Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора

Корнеев, Александр Александрович

Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Корнеев, Александр Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора»

Автореферат диссертации на тему "Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора"

На правах рукописи

Корнеев Александр Александрович

Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора

Специальность: 01.04.03 — радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре общей и экспериментальной физики физического факультета

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Куприянов Михаил Юрьевич

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Чехова Мария Владимировна

Ведущая организация - Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка.

Защита диссертации состоится « 5 » июня 2006 г. в 15 часов на заседании Диссертациошюго совета К 212.154.08 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119992, Москва, Малая Пироговская ул., д. 1.

Автореферат разослан «£» мая 2006 года.

Ученый секретарь . ' ^"

диссертационного совета ✓ €7 ^ Ильин В.А.

характеристика работы

Диссертация посвящена исследованию механизма возникновения рези-стивного состояния в узких и длинных сверхпроводящих полосках из тонкой сверхпроводящей плёнки NbN как при поглощении одиночных фотонов оптического и ИК излучений, так и в отсутвие падающего излучения. Это включат ло в себя определение условий однофотопного детектирования, исследование влияния геометрии структур (ширины полоски, толщины пленки) на квантовую эффективность на различных длинах волн в интервале 0.56—1.55 мкм и на вероятность возникновения ложных срабатываний (темнового счета), измерение величины эквивалентной мощности шума.

Актуальность исследований

За последние десятилетия появились новые поколения высокочувствительных сверхпроводниковых детекторов. Это и смесители миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, и прямые детекторы, и счетчики фотонов, работающие в широком диапазоне волн от микроволнового до рентгеновского. В настоящее время в этой области ведутся активные работы как по улучшению характеристик уже существующих типов сверхпроводниковых детекторов, так и по разработке принципиально новых устройств. Сверхпроводниковые детекторы уже продемонстрировали высокие технические характеристики в радиодиапазоне, в дальнем, среднем и ближнем ИК, в оптическом и рентгеновском диапазонах. Это сделало их пригодными для применения в таких областях, как радиоастрономия, диагностика плазмы, исследование лазеров, детектирование одиночных фотонов в квантовых системах связи.

Значительный прогресс в области разработки компактных криостатов и машин замкнутого цикла снизил стоимость эксплуатации криодетекторов, сделал возможной их эксплуатацию персоналом не имеющим квалификации для работы с низкотемпературной техникой, стало возможно применение таг ких детекторов на космических спутпиках для радиоастрономических наблюдений и систем связи.

Приемники на основе сверхпроводниковых детекторов имеют целый ряд преимуществ перед традиционными высокотемпературными детекторами В первую очередь, это — высокая чувствительность, обусловленная как малой величиной энергетической щели в сверхпроводнике, так и очень низким уровнем тепловых шумов. Это и высокое быстродействие обусловленное малой теплоемкостью.

Актуальность разработки сверхпроводниковых одттофотонных детекторов инфракрасного диапазона определяется, в первую очередь, всё возрастающими потребностями современной науки и техники, которые уже не в полной мере удовлетворяются техническими уяряутрриг ти к я. м и электрррякууп

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербур(

ОЭ 200^вк1Ч&9

ных фотоумножителей (ФЭУ) и лавинных фотодиодов (ЛФД), традиционно используемых в качестве однофотонных детекторов.

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы привлекательны в тех областях, где требуется предельная чувствительность для регистрации крайне слабых оптических сигналов. Недавно появилась технология неразрушающе-го анализа неисправностей интегральных микросхем, основанная на детектировании света, излучаемого переключающимися транзисторами и проходящего через кремниевую подложку микросхемы. Ряд компаний ведут активную работу в этом направлении: NPTest-Credence1, Semicaps, Quantum Focus Instruments.

Использование более чувствительных детекторов, обладающих высоким быстродействием и высоким временным разрешением позволит увеличить длину волоконно-оптических линий связи и избежать использования дорогих оптических усилителей. В ряде биомедицинских применений используется техника получения изображений с использованием сверхбыстрых однофотонных детекторов видимого и ИК диапазонов, например, коррелированная по времени флюоресцентная спектроскопия2, а также техника времяпролет-пой оптической томографии3. Использование однофотоппых детекторов позволяет повысить чувствительность оптической временной рефлектометрии (Optical time-domain reflectometry — OTDR)[l].

В сложившейся ситуации актуальным является экспериментальное исследование возможностей однофотонного детектирования в однородных тонких сверхпроводящих плёнках. Это объясняется как относительной простотой изготовления практических тонкопленочных детекторов, так и возможностью достижения высокой чувствительности и рекордно высокого быстродействия и временнбго разрешения.

Целью диссертационной работы являлось исследование механизма возникновения резистивного состояния в узких полосках из тонкой однородной сверхпроводящей плёнки NbN как при поглощении одиночных фотонов оптического и ИК излучений, так и в отсутвие падающего излучения (ложные срабатывания, обуславливающие темновой счет детектора). Это включало в

'http: //www.npteat.com/productв/ probe/idsOptica-htm

2http://www.pLCoquairt.com/_iii8trumentation.htm и http://www.becker-hickl.de/

'http://www.medphys.ucl.ac.uk/research/borl/reeeaxdi/mon8tix/

себя определение условий однофотонного детектирования, исследование влияния геометрии структур (ширины полоски, толщины пленки) на квантовую эффективность на различных длинах волн в интервале 0.56—1.55 мкм и на вероятность возникновения ложных срабатываний (темнового счета), измерение величины эквивалентной мощности шума.

В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводящие полоски шириной от 150 им до 200 нм и длиной от 36 мкм до 350 мкм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из плёнок NbN толщиной 3.5 нм и 10 нм. Работа предполагала дальнейшее применение полученных результатов для создания практических детекторов. Поэтому для удобства фокусировки излучения на детектор, полоска изготавливалась не прямой, а изогнутой в виде меапдров, покрывающих площадки 4 мкм х 4 мкм или 10 мкм х 10 мкм.

Предмет работы включает в себя:

• Разработку и изготовление экспериментальной установки, обеспечивающей измерение квантовой эффективности исследуемых образцов при рабочей температуре 4.2 К в интервале длин волн 0.56—1.55 мкм с использованием непрерывных источников излучения.

• Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения скорости темнового счета исследуемых образцов при температуре 4.2 К.

• Разработка теоретической модели, описывающей отклик тонкой сверхпроводниковой пленки NbN на поглощение ИК фотона.

• Измерение квантовой эффективности исследуемых структур в зависимости от рабочего тока, длины волны излучения, геометрических размеров приёмных элементов и толщины пленки.

• Измерение зависимости скорости темнового счета от величины рабочего тока и геометрических размеров образцов и толщины пленки. Получение величины эквивалентной мощности шума.

• Сравнение получепных экспериментальных результатов с модельными теоретическими расчётами.

представляют собой полоски в форме меандра, толщина которых меньше или сравнима с длиной когерентности куперовских пар, а ширина больше длины когерентности, но гораздо меньше глубины проникновения магнитного поля. Кроме того, неравновесные процессы исследуются при температуре ~ 0.5ТС, но в присутствие тока, близкого к критическому.

В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:

• Разработана модель, описывающая формирование резистивной области ("горячего пятна") при поглощении фотона, а также последующую динамику развития этой области.

• Исследована зависимость квантовой эффективности от транспортного тока образца на длинах волн 0.56, 0.67, 0.94, 1.26, 1.55 мкм при температуре 4.2 К.

• Исследована зависимость квантовой эффективности от толщины пленки, из которой изготовлен образец. Уменьшение толщины пленки с 10 до 3.5 нм приводит к увеличению квантовой эффективности в ИК диаг пазоне в 30-40 раз.

• Исследована зависимость скорости темнового счета от транспортного тока образцов из пленки толщиной 3.5 и 10 нм при температуре 4.2 К. Скорость темнового счета экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки.

• Измерена эквивалентная мощность шума в диапазоне длин волн 0.56 — 1.55 мкм при температуре 4.2 К.

• На основании экспериментальных результатов по измерению зависимостей квантовой эффективности от транспортного тока произведена оценка размеров образующейся резистивной области при поглощении фотонов. Результаты этой оценки, выполненные для различных длин волн и Для различных толщин пленки, согласуются с выводами теоретической модели.

Практическая значимость работы. Практическим результатом работы явилось создание детектора одиночных фотонов на основе исследованного в настоящей работе эффекта однофотопного детектирования оптического и ИК излучений. Детектор представляет собой меандр размером Юмкм х Юмкм из плёнки КЬИ толщиной 3.5 нм и обладает рекордными характеристиками в диапазоне электромагнитного излучения 1.3-1.5 мкм. Этот

детектор положен в основу тестера микросхем, который анализирует работу схемы путём регистрации ИК импульсов, излучаемых КМОП транзисторами [5, 6, 7].

