Быстродействующий терагерцевый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах

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 10 ⁹ -- 10 ¹⁰ 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 • 10 6 (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 5 х 10 6 (jitter ~ 200 пс), так и по уровню ложных срабатываний (~ 500 с ^{- 1} ).

Основу SSPD детекторов составляет пленка нитрида ниобия (NbN) толщиной в 4 ^ 4 , 5 нм (~ 8 ^ 10 атомных слоев), критическая температура сверхпроводящего перехода которой Т с ~ 10 К. Существенная особенность в изготовлении SSPD детектора состоит в том, что из пленки формируется узкая (~ 100 нм) и длинная (~ 0 , 5 мм) полоска в виде меандра, заполняющая приемную площадку размером 10 х 10 мкм ² (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, j c ~ 10 7 А /см ² . Указанное условие предполагает создание сверхпроводниковой полоски, ширина которой испытывает отклонения не более чем на 5 нм [14].

Рис. 1. Фотография чувствительной области SSPD, полученная на сканирующем электронном микроскопе. Светлые участки — полоски сверхпроводника, темные — участки, где сверхпроводник удален

В рабочем состоянии при температуре гораздо ниже Т с 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 SSPD 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

40 Физика, электроника, нанотехнологии ТРУДЫ МФТИ. — 2011. — Том 3, № 2 эффективного оптического согласования используемого стандартного одномодового волокна (диаметр светонесущей жилы ~ 9 мкм) с приемной площадкой SSPD размером 10 х 10 мкм ² . 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.

Таблица 1

^∗ 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.

Таблица 2

Как и в случае однофотонных детекторов, принцип действия HEB болометров основан на эффекте электронного разогрева в тонкой пленке сверхпроводника. При поглощении излучения сверхпроводником, находящимся при температуре сверхпроводящего перехода (в точке с максимальным значением dR/dT), 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 мкм ² 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 комплектуется блоком электроники, интегрируемым в сре-

Рис. 2. Фотография чувствительного элемента сверхпроводникового HEB болометра, интегрированного 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.