигало ЗООпс.
Обнаружена задержка отклика однофотонного детектора по отношению к моменту поглощения фотона. Длительность задержки составляет около 70±10пс. Показано, что задержка обусловлена временем подавления сверхпроводимости в тонкой плёнке под действием электрического тока.
Измерен джиттер однофотонного детектора. Величина джиггера, для исследованных в работе структур, составляла около 35±10пс. Проведена оценка влияния на величину джиггера температурных и токовых флуктуации, а также возможных неоднородностей по длине сверхпроводящей полоски.
Проведено сопоставление результатов исследования с теоретической моделью работы однофотонного детектора, основанной на эффекте образования фотоиндуцированных центров проскальзывания фазы. Показано, что эта модель хорошо описывает наблюдаемое явление и даёт правильные средние значения измеряемых величин. Вместе с тем отмечается, что теория не в полной мере учитывает случайный характер квантовых процессов и требует дальнейшего развития для описания наблюдаемых статистических распределений.
Практическая значимость работы
Практическим результатом работы явилось создание детектора одиночных фотонов на основе обнаруженного в настоящем исследовании эффекта однофотонного детектирования оптического и ИК излучений. Детектор представляет собой меандр размером ЮхЮмкм из NbN плёнки толщиной 3,5нм и обладает рекордными характеристиками в диапазоне электромагнитного излучения 1,3-1,5мкм. Этот детектор положен в основу тестера микросхем, который анализирует работу схемы путём регистрации ИК импульсов, излучаемых КМОП транзисторами [61,109,112].
На основе эффекта однофотонного детектирования тонкими сверхпроводящими NbN плёнками можно создать высокочувствительные быстродействующие одно фотонные детекторы для:
-телекоммуникационных систем и систем квантовой обработки информации,
-экспериментальных исследований в области молекулярной спектроскопии.
-регистрации теплового излучения удалённых объектов.
Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения.
Во Введении обосновывается актуальность выбранной тем, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводится краткое содержание диссертации.
В главе 1 даётся обзор литературы по исследованиям воздействия слабых потоков оптического и ИК излучений на тонкие сверхпроводящие плёнки, а также рассматриваются явления, возникающие при воздействии около критических токов на локальные возбуждения в узких сверхпроводящих мостика. Эти явления положены в основу приведённой здесь же теоретической модели, которая предложена её авторами для
объяснения обнаруженного в настоящей работе эффекта однофотонного детектирования.
В главе 2 описываются технология изготовления и методы отбора исследуемых образцов. Дан перечень образцов и указаны их параметрами. Приведены технические характеристики экспериментальной установки и её блок-схема. Здесь же изложены методики измерения основных характеристик однофотонных детекторов.
В главе 3 исследуются условия получения эффекта однофотонного детектирования в тонких сверхпроводящих NbN плёнках. Обнаружен переход от много фотон но го режима работы детектора к однофотонному режиму при изменении мощности излучения, режимов смещения и изменения размеров приёмного элемента. Проведено исследование влияния на квантовую эффективность величины рабочего тока, геометрии образцов однофотонных детекторов. Определена спектральная зависимость квантовой эффективности.
В главе 4 исследуются форма и величина импульсного отклика однофотонного детектора на поглощение фотона тонкой сверхпроводящей NbN плёнкой. Исследуются характеристики отклика: длительность, время нарастания и спада, время задержки после поглощения фотона плёнкой, временная флуктуация (джиттер).
В главе 5 описан современный метод оптической диагностике микросхем с пикосекундным разрешением и приводится- результат применения сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки в тестере микросхем.
В Заключении сформулированы научные результаты, полученные в диссертации.
Результаты настоящего исследования опубликованы в 15 печатных работах и доложены на 11 российских и международных конференциях, список которых приведён в конце диссертации.
Работа велась в сотрудничестве с исследовательской группой лаборатории лазерной техники Рочестерского университета, США. Результаты» впервые полученные в настоящей работе, были полностью подтверждены проведёнными в Рочестерском университете аналогичными исследованиями. Данное обстоятельство нашло своё отражение в совместных публикациях.