Были поставлены следующие задачи:

• Разработать модель, описывающую формирование резистивной области ("горячего пятна") при поглощении фотона, а также последующую динамику развития этой области. Оценить влияние саморазогрева сверхпроводящей полоски, находящейся в резистивном состоянии после поглощения фотона и определить условия самостоятельного восстановления сверхпроводимости после поглощения фотона.

• Исследовать зависимость квантовой эффективности от транспортного тока образца при температуре 4.2 К для длип волн в диапазоне 0.56 — 1.55 мкм.

• Исследовать зависимость квантовой эффективности от толщины пленки при температуре 4.2 К, в частности, исследовать толщины 3.5 и 10 нм.

• При температуре 4.2 К на длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм измерить квантовую эффективность образцов, изготовленных из пленки толщиной 3.5 и 10 нм.

• Исследовать зависимость скорости темнового счета образцов от транспортного тока, толщины пленки, из которой изготовлены образцы, геометрических размеров образцов.

• На основании полученных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислить эквивалентную мощность шума ЫЕР.

На защиту выносятся следующие положения:

• При поглощении фотона полоской шириной 150 — 200 нм из сверхпроводящей пленки толщиной 3.5 — 10 нм, несущей транспортный ток близкий к критическому, формируется резистивная область ("горячее пятно") размером порядка длины термализации, но существенно

меньше ширины полоски. После этого транспортный ток вытесняется в боковые области вокруг "горячего пятна", где его плотность становится выше критической, приводя к появлению напряжения на концах полоски.

• Квантовая эффективность экспоненциально падает с уменьшением транспортного тока, при некотором пороговом значении тока зависимость квантовой эффективности от транспортного тока переходит в экспоненту с бблыним показателем. Пороговое значение тока уменьшается с уменьшением длины волны излучения и с уменьшением толщины пленки: для образцов из пленки толщиной 10 нм значения порогового тока составляют от 0.81/с (длина волны 0.56 мкм) до 0.88/с (1.26 мкм), а при толщине пленки 3.5 нм — от 0.65/с (0.56 мкм) до 0.807с (1.55 мкм).

• Максимальные значения квантовой эффективности при толщине пленки 10 нм и I « 0.99/с составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% на длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм соответственно.

• При толщине пленки 3.5 нм квантовая эффективность на токах близких к критическому достигает 20% в видимом диапазоне (на длинах волн 0.56 мкм и 0.67 мкм) и 10% и 6% в ИК диапазоне на практически важных длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм соответственно.

• Уменьшение толщины пленки с 10 нм до 3.5 нм приводит к увеличению квантовой эффективности в 30—40 раз в ИК диапазоне, что объясняется увеличением радиуса "горячего пятна" и, как следствие, снижением влияния неровности края полоски.

• Скорость темновых отсчетов экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Минимальное значение скорости темповых отсчетов составило 6 х 10~4 с-1 и не зависело от толщины пленки.

• Эквивалентная мощность шума при температуре 4.2 К на практически значимых длинах волн 1.55 и 1.26 мкм составила 2 х 1СГ,7Вт/Гц1/"2 и 6 х 10_18Вт/Гц1/2, соответственно.

Публикации Результаты настоящего исследования опубликованы в 20 печатных работах и представлены в 11 докладах на российских и международных конференциях, список которых приведён в конце автореферата.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы 110 страниц, включая 25 рисунков и 5 таблиц.

Основное содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводится краткое содержание диссертации.

Глава 1 Обзор литературы

В главе 1 даётся обзор литературы по однофотонным детекторам, а также по исследованиям воздействия слабых потоков оптического и ИК излучений на тонкие сверхпроводящие плёнки, рассматриваются явления, возникающие при воздействии околокритических токов на локальные возбуждения в узких сверхпроводящих мостиках, обосновывается и ставится задача настоя' щего исследования.

Глава 2 Изготовление образцов и методика эксперимента.

Глава 2 посвящена описанию технологии изготовления исследуемых об> разцов, методике их отбора, описанию экспериментальной установки и методик измерения.

В §2.1 описаны технологические особенности изготовления исследуемых образцов и критерии их качества. Приведена также таблица образцов, описанных в настоящей работе, и указаны их характеристики. В §2.2 дано описание экспериментальной установки, позволяющей проводить измерение квантовой эффективности образцов в диапазоне 0.56 мкм — 1.55 мкм, а также скорости темнового счета.

В §2.3 дано подробное описание методики калибровки мощности источников излучения при измерении квантовой эффективности образцов в диапазоне 0.56 мкм — 1.55 мкм.

В §2.4 описана методика измерения очень низких скоростей темнового счета (порядка 10~3—Ю-4 с-1.)

Глава 3 Механизм возникновения однофотонного отклика в тонких сверхпроводящих пленках

В главе 3 излагается теория однофотонного детектирования тонкими сверхпроводящими плёнками, созданная для объяснения исследуемого в настоящей работе явления. ^ В §3.1 изложены современные представления о физических процессах

образования "горячего пятна" в результате поглощения светового кванта тонкими сверхпроводящими плёнками, находящимися в равновесном сверхпро-1 водящем состоянии.

При поглощении фотона с энергией Ни тонкой сверхпроводящей полоской шириной ги и толщиной Л. находящаяся при температуре Т существенно ниже критической температуры Тс начинается лавинообразный процесс размножения квазичастиц. Максимальное число образующихся в лавине квазичастиц будет К < /цу/Д. Толщина (I исследованных в настоящей работе лле-

и/

не-1Н

Рис. 1. Схема образования резистивного состояния. Сверхток вытесняется в боковые области, где его плотность превышает критическую и образуется резистивная область, перекрывающая всё сечение полоски.

]

нок была достаточна мала и выполнялось условие <1« Ьцг— (Оту,)1''2 где I)—коэффициент диффузии, ту, - время термализации, длина установления теплового равновесия (длина термализации). При таких условиях концентрацию неравновесных квазичастиц С{г,Ь) можно считать одинаковой по всей толщине пленки и описывать двумерным уравнением диффузии. Условием разрушения сверхпроводимости является достижение равновесной концентрации квазичастиц при температуре перехода С„ = Ы(0)кьТс■ Поэтому радиус нормального цилиндрического пятна определяется условием С{гп,Ь) — Сп. Расчет для исследованных в настоящей работе пленок Г\ТЬК толщиной 3.5 и 10 нм показывает, что максимальный радиус нормального пятна достигает 20—30 нм для фотонов видимого и ближнего ИК диапазонов.

Если по полоске протекает транспортный ток, то после образования нормального пятна этот ток вытесняется в боковые области вокруг пятна (рис. 1), где его плотность может превысить критическую, и тогда все сечение полоски переходит в резистивное состояние.

Дальнейшая судьба этой резистивной области определяется величиной \

параметра Стекли: соотношением мощности нагрева джоулевым теплом и мощностью теплоотвода. Анализ этого соотношения применительно к исследуемым структурам покалывает, что для самостоятельного восстановления сверхпроводимости необходимо реализовать в источнике смещения образца режим источника напряжения.

В §3.2 обсуждаются условия наблюдения однофотонного отклика. При заданных максимальном радиусе "горячего пятна" гптах и ширине полоски ги будет существовать такое пороговое значение транспортного тока Iщг, что

при I > 1щт эффект однофотонного детектирования наблюдается, а при I < — нет. Но даже в этом, последнем случае, есть вероятность возникновения многофотонного процесса. Для этого необходимо, чтобы за время существования "горячего пятна" от первого фотона, еще один или несколько фотонов были поглощены в непосредственной близости от него. Расстояние между этими фотонами должно быть таким, чтобы их "горячие пятна" перекрывались, образуя достаточно большую резистивную область, обтекая которую, транспортный ток превысит критическое значение. На практике двух-фотонный процесс должен проявляться в квадратичной зависимости числа фотоотсчетов от мощности источника излучения, в отличие от линейной зависимости для однофотонного процесса.

Глава 4 Квантовая эффективность сверхпроводникового однофотонного детектора

В главе 4 описываются результаты измерения квантовой эффективности образцов в диапазоне длин волн 0.56 мкм — 1.55 мкм. Описаны условия наблюдения однофотонного отклика, представлены зависимости квантовой эффективности от транспортного тока и толщины пленки.

В §4.1 описаны условия смещения образца по постоянному току, необходимые для получения однофотонного отклика. Рассматриваемые в данной работе образцы охлаждались до температуры существенно ниже Тс. Но при этом через них пропускался ток близкий к критическому току /с. Для обеспечения самопроизвольного возвращения в сверхпроводящее состояние схема питания по постоянному току реализовывала условия близкие к режиму источника напряжения. Рабочая точка выбиралась вблизи критического тока. Следует отметить, что амплитуда и длительность сигнала не зависят от длины волны фотона. А амплитуда пропорциональна транспортному току образца I. Тот факт, что амплитуда и длительность сигнала не зависили от энергии фотона, по всей видимости, объясняется существенной ролью саморазогрева: после поглощения фотона образуется малая резистивная область, дальнейшая динамика которой определяется балансом мощностей джоулева саморазогрева и теплоотвода.

