[논문 리뷰] Single-photon detection in the mid-infrared up to 10 micron wavelength using tungsten silicide superconducting nanowire detectors

Varun B. Verma, Boris Korzh외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 17.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 텅스텐 실라이드(WSi) 초도체 나노와이어 단광자 검출기(SNSPD)를 통해 10 µm 파장까지 포화된 내부 검출 효율을 달성함으로써, 필름의 화학 스토이키올로미터 조절을 통해 저항률을 높이고 에너지 감도를 향상시켜 초고감도의 중적외선 영역에서 높은 성능을 보임을 보여준다. 이들 장치는 초저조도 및 높은 이득 안정성과 함께 초저조도를 동반하는 응용 분야에 적합하며, 외계행성 대기 스펙트로스코피, 라이다, 암흑물질 탐지 등에 활용 가능하다.

ABSTRACT

We developed superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) based on tungsten silicide (WSi) that show saturated internal detection efficiency up to a wavelength of 10 um. These detectors are promising for applications in the mid-infrared requiring ultra-high gain stability, low dark counts, and high efficiency such as chemical sensing, LIDAR, dark matter searches and exoplanet spectroscopy.

연구 동기 및 목표

• 3 µm를 초과하는 중적외선 영역으로 고효율 단광자 검출을 확장하여 분자의 흡수 서명이 두드러진 영역에서의 응용을 가능하게 하기 위해.
• 기존의 NbN 기반 SNSPD가 약 3 µm에서 포화되는 한계를 극복하기 위해, 대체 초도체 재료를 탐색하기 위해.
• 특히 WSi 필름의 화학 스토이키올로미터 조절을 통한 저항률 증가를 통해 에너지 감도를 향상시켜 SNSPD의 성능을 향상시키기 위해.
• 10 µm까지의 파장에서 포화된 내부 검출 효율을 입증함으로써 고시스템 검출 효율 달성에 필수적인 단계를 밟기 위해.
• 외계행성 대기 스펙트로스코피 및 양자 센싱과 같은 광자 부족 환경에서 실용적인 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• WSi SNSPD를 제작하기 위해 실리콘 및 wolfram 타겟을 사용한 반응성 스퍼터링을 수행하였으며, 스퍼터링 전력 조절을 통해 필름의 화학 스토이키올로미터와 저항률을 조절하였다.
• 검출 효율에 대한 기하학적 영향을 조사하기 위해 나노와이어 폭을 50 nm 및 70 nm로, 길이를 10 µm로 설정하였다.
• 냉각기에서 양자 연쇄 레이저(QCL)를 사용하여 4.8, 7.4, 9.9 µm 파장에서 펄스 반응률(PCR) 대 편향 전류 곡선을 측정하였다.
• 어둠의 카운트 수준과 장치 안정성을 평가하기 위해 배경 카운트율 측정을 실시하였다.
• 필름 조성을 분석하고 초도전이 온도(Tc)와의 상관관계를 분석하기 위해 보조 이온 질량 분석(SIMS)을 활용하였다.
• 실리콘 타겟의 스퍼터링 전력을 180 W에서 320 W로 증가시켜 저항률을 높이고 에너지 감도를 향상시킴으로써 장치 성능을 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WSi 기반 SNSPD는 중적외선 영역에서 10 µm까지 포화된 내부 검출 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 화학 스토이키올로미터 조절을 통한 WSi 필름 저항률 증가가 에너지 감도와 검출 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 나노와이어 폭(50 nm 대비 70 nm)이 긴 파장에서 내부 검출 효율의 포화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 광자 흡수 및 열화 과정의 도전 과제에도 불구하고 10 µm에서 고내부 검출 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ5 필름 두께와 초도체 갭 에너지는 장파장 단광자 검출을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 70 nm 폭의 WSi 나노와이어에서 9.9 µm 파장에서 포화된 내부 검출 효율이 달성되었으며, 이는 10 µm까지의 에너지 감도 확장에 성공했음을 시사한다.
• 70 nm 폭의 나노와이어는 9.9 µm에서 펄스 반응이 포화된 플랫폼을 보였지만, 더 얇은 50 nm 와이어는 포화되지 않은 행동을 보였으며, 이는 제작 결함으로 인한 것으로 추정된다.
• 실리콘 타겟의 스퍼터링 전력을 180 W에서 320 W로 증가시킴으로써 실리콘 함량이 48 ± 10%로 증가하고 저항률이 상승하였으며, 모든 측정 파장에서 내부 효율의 포화가 향상되었다.
• 필름 두께는 약간 감소하여 2.61 nm로, 초도전이 온도는 3.1 K에서 2.8 K로 감소하여 더 높은 저항성, 낮은 초도체 성질을 가진 필름임을 나타낸다.
• 50 nm 폭의 나노와이어는 200 nA의 독출 기준값으로 인해 저전류 영역에서 PCR 곡선이 왜곡되었지만, 고전류 영역에서는 여전히 포화가 향상된 것을 확인하였다.
• 결과적으로, 필름의 화학 스토이키올로미터 조절에 의한 저항률 설계가 NbN 기반 장치의 한계를 넘어서 SNSPD 성능을 중적외선 영역으로 연장하는 실현 가능한 길임을 확인하였다.