Воздействие электрического тока на локальные возбуждения сверхпроводящего состояния в узких мостиках
В публикациях [60,64,65] рассматривалась теоретическая возможность разработки однофотонного детектора на эффекте образования «горячего пятна» при поглощении излучения ИК диапазона тонкими сверхпроводящими плёнками. Там приведён пример расчёта однофотонного детектора [65] размером S=1X1MKM2, изготовленного из NbN плёнки толщиной Юнм. Было получено, что при поглощении фотона с длиной волны Імкм, в «горячем пятне» размером 1 -0,1 мкм электронная температура повышается на 1,5К. Далее, предлагалось работать при температуре сверхпроводящего перехода, где крутизна зависимости сопротивления детектора от температуры максимальна. Критический ток сверхпроводящего перехода в таких рабочих условиях сильно подавлен и в данном примере расчёта его величина принималась ЮмкА. Если учесть, что сопротивление детектора в рабочей точке около Ro-ІкОм, а изменяется оно при появлении горячего пятна на величину AR R()L t/S то, в силу двух причин: большого рассогласования сопротивлений и малого по величине сигнала, непосредственное включение такого детектора в стандартную 50-оммную линию передачи невозможно. Поэтому выход детектора предлагалось нагрузить на трансформатор импедансов с коэффициентом трансформации 200:1. Следует отметить, что после выхода этих работ, не появилось ни одной публикации по практической реализации предложенного в них устройства. По-видимому, это связано с очень малыми величинами вырабатываемых детектором сигналов и возрастанием шумов при работе в области сверхпроводящего перехода.
Таким образом, при поглощении фотонов оптического и ИК диапазонов тонкими сверхпроводящими пленками в них на короткое время возникает небольшая область -«горячее пятно» с размерами порядка удвоенной длины термализации. В «горячем пятне» сверхпроводимость подавлена. Если при поглощении света «горячих пятен» образуется достаточно много, то сопротивление плёнки может измениться. На этом явлении основана работа сверхпроводящих болометров. Но изготовить на том же принципе однофотопный сверхпроводящий детектор до настоящего времени не удавалось. 1.2 Воздействие электрического тока на локальные возбуждения сверхпроводящего состояния в узких мостиках.
В этом параграфе рассматривается круг явлений, происходящих при пропускании электрического тока через узкие мостики, изготовленные из тонких сверхпроводящих плёнок. Выбор материала параграфа продиктован, прежде всего, предметом исследования, поэтому здесь отражён не весь перечень явлений возникающих в сверхпроводнике под действием электрического тока. Не рассматриваются эффекты, вызванные слабой сверхпроводимостью и неоднородностями в плёнке, движением магнитных вихрей и поведением сверхпроводника с током во внешнем магнитном поле, явления, обусловленные проявлением кинетической индуктивности. Эффект однофотонного детектирования был обнаружен в тонких и узких сверхпроводящих полосках при пропускании через них тока смещения близкого по величине к току распаривания. В параграфе основное внимание уделено процессам, происходящим при воздействии около критических токов на локальные возбуждения в вискерах и узких мостиках. В этих условиях изменение импеданса структуры имеет, в основном, активную составляющую, не связанную с образованием и течением вихрей.
Исследуемое в работе соединение NbN, является сверхпроводником второго рода. Для него характерно сильное примесное рассеяние и малая длина свободного пробега носителей заряда в сравнении с длиной когерентности сверхпроводящего состояния. Если толщина d значительно меньше глубины проникновения продольного магнитного поля \& (d A-d), а ширина w меньше глубины проникновения поперечного магнитного поля (w Xj /d) [66], то образование в плёнке магнитных вихрей невозможно. Электрический ток в отсутствие локальных возмущений распределяется равномерно по сечению. Длина когерентности в «грязных» сверхпроводниках второго рода очень мала и для плёнок всегда выполняется условие w» . Такие мостики не являются вискерами, т.е. одномерными образованьями, но явления, происходящие в одномерных структурах, могут быть отправной точкой для анализа процессов, протекающих в узких сверхпроводящих мостиках.
Общеизвестно, что электрический ток подавляет сверхпроводимость. При возрастании тока увеличивается скорость упорядоченного движения куперовских пар и снижается их концентрация так, что при некотором значении тока (ток распаривания 1с), происходит лавинообразное разрушение сверхпроводящего состояния. Согласно модели [67], сверхпроводник не сразу переходит в нормальное состояние, а сначала возникает так называемый центр проскальзывания фазы (ЦПФ), при переходе через который изменяется на 2л фаза волновой функции сверхпроводящего конденсата. Скачкообразные изменения фазы сопровождаются импульсами напряжения на границах области ЦПФ. Появившееся электрическое поле приводит к возникновению нормальной составляющей электрического тока и усреднённое по времени падение напряжения на одном ЦПФ определяется как:
Методы измерения основных характеристик однофотонных детекторов
Использованные в работе пленки сверхпроводника NbN толщиной 3.5-20 нм были получены методом реактивного магнетронного распыления Nb мишени на постоянном токе в смеси Аг и N2. Плёнки осаждались на сапфировую подложку двухсторонней полировки толщиной 300 мкм. Технология изготовления тонких NbN плёнок с характеристиками близкими к характеристикам объёмного сверхпроводника подробно описана в работах [98,99]. В таблице 2.1 приведены основные этапы технологического процесса.