В §4.2 приводятся результаты исследования зависимости числа фотоотсчетов образца N от транспортного тока. Вблизи критического тока 1С она носит экспоненциальный характер. По мере удаления от 1С эта зависимость переходит в экспоненту с ббльшим показателем (см. рис. 2). На основании проведенных измерений зависимости N от I было высказано предположение, что точка перехода от экспоненциальной зависимости с одним показателем экспоненты (вблизи 1С) к зависимости с другим показателем (вдали от /с) связана с размерами "горячего пятна" гптах. На основании этого были получены экспериментальные значения гптах для различных длин волн и толщин пленки, которые хорошо согласовывались с модельными расчетами.

Рис. 2 Зависимость числа фотоотсчетов за 1 с от приведенного тралспортного тока I/1с для образцов из пленки ИЬК толщиной 10 им (слева) и 3.5 нм (справа) на различных длинах волн при температуре 4.2 К.

В §4.3 представлены результаты измерения квантовой эффективности образцов г) в диапазопе длин волн 0.56 мкм — 1.55 мкм. Исследована зависимость квантовой эффективности от транспортного тока образца и толщины пленки. Для образцов из пленки толщиной 10 нм максимальные значения квантовой эффективности при I « 0.991С составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% на длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм соответственно. Для образцов, изготовленных из пленки толщиной 3.5 нм наблюдалось существенное увеличение квантовой эффективности. Так, на токах близких к критическому квантовая эффективность достигала 20% в видимом диапазоне (на длинах волн 0.56 мкм и 0.67 мкм). что, уже близко к максимальному значению, ограниченному коэффициентом поглощения пленки. В ИК диапазоне на практически важных длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм г) достигала 10% и 6% соответственно. Сильное увеличение квантовой эффективности с уменьшением толщины пленки (несмотря на предсказываемое теорией уменьшение коэффициента поглощения) объясняется увеличением размера "горячего пятна" и, как следствие, существенно более низкими требованиями к неровности края полоски, изготовленной из пленки толщиной 3.5 нм.

Глава 5 Скорость темнового счета и эквивалентная мощность шума

В главе описываются результаты исследований скорости темнового счета образцов и определяется величина эквивалентной мощности шума ЫЕР.

В §5.1 приведены результаты измерения зависимости скорости темнового счета от транспортного тока для образцов, изготовленных из пленки различной толщины. Было показано, что скорость темнового счета экспо-

10* 104

,10' г ю1

! 10'

! ю"

I 1а' ' 10* 104 1<С

. 1

топцжа пгинси □ 3.6мм

■ 10 им

у л

/"о /

>о

0.75 0 80 0 85 0.90 Ш,

0.95 1.00

Рис. 3. Скорость темнового счета для образцов из пленки толщиной 3.5 нм (светлые квадратики) и 10 нм (темные). Сплошные линии — теоретическая зависимость.

ненциально зависит от транспортного тока (рис. 3). Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Предположительно, причина темнового счета в сверхпроводящих флуктуациях параметра порядка. Минимальное значение экспериментально измеренной скорости темнового счета составило 6 х 10~4 с-1, оно не зависило от параметров образца и было ограничено продолжительностью эксперимента: время накопления 10 отсчетов составляло около 5 часов.

В §5.2 приведены результаты вычисления эквивалентной мощности шума, выполненные на основании экспериментально измеренных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета. Достигнуты следующие значения ИЕР на практически значемых длинах волн 1.26 и 1.55 мкм: 2 х 10-17Вт/Гц1/2 (1.55 мкм) и 6 х 10 ^Вт/Гц1/2 (1.26 мкм) при температуре 4.2 К.

В §5.3 описано применение сверхпроводникового однофотонного детектора (БЭРБ), созданного на основе исследованных в настоящей работе наноструктур, в установке для тестирования сверхбольших интегральных схем. Инновационная технология БЭРБ позволила существенно улучшить технические характеристики установки: сократить время тестирования и повысить точность измерния. Было показано, что в перспективе, с появлением микросхем, работающих на более высоких тактовых частотах и обладающих меньшим энергопотреблением, ЭЭРБ даже при уже достигнутых технических характеристиках будет существенно превосходить традиционные однофотонные детекторы па основе ЛФД и ФЭУ.

В заключении сформулированы научные результаты работы:

• Разработана модель, описывающая формирование резистивной области ("горячего пятна") при поглощении фотона, а также последующую динамику развития этой области. Оценено влияние саморазогрева сверхпроводящей полоски, находящейся в резистивном состоянии после поглощения фотона. Определены условия самостоятельного восстановления сверхпроводимости после поглощения фотона: поскольку для исследованных образцов вблизи критического тока параметр Стекли больше единицы, то для самостоятельного восстановления сверхпроводимости в них требуется в источнике смещения реализовать режим источника напряжения.

• Исследована зависимость квантовой эффективности от транспортного тока образца при температуре 4.2 К. Эта зависимость вблизи критического тока /г носит экспоненциальный характер. По мере удаления от /с эта зависимость переходит в экспоненту с бблыпим показателем. На основании проведенных измерений зависимости г} от I было высказано предположение, что точка перехода от экспоненциальной зависимости с одним показателем экспоненты (вдлизи 1С) к зависимости с другим показателем (вдали от 1С) связана с размерами "горячего пятна" гптах. На основании этого были получены экспериментальные значения гптах для различных длин волн и толщин пленки, которые хорошо согласуются с модельными расчетами.

• Измерена квантовая эффективность образцов, изготовленных из пленки Р^ЬЫ толщиной 10 нм; максимальные значения квантовой эффективности при I ~ 0.991с составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% на длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм соответственно.

• Измерена квантовая эффективность образцов из пленки толщиной 3.5 нм; на токах близких к критическому она достигает 20% в видимом диапазоне (на длинах волн 0.56 мкм и 0.67 мкм). А в ИК диапазоне на практически важных длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм г] достигает 10% и 6% соответственно.

• Исследована зависимость квантовой эффективности от толщины пленки. Уменьшение толщины приводит к существенному увеличению квантовой эффективпости (до 30—40 раз в ИК диапазоне). Сильное увеличение квантовой эффективности с уменьшением толщины пленки (несмотря на предсказываемое теорией уменьшение коэффициента поглощения) объясняется существенно более низкими требованиями к неровности края полоски, изготовленной из пленки толщиной 3.5 нм.

• Исследована скорость темнового счета образца. Выло установлено, что скорость темнового счета экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Минимальное значение экспериментально измеренной скорости темнового счета составило б х Ю-4 с-1, оно не зависело от толщины пленки, из которой изготовлен образец и было ограничено продолжительностью эксперимента. Предположительно, причина темнового счета заключается в сверхпроводящих флуктуациях параметра порядка.

• На основании полученных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислена эквивалентная мощность шума детектора NEP, изготовленного из пленки NbN толщиной 3.5 нм. Достигнуты следующие значения эквивалентной мощности шума на практически значемых длинах волн 1.26 и 1.55 мкм: 2 х Ю^Вт/Гц1/2 (1.55 мкм) и 6 х 10~18Вт/Гц1/2 (1.26 мкм) при температуре 4.2 К.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. J.Kitaygorsky, J.Zhang, A.Verevkin, A.Sergeev, A.Korneev. V.Matvienko, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski, "Origin of Dark Counts in Nanostructured NbN Single-Photon Detectors", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2) , 545; авторских 30%, 0.25 п.л.

2. A.Korneev, V.Matvienko, 0. Minaeva, I.Milostnaya, I.Rubtsova, G.Chulkova, K.Smirnov, B.Voronov, G.Golt'sman, W.Slysz, A.Pearlman, A.Verevkin, R.Sobolewski, "Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured, NbN, single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2), 571-574; авторских 30%, 0.25 п.л.

3. A.Pearlman, A.Cross, W.Slysz, J.Zhang, A.Verevkin, M.Currie, A.Korneev, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski, "Gigahertz counting rates of NbN single-photon detectors for quantum communications", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2), 579-582; авторских 15%, 0.25 п.л.

4. А. Корнеев, О. Минаева, И Рубцова, И Милостная, Г. Чулкова, Б. Воронов, К. Смирнов, В. Селезнев, Г. Гольцман "Сверхпроводящий одно-фотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN", Квантовая электроника 35(8) 698-700 (2005); авторских 30%, 0.18 п.л.

5. G.Gol'tsman, A.Korneev, I.Rubtsova, I.Milostnaya, G.Chulkova. О.Minaeva, K.Smirnov, B.Voronov, W.Slysz, A.Pearlman, A.Verevkin,

R.Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications", Phys. Stat. Sol., 2, No 5, p 1480-1488, 2005; авторских 30%, 0.5 п.л.

