Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор среднего-ИК диапазона на основе пленок нитрида ниобия

Объектом исследования являются сверхпроводниковые однофотонные детекторы на основе тонких пленок нитрида ниобия и нитрида ванадия. Цель работы Исследование возможности разработки детекторов одиночных фотонов, единовременно демонстрирующих высокую скорость счета, временное разрешение и квантовую эффективность на длинах волн от видимого и до среднего ИК-диапазона (0.7 – 3 мкм). Методы исследования, кроме используемых приборов и аппаратуры Экспериментальный метод, метод математического моделирования и теоретического анализа. Достигнутые результаты Получены сверхпроводниковые однофотонные детекторы, обладающие высокой квантовой эффективностью и быстродействием на длинах волн 0.7– 3 мкм. Детекторы были изготовлены из тонких пленок нитрида ниобия с высоким значением поверхностного сопротивления порядка 1 кОм/квадрат и критической температурой около 8 К. Новизна В ходе проведенного исследования получены следующие новые результаты: • Разработана методика увеличения квантовой эффективности сверхпроводникового однофотонного детектора, которая отличается от известных применением разупорядоченных пленок нитрида ниобия и позволяющая одновременно сохранять высокое быстродействие устройств. • Впервые получен однофотонный детектор, демонстрирующий высокую величину квантовой эффективности детектирования в среднем ИК-диапазоне в 41 % и одновременно обладающий высоким быстродействием, обусловленным низким мертвым временем в 20 нс и временным разрешением в 59 пс. • Впервые продемонстрирована статистика, включающая более чем 800 нанесенных пленок нитрида ниобия и 120 пленок нитрида ванадия, демонстрирующая взаимосвязь их поверхностного сопротивления в нормальном состоянии и критической температуры перехода в сверх проводящее состояние в широком диапазоне их значений (0.02– 6.1 кОм/квадрат и 14 – 1.7 К соответственно). • Впервые получены разупорядоченные пленки нитрида ниобия, сохраняющие высокую критическую температуру в 7.8 К при поверхностном сопротивлении в нормальном состоянии равном 1.2 кОм/квадрат. Практическая значимость и внедрение результатов Практическая значимость работы заключается в проведении систематического исследования корреляции между параметрами нанесения и свойствами сверхпроводниковых пленок NbN и VN, а также характеристиками детекторов на их основе; разработке воспроизводимого маршрута получения сверхтонких пленок NbN, подходящих для создания высокоэффективных детекторов фотонов видимого, ближнего и среднего ИК-диапазонов, работающих при температуре 2.2 К и сохраняющих одновременно с эффективностью свое быстродействие. Полученные результаты активно используются в системах детектирования, разрабатываемых и реализуемых компанией ООО «Сверхпроводниковые Нанотехнологии» (СКОНТЕЛ), что обосновывает успешный результат внедрения. Область применения Методы, полученные в данной работе, могут быть использованы при разработке высокоэффективных и быстродействующих однофотонных детекторов на основе тонких сверхпроводниковых пленок.