Сапфировая подложка помещалась в напылительную установку LH-Z400. Откачка воздуха производилась до остаточного давления 1.8 106mbar, после чего подавалась смесь газов. Парциальное давление N2 в смеси - ЮЛпЬаг, а Аг - 5 10 3mbar. Распыление велось на подложку, нагретую до температуры 850 С. Толщина плёнки зависела от времени экспонирования. После изготовления плёнки, контроль за её толщиной осуществлялся с помощью профилометра-профилографа Talystep, обладающего точностью измерений до 10А. Этот прибор позволял проводить калибровку установки, с целью установления зависимости между толщиной плёнки и временем экспонирования.
На следующем этапе, методом обратной фотолитографии (Lift-off), наносились знаки совмещения, необходимые для точного пространственного совмещения элементов структуры, формирующихся впоследствии. Материал знаков - Аи ТОЛЩИНОЙ 1000А с подслоем Ті ТОЛЩИНОЙ 50А, предварительно нанесённым на NbN плёнку.
Для изготовления внутренних контактов и самого мостика методом обратной электронной литографии на поверхности NbN плёнки формировалась Ті маска. Площадь каждого контакта ШхЮмкм . Электронная литография осуществлялась при помощи электронного микроскопа JEOL840, используемого в данном случае в качестве электронного литографа. Программное обеспечение, установленное на микроскопе, позволяло проводить коррекцию эффекта близости путем разбиения экспонируемой области на участки и автоматического подбора дозы экспонирования для каждого. Электронным лучом на позитивный резист наносился рисунок контактов и мостика. После травления экспонированные участки освобождались от резиста. В них, при нанесении Ті слоя, Ті ложился непосредственно на NbN плёнку, в других же местах между Ті и NbN оставался слой резиста. Далее производился «взрыв» (растворение) резиста и, лежащий на нём Ті, смывался растворителем. Успешный «взрыв» в нашем случае реал из о вывал ся как за счет большого превышения толщины резиста над масочным Ті слоем (соотношение 20/1), так и созданием профиля резиста по возможности с вертикальными стенками.
Следующим этапом напылялись внешние контакты, необходимые для подключения мостика к электрической схеме. Размер контактов определял габаритные размеры всего «чипа» - 3x3мм . Внешние контакты изготавливались из Аи методом обратной фотолитографии. Частично эти контакты перекрывали поверхность внутренних контактов, создавая надёжное электрическое соединение с ними.
На последнем технологическом этапе при помощи ионного травления удалялась вся NbN плёнка, незащищённая внешними контактами и Ті маской. Выбор материала маски для ионного травления NbN определялся как его стойкостью к ионному травлению и возможностью уменьшить, таким образом, толщину этого слоя, так и наличием селективного для NbN травителя для последующего удаления маски. Процесс удаления самой Ті маски завершал технологический цикл.
Исходные сверхпроводящие плёнки имели критическую температуру Те=10-11К, ширину сверхпроводящего перехода ДТС 0.3 К, плотность критического тока JC=6-7»106A/CM2 и поверхностное сопротивление RA=150-500 Ом/квадрат в зависимости от их толщины.
На рис. 2.1 с помощью микроскопа атомных сил показан одиночный мостик шириной 200нм и длиной 1мкм, изготовленный описанным способом из плёнки толщиной Юнм. На изображении следует обратить внимание на скос края внутренних контактных площадок, расположенных в верхнем левом и нижнем правом краях рисунка. Его наличие может быть вызвано двумя факторами. Первый связан с точность метода получения изображения, который, как правило, составляет в плане от Юнм до 20нм. Второй, более существенный в данном случае вызван частичным стравливанием NbN в последнем технологическом процессе, несмотря на селективность применяемого травителя. Это приводит к некоторому снижению поперечных размеров мостика.