6. A.Verevkin, A.Pearlman, W.Slysz, J.Zhang, M.Currie, A.Korneev. G.Chulkova, O.Okunev, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications", Journal of Modern Optics, vol. 51,no. 9 -10,1447 - 1458; авторских 25%, 0.75 п.л.

7. A. Korneev. P. Kouminov, V. Matvienko, G. Chulkova, K. Smirnov,B. Voronov, and G. N. Gol'tsman, M. Currie, W. Lo and K. Wilsher, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, and Roman Sobolewski, "Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors", Applied Physics Letters volume 84, number 26, 28 June 2004, pp 5338-5340; авторских 30%, 0.18 п.л.

8. G. Goltsman, A. Korneev, V. Izbenko, K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, A. Verevkin, J. Zhang, A. Pearlman, W. Slysz and R Sobolewski, "Nano-structured superconducting single-photon detcctors", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol 520, Issues 1-3 , 11 March 2004, pp 527-529; авторских 40%, 0.18 п.л.

9. J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. N. Gol'tsman. A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz, W. Lo, R. Malinsky, O. Okuncv, A. Pearlman, W. Slysz, A. Verevkin, K. Wilsher, C. Tsao, and R.Sobolewski, "Non-invasive CMOS circuit testing with NbN superconducting singlephoton detectors,"Elect. Lett. 39, 1086 (2003); авторских 15%, 0.18 п.л.

10. J. Zhang, W. Slysz, A. Verevkin, O. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev, A. Lipatov, G. N. Gol'tsman, and R. Sobolewski, "Response Time Characterization of NbN Superconducting Single-Photon Detectors,"IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 180-183; авторских 15%, 0.25 п.л.

11. R. Sobolewski, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, A. Lipatov, O. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev. K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, V. Drakinsky, and G. N. Gol'tsman, "Ultrafast Superconducting Single-Photon Optical Detectors,"(Plenary Lecture) in: Advanced Optical Devices, ed. by A. Krumins and J. Spigulis, Proc. SPIE vol. 5123, pp. 2-12 (2003); авторских 10%

12. Г.Н. Гольцман, О.В. Окунев, Г.М.Чулкова, А.П. Липатов, А.А. Корнеев, П.В. Куминов, А.А. Веревкин, Р. Соболевский, Дж. Цханг, К. Уилшер, «Прибор для диагностики устройств микро- и наносистемной техники на основе однофотонного пикосекундного детектора ИК-излучения», Известия Вузов.Электроника, №1, 42, 2003; авторских 15%, 0.375 п.л.

13. A.Korneev. A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, K.Smirnov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski, "GHz counting rate NbN single-photon detector for IR diagnostics", Microelectronic Engineering, Elsevier, 69, pp. 274-278, (2003); авторских 30%, 0.25 п.л.

14. A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A.Korneev, P.Kouminov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski, "An Ultrafast NbN Hot-Electron Single-Photon Detector for Electronic Applications", Superconductor Science and Technology, 15, 1689-1692., 2002; авторских 20%, 0.25 п.л.

15. A. Verevkin, J. Zhang, W. Slysz, R. Sobolewski, A. Lipatov, O. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev, and G. N. GoFtsman , "Superconducting Single-Photon Detectors for GHz-Rate Free-Space Quantum Communications,"(invited) in: Free-Space Laser Communication and Laser Imaging II, ed. by J. C. Ricklin and D. G. Voelz, Proc. SPIE vol. 4821, pp. 447-454, (2002); авторских 15%, 0.5 п.л.

16. A.Verevkin, J.Zhang, R.Sobolewski, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, A.Korneev, K.Smirnov, G.Gol'tsmaii, A. Semenov, "Detection efficiency of large-active-area NbN single-photon superconducting detectors in ultraviolet to near-infrared range.", Applied Physics Letters, v.80, 25, pp.4687-4689, 2002; авторских 25%, 0.25 п.л.

17. R.Sobolewski, Y. Xu, X. Zheng, C.Williams, J.Zhang, A.Verevkin, G.Chulkova, A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Gol'tsman, "Spectral sensitivity of the NbN single-photon superconducting detector", IEICE Transactions on Electronics, Vol. E85-C pp. 797, 2002; авторских 15%, 0.25 п.л.

18. J.Zhang, A.Verevkin, W.Slysz, G.Chulkova, A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, G.Gol'tsman, and R.Sobolewski, "Timcr-rcsolvcd Characterization of NbN Superconducting Single-Photon Optical Detectros", in OPTO-Canada:SPIE Regional Meeting on Optoelectronic,Photonics,and Imaging,SPIE vol.TDOl ,pp.33-35 (2002); авторских 15%, 0.125 п.л.

19. O.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A. Korneev. A.Lipatov, G-Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, and R.Sobolewski, "Ultrafast NbN Hot-Electron Single-Photon Dctector for Electronic diagnostics and communications", Proceedings of Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar, Russia, St. Petersburg, Russia, May 27-29, pp. 339-344, 2002; авторских 15%, 0.3 п.л.

20. A. Scmenov, G. Gol'tsman, A. Korneev. "Quantum detection by current carrying superconducting film", Physica C, 352 (2001) pp. 349-356; авторских 30%, 0.5 п.л.

Литература

[1] A. Wegmuller, F. Scholder,, N. Gisin. J. Lightwave Technol., 22 стр. 390, 2004.

[2] С. Gobby, Z. L. Yuan,, A. J. Shields. Appl. Phys. Lett., 84 стр. 3762, 2004.

[3] A. F. Abouraddy, M. B. Nasr, В. E. A. Saleh, A. V. Sergienko,, M. C. Teich. Phys. Rev. A, 65, 2002.

[4] G. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Scmenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams,, R. Sobolewski. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Applied Physics Letters, 79 стр. 705-707, 2001.

[5] S. Somani, S. Kasapi, K. Wilsher, W. Lo, R. Sobolewski,, G. Gol'tsman. New photon dctector for device analysis: Superconducting single-photon detector based on a hot electron effect. J. Vac. Sci. Technol. D, 19(6) стр. 2766-2769, 2001. see also http://www.nptest.com/products/probe/idsOptica.htin.

[6] Г.Н Гольцман, О.В. Окунев, Г.М. Чулкова, А.П. Липатов, А.А. Корнеев, П.Б. Куминов, А.А. Веревкин, Р. Соболевский, Дж. Цханг„ К. Уилшер. Прибор для диагностики устройств микро- и наносистемной техники на основе однофотонного пикосекундного детектора ИК-излучения. Известия Вузов.Электроника, 1 стр. 42-48, 2003.

[7] Л. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz, W. Lo, R. Malinsky, O. Okunev, A. Pearlman, W. Slysz, A. Verevkin. K. Wilsher, C. Tsao,, R. Sobolewski. Non-invasive CMOS circuit testing with NbN superconducting single-photon dctcctors. Elect. Lett., 39 стр. 1086—1088, 2003.

» «

Подл, к печ. 28.04.2006 Объем 1 п.л._Заказ №. 107 Тир 100 экз.

Типография МГТГУ

»10197

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Корнеев, Александр Александрович

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Современные однофотонные детекторы.

1.2 Однофотонный сверхпроводниковый детектор на основе тонкой пленки NbN.

1.3 Выбор объекта исследования и постановка задачи.

Глава 2. Изготовление образцов и методика эксперимента.

2.1 Технология изготовления и методы отбора образцов.

2.2 Описание экспериментальной установки и методики измерений

2.3 Калибровка мощности для определения квантовой эффективности.

2.4 Особенности методики измерения скорости темпового счета.

2.5 Выводы.4G

Глава 3. Механизм возникновения однофотонного отклика в тонких сверхпроводящих пленках

3.1 Формирование и развитие горячего пятна в тонкой сверхпроводящей пленке при поглощении фотона.

3.2 Однофотонный и многофотонный процессы детектирования топкой сверхпроводящей пленкой.

3.3 Выводы.

Глава 4. Квантовая эффективность сверхпроводникового однофотонного детектора

4.1 Эффект однофотонного детектирования

4.2 Зависимость числа фотоотсчетов от транспортного тока.

4.3 Зависимость квантовой эффективности от толщины пленки

4.4 Выводы.

Глава 5. Скорость темпового счета и эквивалентная мощность шума

5.1 Зависимость скорости темпового счета от транспортного тока.

5.2 Эквивалентная мощность шума.

5.3 Применение

5.4 Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора"

Значительный прогресс в области разработки компактных криостатов и машин замкнутого цикла снизил стоимость эксплуатации криодетекторов, сделал возможной их эксплуатацию персоналом не имеющим квалификации для работы с низкотемпературной техникой, стало возможно применение таких детекторов на космических спутниках для радиоастрономических наблюдений и систем связи.

Приемники на основе сверхпроводниковых детекторов имеют целый ряд преимуществ перед традиционными высокотемпературными детекторами. В первую очередь, это — высокая чувствительность, обусловленная как малой величиной энергетической щели в сверхпроводнике, так и очень низким уровенем тепловых шумов. Это и высокое быстродействие обусловленное малой теп л оем костыо.

Актуальность разработки сверхпроводниковых однофотонных детекторов инфракрасного диапазона определяется, в первую очередь, всё возрастающими потребностями современной науки и техники, которые уже не в полной мере удовлетворяются техническими характеристиками электровакуумных фотоумножителей (ФЭУ) и лавинных фотодиодов (ЛФД), традиционно используемых в качестве однофотонных детекторов.

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы привлекательны в тех областях, где требуется предельная чувствительность для регистрации крайне слабых оитических сигналов. Недавно появилась технология неразрушающе-го анализа неисправностей интегральных микросхем, основанная на детектировании света, излучаемого переключающимися транзисторами и проходящего через кремниевую подложку микросхемы. Ряд компаний ведут активную работу в этом направлении: NPTest-Credence1, Semicaps, Quantum Focus Instruments.

Использование более чувствительных детекторов, обладающих высоким быстродействием и высоким временным разрешением позволит увеличить длину волоконно-оптических линий связи и избежать использования дорогих оптических усилителей. В ряде биомедицинских применений используется техника получения изображений с использованием сверхбыстрых однофотонных детекторов видимого и ИК диапазонов, например, коррелированная по времени флюоресцентная спектроскопия2, а также техника времяпролет-пой оптической томографии3. Использование однофотонных детекторов позволяет повысить чувствительность оптической временной рефлектометрии

1 http: //www.nptcst.com / products / probe/idsOptica.htm

2http://www.picoquant.com/instnimcntation.btm и http://www.bcckcr-hickl.de/

3http: //www.mcdphys.ucl.ac.uk/research/borl/research / monstir /

Optical time-domain reflectometry — OTDR)[l].

Квантовые оптические технологии, разработанные для применения в криптографии и метрологии, в том числе основанные на применении спонтанного параметрического рассеяния, ориентированы на использование телекоммуникационных длин волн. Однако квантовая эффективность и шумы детекторов на основе ЛФД и ФЭУ в настоящее время ограничивают длину квантовокриитографического канала до 100 км[2] — основное ограничение в большинстве реализаций. Квантовая метрология также нуждается в одно-фотонных детекторах для таких применений как квантовая оптикокогерент-ная томография (quantum optical-coherence tomography) [3]. В долгосрочной перспективе все квантовые информационные технологии получат большую выгоду от доступности эффективных и быстрых однофотонных детекторов.

В сложившейся ситуации актуальным является экспериментальное исследование возможностей однофотонпого детектирования в однородных тонких сверхпроводящих плёнках. Это объясняется как относительной простотой изготовления практических топкопленочных детекторов, так и возможностью достижения высокой чувствительности и рекордно высокого быстродействия и временного разрешения.

В настоящей работе исследуется новый эффект однофотонпого детектирования в узких и тонких сверхпроводящих плёнках (мостиках) в условиях протекания электрического тока близкого к критическому току распаривания. На основе этого эффекта предложен новый тип одиофотонного детектора оптического и ИК диапазонов [4]. Детектор потенциально обладает высоким быстродействием (длительность отклика на мостиках длиной 1—10 мкм сотавляла около 180 пс), квантовой эффективностью, составляющей десятки процентов в видимом и ближнем ИК диапазонах, малой скоростью темпового счета 10-4с-1) и рекордно малым джиттером (нестабильностью времени возникновения отклика относительно момента поглощения фотона, которая составляет ~ 35 пс). Кроме того, предложенные детекторы пригодны для изготовления матричных приемников. При этом, в отличие от ЛФД, в сверхпроводящих детекторах при поглощении фотона не возникает паразитной фотоэмиссии, засвечивающий соседние элементы матрицы.

Целыо диссертационной работы являлось исследование механизма возникновения резистивного состояния в узких полосках из тонкой однородной сверхпроводящей плёнки NbN как при поглощении одиночных фотонов оптического и ИК излучений, так и в отсутвие падающего излучения (ложные срабатывания, обуславливающие темновой счет детектора). Это включало в себя определение условий однофотонного детектирования, исследование влияния геометрии структур (ширины полоски, толщины пленки) на квантовую эффективность на различных длинах волн в интервале 0.56—1.55 мкм и на вероятность возникновения ложных срабатываний (темпового счета), измерение величины эквивалентной мощности шума.

В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводящие полоски шириной от 150 нм до 200 нм и длиной от 3G мкм до 350 мкм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из плёнок NbN толщиной 3.5 нм и 10 нм. Плёнки наносились на сапфировую подложку методом магнетронпо-го распыления Nb в газовой смеси N2 и Аг. Работа предполагала дальнейшее применение полученных результатов для создания практических детекторов. Поэтому для удобства фокусировки излучения на детектор, полоска изготавливалась не прямой, а изогнутой в виде меандра, покрывающего площадку 4 мкм х 4 мкм или 10 мкм х 10 мкм.

Предмет работы включает в себя:

• Разработку и изготовление экспериментальной установки для измерения скорости темпового счета исследуемых образцов при температуре 4.2 К.

• Измерение зависимости скорости темпового счета от величины рабочего тока и геометрических размеров образцов и толщины пленки. Получение величины эквивалентной мощности шума.

• Сравнение полученных экспериментальных результатов с модельными теоретическими расчётами.

Особенностью методик исследования однофотонных процессов является статистический характер измеряемых величин. Излучение источников, подаваемое на образец, ослаблялось настолько, что время отклика образца на поглощение фотона было много меньше среднего времени между попаданиями фотонов на образец. Это обеспечивало одпофотонпость отклика. Уникальность предлагаемых методов исследования в первую очередь определяется спецификой исследуемого объекта: сверхпроводниковые наноструктуры представляют собой полоски в форме меандра, толщина которых меньше или сравнима с длиной когерентности куперовских пар, а ширина больше длины когерентности, но гораздо меньше глубины проникновения магнитного поля.

Кроме того, неравновесные процессы исследуются при температуре ~ 0.5Тс, но в присутствие тока, близкого к критическому.

В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:

• Разработана модель, описывающая формирование резистивной области ("горячего пятна") при поглощении фотона узкой полоской из сверхпроводящей пленки, а также последующую динамику развития этой области.

• Для узких полосок из тонкой сверхпроводящей пленки NbN исследована зависимость квантовой эффективности от транспортного тока на длинах волн 0.56, 0.67, 0.94, 1.26, 1.55 мкм при температуре 4.2 К.

• Исследована зависимость квантовой эффективности от толщины пленки NbN, из которой изготовлена сверхпроводящая полоска. Уменьшение толщины пленки с 10 до 3.5 нм приводит к увеличению квантовой эффективности в ИК диапазоне в 30-40 раз.

• Исследована зависимость скорости темпового счета от транспортного тока для узких полосок из пленки NbN толщиной 3.5 и 10 нм при температуре 4.2 К. Скорость темпового счета экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки.

• Измерена эквивалентная мощность шума детекора на основе узкой полоски из тонкой сверхпроводящей пленки NbN в диапазоне длин воли 0.56 — 1.55 мкм при температуре 4.2 К.

• На основании экспериментальных результатов по измерению зависимостей квантовой эффективности от транспортного тока произведена оценка размеров образующейся резистивной области при поглощении фотонов. Результаты этой оценки, выполненные для различных длин волн и для различных толщин пленки, согласуются с выводами теоретической модели.

На защиту выносятся следующие положения:

При поглощении фотона полоской шириной 150 — 200 нм из сверхпроводящей пленки NbN толщиной 3.5 — 10 нм, несущей транспортный ток близкий к критическому, формируется резистивная область ("горячее пятно") размером порядка длины термализации, но существенно меньше ширины полоски. После этого транспортный ток вытесняется в боковые области вокруг "горячего пятна", где его плотность становится выше критической, приводя к появлению напряжения на концах полоски.

Квантовая эффективность детектирования фотонов узкой и тонкой сверхпроводящей полоской из NbN экспоненциально падает с уменьшением транспортного тока, при некотором пороговом значении тока зависимость квантовой эффективности от транспортного тока переходит в экспоненту с большим показателем. Пороговое значение тока уменьшается с уменьшением длины волны излучения и с уменьшением толщины пленки: при толщине 10 им значения порогового тока составляют от 0.81 1С (длина волны 0.56 мкм) до 0.884 (1.26 мкм), а при толщине пленки 3.5 нм — от 0.651С (0.56 мкм) до 0.80/с (1.55 мкм).