Более детально о поперечных размерах можно судить из рис. 2.2, на котором с большим увеличением показана часть мостика. По подобным изображениям можно выявлять дефекты структуры, контролировать её однородность по всей длине, точно определять геометрические размеры. С другой стороны интерпретация изображений, получаемых на микроскопе атомных сил, требует учёта специфики принципов его работы и способов цифрового формирования изображения.
Исследование зависимости квантовой эффективности от геометрических размеров однофотонного детектора
При помощи 50-омной линии передачи образец через герметичный разъём в криостате подключался к каскаду широкополосных с верх высокочастотных усилителей (УСВЧ) с общим усилением 63 дБ в полосе от 0,05 до 9 ГГц. Нагрузкой усилителей служил переменный сверхвысокочастотный аттенюатор с ослаблением до 40дБ. Он позволял выбирать необходимый уровень выходящего после усилителей сигнала для дальнейшего его анализа стробоскопическим или скоростным осциллографами. Ток смещения подавался на образец через фильтр нижних частот, состоящий из резистора R = 150 Ом и конденсатора С[=2нФ. Отклик сверхпроводящего фотодетектора на оптический импульс в виде короткого импульса напряжения попадал в коаксиальную линию передачи через конденсатор С2 = 150 пФ. Перечисленные элементы располагались в холодной части криостата непосредственно на держателе образца. Электрические контакты из фосфористой бронзы служили не только для подачи на образец тока смещения и съёма импульсов сигнала, но также играли роль прижимных пружин, фиксирующих положение исследуемой структуры- Часть мощности выходного импульса через согласованный СВЧ тройник поступала на вход счетчика электрических импульсов, другая на стробоскопический или скоростной осциллограф. Результат подсчета числа импульсов за определённый промежуток времени передавался в персональный компьютер для дальнейшей обработки. Генератор синхронизирующих импульсов обеспечивал синхронную работу источника излучения и приборов, анализирующих отклик приёмника на оптический импульс.
Исследование формы импульса, измерение времени его нарастания и спада, определение задержки в появлении отклика после поглощения оптического импульса, а также величины нестабильности этой задержки (джиттер) проводились стробоскопическим осциллографом С9-9. Этот осциллограф работает в полосе частот до 12 ГГц и анализирует временные характеристики с точностью до 20пс. Встроенное микропроцессорное устройство позволяет производить первичную обработку принимаемого сигнала, в частности производить усреднение до 4К импульсов и определять средние значения их переднего и заднего фронта, определять среднюю задержку импульса напряжения по отношению к оптическому импульсу. Другими функциями осциллографа являются построение гистограмм амплитуд импульсов и гистограмм временных интервалов задержки в появления импульса. Стробоскопический осциллограф сопрягался с персональным компьютером, в который передавались полученные данные.
Скоростной осциллограф С7-19 позволяет анализировать одиночные импульсы напряжения. Он работает в полосе частот до 5ГТц и анализирует временные характеристики с точностью до 50пс. Получаемое с его помощью изображение через цифровую фотокамеру передавалось также в персональный компьютер, где проводился анализ временных характеристик сигнала. Если во временной интервал до 100 не попадает несколько, идущих друг за другом, одиночных импульсов, то все они дадут изображение на экране осциллографа. Минимальный интервал между импульсами характеризует быстродействие сверхпроводящего фотодетектора. Оценить эту величину можно, применив непрерывный источник света достаточной мощности. Вследствие высокой чувствительности однофотонного детектора, таким источником являлся полупроводниковый GaAs светодиод непрерывного излучения, которым заменялся в экспериментальной установке импульсный лазер. Запуск развёртки осциллографа осуществлялся при этом самим исследуемым сигналом.
Для изучения спектральных характеристик сверхпроводящих фотодетекторов применялся спектрофотометр ИКС-ЗІ, диапазона длин волн 800нм - 3200нм, работавший в режиме монохроматора. Чтобы исключить влияние дисперсии оптоволоконного световода на результаты измерения спектров, исследуемый образец помещался в оптический криостат. Излучение спектрофотометра фокусировалось на него с помощью оптического объектива. Остальная часть установки оставалась без изменения. В коротковолновом диапазоне от400нм до 1200нм вместо ИКС-31 использовался монохроматор МУМ5. Мощности источников излучения предварительно измерялись полупроводниковыми измерителями мощности оптического и ИК диапазонов моделей 2001-FC и 2011-FC соответственно, производящиеся компанией New Focus, USA.