Максимальные значения квантовой эффективности при толщине пленки NbN 10 нм и / ~ 0.99/с составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% на длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм, соответственно.

• При толщине пленки NbN 3.5 нм квантовая эффективность на токах близких к критическому достигает 20% в видимом диапазоне (на длинах воли 0.56 мкм и 0.67 мкм) и 10% и 6% в ИК диапазоне на практически важных длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм, соответственно.

• Уменьшение толщины пленки NbN с 10 нм до 3.5 нм приводит к увеличению квантовой эффективности в 30—40 раз в ИК диапазоне, что объясняется увеличением радиуса "горячего пятна" и, как следствие, снижением влияния неровности края полоски.

• Скорость темповых отсчетов, возникающих в тонкой и узкой сверхпроводящей полоске из NbN, экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Минимальное значение скорости темновых отсчетов составило 6 х Ю-4 с"1.

• Эквивалентная мощность шума детектора на основе тонкой и узкой сверхпроводящей полоски из NbN при температуре 4.2 К на практически значимых длинах волн 1.55 и 1.26 мкм составила 2 х Ю^Вт/Гц1/2 и 6 х 10-18Вт/Гц1//2, соответственно.

Практическая значимость работы.

Практическим результатом работы явилось создание детектора одиночных фотонов на основе исследованного в настоящей работе эффекта однофо-топпого детектирования оптического и ИК излучений. Детектор представляет собой меандр размером Юмкм х Юмкм из плёнки NbN толщиной 3.5 нм и обладает рекордными характеристиками в диапазоне электромагнитного излучения 1.3-1.5 мкм. Этот детектор положен в основу тестера микросхем, который анализирует работу схемы путём регистрации ИК импульсов, излучаемых КМОП транзисторами [5, 6, 7].

Масштабность сферы применения результатов работы определяется тем, что рекордная чувствительность и быстродействие однофотонных детекторов на основе исследуемых наноструктур позволяет достичь значительного прогресса в волоконно-оптических телекоммуникационных технологиях, квантовой криптографии, квантовых компьютерах, дистанционном зондировании, радиоастрономии, системах контроля и безопасности, медицине и фармакологии. Кроме того, современные корреляционные методы исследования одно-фотонных источников (квантовых точек) и бифотонных запутанных состояний в нелинейной оптике также могут получить существенное продвижение с улучшением характеристик однофотонных детекторов.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

5.4 Выводы

Было показано, что скорость темнового счета экспоненциально зависит от транспортного тока сверхпроводниковой полоски. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Предположительно, причина темнового счета в сверхпроводящих флуктуациях параметра порядка. Минимальное значение экспериментально измеренной скорости темнового счета составило 6 х Ю-4 с-1, оно не зависило от параметров образца и было ограничено продолжительностью эксперимента: время накопления 10 отсчетов составляло около 5 часов.

На основании полученных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислена эквивалентная мощность шума детектора NEP, изготовленного из пленки NbN толщиной 3.5 нм. Достигнуты следующие значения NEP на практически значимых длинах волн 1.26 и 1.55 мкм: 2 х 10-17Вт/Гц1/2 (1.55 мкм) и 6 х Ю^Вт/Гц1/2 (1.26 мкм) при температуре 4.2 К.

Проведенные в настоящей работе исследования позволили создать одно-фотонный детектор (SSPD), который был применен в установке для оптической диагностики микросхем с пикосекупдным разрешением. Инновационная технология SSPD позволила существенно улучшить технические характеристики установки: сократить время тестирования и повысить точность измерения. Было показано, что в перспективе, с появлением микросхем, работающих па более высоких тактовых частотах и обладающих меньшим энергопотреблением, SSPD даже при уже достигнутых технических характеристиках будет существенно превосходить традиционные однофотонные детекторы па основе ЛФД и ФЭУ.

В процессе работы были получены следующие новые научные результа

Разработана модель, описывающая формирование резистивной области ("горячего пятна") в тонкой сверхпроводящей пленке при поглощении фотона, а также последующую динамику развития этой области. Оценено влияние саморазогрева сверхпроводящей полоски, находящейся в резистивном состоянии после поглощения фотона. Определены условия самостоятельного восстановления сверхпроводимости после поглощения фотона: поскольку для исследованных сверхпроводниковых полосок вблизи критического тока параметр Стекли больше единицы, то для самостоятельного восстановления сверхпроводимости в них требуется в источнике смещения реализовать режим источника напряжения.

Для узких полосок из тонкой пленки NbN исследована зависимость квантовой эффективности г/ от транспортного тока при температуре 4.2 К. Эта зависимость вблизи критического тока 1С носит экспоненциальный характер. По мере удаления от 1С она переходит в экспоненту с большим показателем. На основании проведенных измерений зависимости т] от / было высказано предположение, что точка перехода от экспоненциальной зависимости с одним показателем экспоненты (вблизи 1С) к зависимости с другим показателем (вдали от 1С) связана с размерами "горячего пятна" rnmax. На основании этого были получены экспериментальные значения rnmax для различных длин волн и толщин пленки, которые хорошо согласуются с модельными расчетами.

Для узких полосок, изготовленных из пленки NbN толщиной 10 нм, измерена квантовая эффективность, максимальные значения которой при / « 0.991С составили 6%, 3%, 0.7%, 0.3% и 0.15% па длинах волн 0.56 мкм, 0.67 мкм, 0.94 мкм, 1.26 мкм и 1.55 мкм, соответственно.

Для узких полосок из пленки NbN толщиной 3.5 нм измерена квантовая эффективность; на токах близких к критическому она достигает 20% в видимом диапазоне (на длинах волн 0.56 мкм и 0.67 мкм). А в ИК диапазоне на практически важных длинах волн 1.26 мкм и 1.55 мкм квантовая эффективность достигает 10% и 6%, соответственно.

Исследована зависимость квантовой эффективности от толщины пленки. Уменьшение толщины приводит к существенному увеличению квантовой эффективности (до 30—40 раз в ИК диапазоне). Сильное увеличение квантовой эффективности с уменьшением толщины пленки (несмотря на предсказываемое теорией уменьшение коэффициента поглощения) объясняется существенно более низкими требованиями к неровности края полоски, изготовленной из пленки толщиной 3.5 нм.

Исследована скорость темповых отсчетов, возникающих в тонкой и узкой полоске из NbN. Было установлено, что скорость темнового счета экспоненциально зависит от транспортного тока. Показатель экспоненты увеличивается с увеличением толщины пленки. Минимальное значение экспериментально измеренной скорости темнового счета составило GxlO-4 с-1, оно не зависело от толщины пленки, из которой изготовлена сверхпроводящая полоска и было ограничено продолжительностью эксперимента. Предположительно, причина темнового счета заключается в сверхпроводящих флуктуациях параметра порядка.

На основании полученных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислена эквивалентная мощность шума (NEP) детектора, изготовленного из пленки NbN толщиной 3.5 нм. Достигнуты следующие значения NEP на практически значимых длинах волн 1.2G и 1.55 мкм: 2 х 1(Г17Вт/Гц1/2 (1.55 мкм) и G х 10"18Вт/Гц1/2 (1.2G мкм) при температуре 4.2 К.

Практическая значимость работы:

Сверхпроводниковый однофотонный детектор (SSPD) был применен в установке для оптической диагностики микросхем с пикосекундным разрешением. Инновационная технология SSPD позволила существенно улучшить технические характеристики установки: сократить время тестирования и повысить точность измерения. Было показано, что в перспективе, с появлением микросхем, работающих на более высоких тактовых частотах и обладающих меньшим энергопотреблением, SSPD даже при уже достигнутых технических характеристиках будет существенно превосходить традиционные однофотонныс детекторы на основе ЛФД и ФЭУ.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Г.Н. Гольцману за прекрасную организацию научной работы, основанной на творческом сотрудничестве научных коллективов и технологических групп Учебно-научного радиофизического центра Московского педагогического государственного университета, где выполнена диссертация, и лаборатории лазерной техники Рочестерского университета, что позволило проводить исследование на высоком научном и техническом уровне. Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность всем коллегам по работе, чья дружеская помощь и профессиональное участие, безусловно, являются необходимым фактором успеха. Особая благодарность адресуется

Б.М. Воронову и руководимой им технологической группе за изготовление уникальных плёнок и структур, без которых данное исследование было бы невозможно.

Список публикаций автора

1. J.Kitaygorsky, J.Zhang, A.Verevkin, A.Sergeev, A.Korneev, V.Matvienko, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski, "Origin of Dark Counts in Nanostructured NbN Single-Photon Detectors", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2) , 545; авторских 30%, 0.25 п.л.

2. A.Korneev, V.Matvienko, 0. Minaeva, I.Milostnaya, I.Rubtsova, G.Chnlkova, K.Smirnov, B.Voronov, G.Golt'sman, W.Slysz, A.Pearlrnan, A.Verevkin, R.Sobolewski, "Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured, NbN, single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2), 571-574; авторских 30%, 0.25 п.л.