Исследование задержки отклика однофотоиного сверхпроводящего детектора на основе тонкой NbN плёнки после поглощение кванта света
Как было показано в 3.1, изменение рабочего тока однофотонного детектора переводит его из режима детектирования одиночных квантов света в режим многофотонного детектирования импульсного излучения. Однако это не означает, что однофотонные процессы при снижении тока смещения вовсе исключаются. В этом параграфе исследуется зависимость вероятности однофотонного отклика детектора от величины рабочего тока [101]. Срабатывание однофотонного детектора, как любое квантовое явление, носит вероятностный характер. Случайность заложена не только в распределении фотонов по ансамблю импульсов, но и в актах поглощения фотонов, в размерах образующихся «горячих пятен», в степени превышения тока над критическим значением после образования «горячего пятна» и т.д. Вероятностный характер обусловлен как малой величиной самого воздействия на детектор, так и его небольшими геометрическими размерами, а так же короткими временами, проходящих в нём процессов.
На Рис 3.7 представлены зависимости числа срабатываний детектора в единицу времени от величины отношения тока смещения к критическому току. Измерения проводились с образцом 1.2, изготовленным в той же серии, что образец 1.1 и имеющим те же геометрические размеры. Образец охлаждался до температуры Т=4,2К. График, проведённый через сплошные квадраты, относится к измерению с импульсным ИК лазером, а через открытые — с непрерывно излучающим ИК светодиодом. Импульсный и непрерывный источники излучения работали на одной длине волны 0,85мкм. Импульсный лазер работал с частотой следования импульсов ЮОкГц. Его излучение ослаблялось до такого уровня, чтобы при токе смещения 1=0,971с количество отсчётов составляло около 30000 с 1. При таком рабочем токе детектор работает в однофотонном режиме (3.1).
Если снижать ток смещения, оставляя энергию импульсов неизменной, то детектор будет переведён в режим двух фотонного детектирования. Поэтому при токе 1=0,81с детектор срабатывал, в основном, на одновременное поглощение двух фотонов (Рис.3.5), и полное число откликов сокращалось более чем на порядок. Мощность источника непрерывного излучения выбиралась с таким расчётом, чтобы при токе 1=0,971с число отсчётов детектора так же составляло 30000 с". Поскольку детектор при этом токе в обоих случаях работал в однофотонном режиме, можно утверждать, что в единицу времени источники излучали одинаковое число фотонов. Только непрерывный источник распределял их равномерно по времени, а импульсный группировал в определённые моменты времени. С уменьшением тока смещения сначала число отсчётов детектора снижалось и в том и в другом случае одинаково. Но, с дальнейшим понижением тока, срабатывание детектора на излучение непрерывного источника становились гораздо реже, чем отклики на ИК импульсы.
Результаты измерения с непрерывным источником света, представленные на Рис.3.8, показывают, что при любом токе смещения детектор реагирует на поглощение одиночных ИК квантов. На Рис.3.8 показано, как изменялось число отсчётов детектора в секунду в зависимости от мощности светодиода при различных токах смещения детектора. Мощность пересчитана в число фотонов, приходящихся на площадь детектора, которое указано на оси абсцисс. На всех графиках, независимо от величины тока смещения, число срабатываний детектора прямо пропорционально числу поступающих на детектор ИК квантов. Как показано в 3.1, такой ход зависимостей свидетельствует об однофотонном процессе детектирования. Оценим число двухфотонных актов детектирования непрерывного излучения. Двухфотонный процесс детектирования возможен тогда, когда на площадь детектора размером wxw одновременно попадают два фотона (3.1). Интервал времени между поглощением этих фотонов не должен превышать времени жизни «горячего пятна». В работе [78] было показано, что это время порядка % - времени термализации электронной подсистемы. Тогда число откликов детектора на двухфотонное поглощение в единицу времени определяется как:
Для примера, можно рассчитать число двух фотонных актов детектирования излучения светодиода при токе смещения детектора 0,81с. Полное число отсчётов при детектировании непрерывного излучения с этим током смещения составляет 200 отсчётов в секунду (Рис.3.7), что соответствует падению на площадь детектора т=1,6х106фотонов/с (Рис.3.8). Если взять квантовую эффективность двух фотонного процесса для подобной структуры детектора, полученную из выражения 3.2 и величину Ttfl (1.1, [49,58]), то число откликов на двух фотонное поглощение в единицу времени составит п2=5,4х10 4, т.е. около 5 отсчётов за 10000 секунд. Это объясняет линейный характер зависимостей на Рис3.8.