3. A.Pearlrnan, A.Cross, W.Slysz, J.Zhang, A.Verevkin, M.Currie, A.Korneev, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol'tsman, R.Sobolewski, "Gigahertz counting rates of NbN single-photon detectors for quantum communications", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005) 15(2), 579-582; авторских 15%, 0.25 п.л.

4. А. Корпеев, О. Минаева, И Рубцова, И Милостная, Г. Чулкова, Б. Воронов, К. Смирнов, В. Селезнев, Г. Гольцман "Сверхпроводящий одно-фотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN", Квантовая электроника 35(8) 698-700 (2005); авторских 30%, 0.18 п.л.

5. G.Gol'tsman, A.Korneev. I.Rubtsova, I.Milostnaya, G.Chulkova, О.Minaeva, K.Smirnov, B.Voronov, W.Slysz, A.Pearlrnan, A.Verevkin, R.Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications", Phys. Stat. Sol., 2, No 5, p 1480-1488, 2005; авторских 30%, 0.5 п.л.

6. A.Verevkin, A.Pearlman, W.Slysz, J.Zhang, M.Currie, A .Korneev. G.Chulkova, O.Okunev, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications", Journal of Modern Optics, vol. 51,no. 9 -10,1447 - 1458; авторских 25%, 0.75 п.л.

8. G. Goltsman, A. Korneev, V. Izbenko, K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, A. Verevkin, J. Zhang, A. Pearlman, W. Slysz and R. Sobolewski, "Nano-structurcd superconducting single-photon detectors", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol 520, Issues 1-3,11 March 2004, pp 527-529; авторских 40%, 0.18 и.л.

9. J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. N. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz, W. Lo, R. Malinsky, O. Okunev, A. Pearlman, W. Slysz, A. Verevkin, K. Wilsher, C. Tsao, and R.Sobolewski, "Non-invasive CMOS circuit testing with NbN superconducting single-photon detectors,"Elect. Lett. 39, 1086 (2003); авторских 15%, 0.18 п.л.

10. J. Zhang, W. Slysz, A. Verevkin, O. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev.

A. Lipatov, G. N. Gol'tsman, and R. Sobolewski, "Response Time Characterization of NbN Superconducting Single-Photon Detectors,"IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003, pp. 180-183; авторских 15%, 0.25 п.л.

11. R. Sobolewski, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlrnan, A. Verevkin, A. Lipatov, O. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev. K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, V. Drakinsky, and G. N. Gol'tsman, "Ultrafast Superconducting Single-Photon Optical Detectors,"(Plenary Lecture) in: Advanced Optical Devices, ed. by A. Krumins and J. Spigulis, Proc. SPIE vol. 5123, pp. 2-12 (2003); авторских 10%

12. Г.Н. Гольцман, O.B. Окуиев, Г.М.Чулкова, А.П. Липатов, А.А. Корнеев, П.Б. Куминов, А.А. Веревкин, Р. Соболевский, Дж. Цханг, К. Уилшер, «Прибор для диагностики устройств микро- и наносистемной техники на основе однофотонного пикосекундного детектора ИК-излучения», Известия Вузов.Электроника, №1, 42, 2003; авторских 15%, 0.375 н.л.

13. A.Korneev, A.Lipatov, О.Okunev, G.Chulkova, K.Smirriov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski, "GHz counting rate NbN single-photon detector for IR diagnostics", Microelectronic Engineering, Elsevier, 69, pp. 274-278, (2003); авторских 30%, 0.25 п.л.

14. A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A.Korneev. P.Kouminov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski, "An Ultrafast NbN Hot-Electron Single-Photon Detector for Electronic Applications", Superconductor Science and Technology, 15, 1689-1692., 2002; авторских 20%, 0.25 п.л.

15. A. Verevkin, J. Zhang, W. Slysz, R. Sobolewski, A. Lipatov,

О. Okunev, G. Chulkova, A. Korneev. and G. N. Gol'tsman , "Superconducting Single-Photon Detectors for GHz-Rate Free-Space Quantum Communications,"(invited) in: Free-Space Laser Communication and Laser Imaging II, ed. by J. C. Ricklin and D. G. Voelz, Proc. SPIE vol. 4821, pp. 447-454, (2002); авторских 15%, 0.5 п.л.

1С. A.Verevkin, J.Zhang, R.Sobolewski, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, A.Korneev, K.Smirnov, G.Gol'tsman, A. Semenov, "Detection efficiency of large-active-area NbN single-photon superconducting detectors in ultraviolet to near-infrared range.", Applied Physics Letters, v.80, 25, pp.4687-4689, 2002; авторских 25%, 0.25 и.л.

18. J.Zhang, A.Verevkin, W.Slysz, G.Chulkova, A .Korneev. A.Lipatov, O.Okunev, G.Gol'tsman, and R.Sobolewski, "Timer-resolved Characterization of NbN Superconducting Single-Photon Optical Detectros", in OPTO-Canada:SPIE Regional Meeting on Optoelectronic,Photonics,and Imaging,SPIE vol.TDOl ,pp.33-35 (2002); авторских 15%, 0.125 и.л.

19. О.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A.Korneev. A.Lipatov, G.Gol'tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, and R.Sobolewski, "Ultrafast NbN Hot-Electron Single-Photon Detector for Electronic diagnostics and communications", Proceedings of Fifth ISTC Scientific Advisory Committee

Seminar, Russia, St. Petersburg, Russia, May 27-29, pp. 339-344, 2002; авторских 15%, 0.3 п.л. w 20. A. Sernenov, G. Gol'tsman, A. Korneev, "Quantum detection by current carrying superconducting film", Physica C, 352 (2001) pp. 349-356; авторских 30%, 0.5 п.л. У

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Корнеев, Александр Александрович, Москва

1. A. Wegmuller, F. Scholder,, N. Gisin. J. Lightwave Technol, 22 стр. 390, 2004.

2. С. Gobby, Z. L. Yuan,, A. J. Shields. Appl. Phys. Lett., 84 стр. 37G2, 2004.

3. A. F. Abouraddy, M. B. Nasr, В. E. A. Saleh, A. V. Sergienko,, M. C. Teich. Phxjs. Rev. A, 65, 2002.

4. G. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams,, R. Sobolewski. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Applied Physics Letters, 79 стр. 705-707, 2001.

5. J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz, W. Lo, R. Malinsky, O. Okunev, A. Pearlman, W. Slysz, A. Verevkin, K. Wilsher, C. Tsao,, R. Sobolewski.

6. Non-invasive CMOS circuit testing with NbN superconducting single-photon detectors. Elect. Lett., 39 стр. 1086—1088, 2003.

7. A. Karlsson, M. Bourenname, G. Ribordy, H. Zbinden, J. Brendel, J. Rarity,, R Tapster. A single-photon counter for long-haul telecom. IEEE. Circuits and Devices Mag., 15 стр. 34-40, 1999.

8. NIR (Near Infrared: 1.4 цт / 1.7 fim Photomultiplier Tubes, R5509-43/R5509-73. Hamamatsu Photonics K.K., Electron Tube Center, Japan (February 2003) http://www.hpk.co.jp/eng/products/ETD/pmte/r5509-43e.htm.

9. W. Fichtner, W. Hacker. Time resolution of Ge avalanche photodiodes operating as photon counters in delayed coincidence. Rev. Set. Instrurn., 47(3) стр. 374-377, 1976.

10. W. Haecker, O. Groezinger,, M.H. Pilkuhn. Infrared photon counting by Ge avalanche photodiodes. Appl. Phys. Lett., 19(4) стр. 113-115, 1971.

11. G. Ribordy, J. D. Gautier, H. Zbinden,, N. Gisin. Performance of InGaAsP/InP avalanche photodiodes as gated-mode photon counter. Appl. Opt., 37 стр. 2272, 1998.

12. D.S. Bethune, M. Navarro,, W.P. Risk. Appl. Opt., 41 стр. 1640, 2002.

13. О. Astafiev, S. Komiyama, T. Kutsuma,, V. Antonov. Single-photon detector in the microwave range. Appl. Phys. Lett., 80(22) стр. 4250-4252, 2002.

14. S. Komiyama, O. Astafiev, V. Antonov, T. Kutsuma,, H. Hiral. A single-photon detector in the far-infrared range. Nature, 403 стр. 405-407, 2000.

15. A.J. Miller, S.W. Nam, J.M. Martinis,, A.V. Scrgienko. Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination. Appl. Phys. Lett., 83 стр. 791, 2003.

16. D. Rosenberg, S. W. Nam, A. J. Miller, A. Salminen, E. Grossman, R. E. Schwall,, J. M. Martinis. Near-unity absorption of near-infrared light in tungsten film. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 520 стр. 537 540, 2004.

17. P. Verhoeve, N. Rando, A. Peacock, A. van Dordrecht, A. Poclaert,, D. J. Goldie. Superconducting tunnel junctions as photon counting detectors in the infrared to the ultraviolet. IEEE Trans, on Appl. Supercod., 7(2) стр. 3359-3362, 1997.

18. J. H. J. de Brujine, A. P. Reynolds, M. A. C. Perryman, F. Favata,,

19. A. Peacock. Analysis of astronomical data from optical superconducting tunnel junctions. Opt.Eng., 41 стр. 1158, 2002.

20. N. Rando, P. Verhoeve, A. Poelaert, A. Peacock,, D. J. Goldie. NbN-Nb-Al superconducting tunnel junctions as photon counting detectors. J. Appl. Phys., 83(10) стр. 553G, 1998.

21. L. Li, L. Frunzio, C. Wilson, D. E. Prober, A. E. Szymkowiak,, S. H. Moseley. Improved energy resolution of x-ray single photon imaging spectrometers using superconducting tunnel junctions. J. Appl. Phys., 90(7) стр. 3645, 2001.

22. A. Kerman, E. Daulcr, W. Keicher, J. Yang, K. Berggren, G. Gol'tsman,,

23. B. Voronov. Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters, submitted to Appl. Phys. Lett, препринт доступен на http://arxiv.org/abs/physics/0510238.

24. E.M. Гершепзоп, M.E. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семёнов,, А.В. Сергеев. Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей плёнке, находящейся в резис/гивном состоянии. Письма в ЖЭТФ, 34(5) стр. 281-285, 1981.

25. Е.М. Гершепзоп, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семёнов,, А.В. Сергеев. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую плёнку в резистивном состоянии. Письма в ЖЭТФ, 36(7) стр. 241-244, 1982.

26. Е.М. Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семёнов,, А.В. Сергеев. Разогрев электронов в резистивном состоянии сверхпроводника под действием электромагнитного излучения. ЖЭТФ, 86(2) стр. 758-773, 1984.

27. E.M. Gershenzon, М.Е. Gershenzon, G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov,, A.V. Sergeev. Heating of electrons in superconductor resistive state due to electromagnetic radiation. Solid State Cornmun., 50(3) стр. 207-212, 1985.

28. G.M. Eliashberg, B.I. Ivlev. Nonequilibriurn Supercnductivity. ed. by D.N. Langenberg and A.S. Larkin, North-Holland Elsevier Science B.V., Amsterdam, 1986.

29. E.M. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.И. Елантьев, B.C. Карасик,, С.Э. По-тоскуев. Разогрев электронов в резистнвном состоянии сверхпроводника электромагнитным излучением значительной интенсивности. ФНТ, 14(7) стр. 753, 1988.

30. В.Ф. Елесин, В.А. Кашурников, В.Е. Кондрашев,, Шамраев Б.Н. Влияние электрон-электронных столкновений на характер фазового перехода и кинетику неравновесных сверхпроводников. ЖЭТФ, 84(1) стр. 223229, 1983.

31. A. Frenkel. Mechanism of nonequilibriurn optical response of high-temperature superconductor. Phis. Rev. B, 48(13) стр. 9717-9725, 1993.

32. E.M. Гершензон, Г.Н. Гольцман, Ю.П. Гусев,, А.Д. Семёнов. Неравновесный отклик тонких плёнок NbN на излучение миллиметрового и оптического диапазонов. СФХТ, 6(6) стр. 1198-1210, 1993.

33. I. G. Gogidze, Р. В. Kuminov, А. V. Sergeev, A. I. Elant'ev, Е. М. Men'shchikov,, Е. М. Gershenzon. Fast nonequilibrium induction detectors based on thin superconducting films. Tech. Phys., 43(10) стр. 1193, 1998.

34. A.D. Semenov, H.-W Hubers, H. Richter, M. Birk, M. Krocka, U. Mair, K. Smirnov, G.N. Gol'tsman,. B.M. Voronov. 2.5 THz hetrodyne receiver with NbN hot-elcctron-bolometer mixer. Physica С, 372 стр. 454-459, 2002.

35. K.S. Il'in, I.I. Milostnaya, A.A. Verevkin, G.N. Gol'tsman, E.M. Gershenzon,, R. Sobolewski. Ultimate quantum efficiency of a superconducting hot-electron photodetector. Appl. Phys. Lett., 73(26), 1998.

36. K.S. Il'in, M. Lindgren, M. Currie, A.D. Semenov, G.N. Gol'tsman, R. Sobolewski, S.I. Cherednichenko,, E.M. Gershenzon. Picosecond hot-electron energy relaxation in NbN superconducting photodetector. Appl. Phys. Lett., 76(19) стр. 2752-2754, 2000.

37. B.L. Altshuler, A.G. Aronov. Electron-electron interaction in disordered conductors. В A.L. Efros, M. Pollac, под ред., Modern problems in condensed matter science, стр. 1-153. Amsterdam: North-Holl. Publ. Co., 1985.

38. Ю.М. Рейзер, А.В. Сергеев. Электрон-фононное взаимодействие в примесных металлах и сверхпроводниках. ЖЭТФ, 90(3) стр. 1056-1070, 1986.

39. A.M. Kadiri, M.W. Johnson. Single-photon-counting hotspot detector with integrated RSFQ readout electronics. Appl. Phys. Lett., 69 стр. 3938, 1996.

40. О. Окунев. Эффект однофотонного детектирования оптического и ИК излучений в тонких сверхпроводящих NbN плёнках, диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, Московский педагогический государственный университет, 2004.

41. С. Чередниченко. Разработка и исследование сверхпроводниковых те-рагерцовых смесителей на электронном разогркве. диссертация па соискание степени кандидата физико-математических наук, Московский педагогический государственный университет, 1999.

42. A. D. Semenov, R. S. Nebosis, Yu. P. Gousev, M. A. Heusinger,, K. F. Rcnk. Phys. Rev. B, 52 стр. 581, 1995.

43. S. Cherednichenko, P. Yagoubov, K. Il'in, G. Gol'tsman,, E. Gershenzon. Proceedings of the 8th International Symposium on Space Terahertz Technology, Campbridge, MA, USA, стр. 245, March 1997.

44. C. P. Poole, H. A. Farach,, R. J. Creswick. Superconductivity. Academic Press, ISBN 0-12-561455-1, 1995.

45. Yu. P. Gousev, G. N. Gol'tsman, A. D. Semenov, E. M. Gershenzon, R. S. Nebosis, M. A. Heusinger,, K. F. Renk. J. Appl. Phys., 75 стр. 3695, 1994.

46. M. Stuivinga, C.L.G. Ham, T.M. Klapwijk,, J.E. Mooij. J. Low Temp. Phijs, 53 стр. 633, 1983.53J M. Stuivinga, J.E. Mooij,, T.M. Klapwijk. J. Low Temp. Phys, 46 стр. 555, 1982.

47. M. Stuivinga, T.M. Klapwijk, J.E. Mooij,, A. Bezuijen. J. Low Temp. Phys., 53 стр. 673, 1983.

48. A. VI. Gurcvich, R. G. Mints. Review of modern physics, 59 стр. 941, 1987.

49. А.В. Гуревич, Р.Г. Минц. Автоволпы в нормальных металлах. М. ИВ-ТАН. с. 165.

50. О.Г. Веидик, А.Я. Зайончковский, С.Г. Колесов, С.Б. Красиков, О.В. Пахомов,, А.С. Рубан. Разрушение и восстановление сверхпроводящего состояния в плёнках ниобия при воздействии импульсов транспортного тока. ФЕТ, 12(6) стр. 576, 1986.

51. M.J. Skocpol, M.R. Beasley,, М. Tinkham. Self-heating hot-spot in superconducting thin-film microbriges. J.Appl.Phys., 45(9) стр. 4045, 1974.

52. W.J. Skocpol, M.R. Beasley,, M. Tinkham. The electrical behavior of superconductivity thin-film microbriges. Rev.Phys.Appl,, 9(1) стр. 19, 1974.

53. E.M. Гершензон, Г.Н. Гольцман, A.JI. Дзарданов, А.И. Елаптьев, И.И. Милостная,, О.В. Окунев. Исследование процессов S-N переключения тонких плёнок NbN импульсами электрического тока. СФХТ, 5(5) стр. 890, 1994.

54. M. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М. Наука, 1970.

55. A. Semenov, A. Engel, К. Il'in, G. Gol'tsman, M. Siegel,, H.-W. Hiibers. Ultimate performance of a superconducting quantum detector. Eur. Phys. J. AP, 21 стр. 171-178, 2003.

56. J.A. Kash, J.C.-H. Tsang. Noninvasive optical method for measuring internal switching and other dynamic parameters of CMOS circuits. USA, International Business Machines Corporation. US Patent У/5,940,545, 1999.