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

Varun B. Verma, Boris Korzh+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2020

Photonic and Optical Devices被引用 6

一句话总结

本文展示了钨硅化物（WSi）超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）在长达10 µm波长范围内实现饱和内部探测效率，通过调节薄膜化学计量比以提高电阻率并增强能量敏感性。该器件在中红外波段表现出优异性能，具备超低暗计数和高增益稳定性，适用于系外行星光谱分析、激光雷达及暗物质探测等应用。

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.

研究动机与目标

• 将高效率单光子探测扩展至3 µm以上的中红外波段，该波段具有显著的分子吸收特征。
• 通过探索替代超导材料，克服传统NbN基SNSPDs在约3 µm处饱和的局限性。
• 通过材料工程提升SNSPD的能量敏感性，特别是通过调节WSi薄膜化学计量比以提高电阻率。
• 在长达10 µm的波长范围内实现饱和内部探测效率，这是迈向高系统探测效率的关键一步。
• 在光子匮乏环境（如系外行星大气光谱分析与量子传感）中实现实际应用。

提出的方法

• 采用反应磁控溅射法，在硅和钨靶上调节溅射功率以调控薄膜化学计量比与电阻率，制备WSi SNSPDs。
• 使用50 nm和70 nm的纳米线宽度，长度为10 µm，研究几何结构对探测效率的影响。
• 在低温恒温器中利用量子级联激光器（QCL）光源，测量4.8、7.4和9.9 µm波长下的光电流计数率（PCR）与偏置电流的关系曲线。
• 通过背景计数率测量评估暗计数水平与器件稳定性。
• 采用二次离子质谱（SIMS）分析薄膜成分，并将硅含量与超导转变温度（Tc）相关联。
• 通过将硅靶溅射功率从180 W提高至320 W，优化器件性能，实现更高电阻率与更优的能量敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 WSi基SNSPDs是否能在长达10 µm的中红外波长范围内实现饱和内部探测效率？
• RQ2 通过化学计量比调控提高WSi薄膜电阻率，对能量敏感性与探测效率有何影响？
• RQ3 纳米线宽度（50 nm与70 nm）对长波长下内部探测效率饱和特性有何影响？
• RQ4 尽管存在光子吸收与热化挑战，是否仍能在10 µm波长下保持高内部探测效率？
• RQ5 薄膜厚度与超导能隙能量在实现长波长单光子探测中发挥何种作用？

主要发现

• 70 nm宽的WSi纳米线在9.9 µm波长下实现了饱和内部探测效率，表明能量敏感性已成功扩展至10 µm。
• 70 nm宽纳米线在9.9 µm波长下表现出光电流平台，而更窄的50 nm线则呈现非饱和行为，可能源于制造缺陷。
• 将硅靶溅射功率从180 W提升至320 W，使硅含量增至48 ± 10%，电阻率提高，且在所有测试波长下均实现了内部探测效率的更好饱和。
• 薄膜厚度略微降低至2.61 nm，超导转变温度从3.1 K降至2.8 K，表明薄膜更具电阻性，超导性更弱。
• 50 nm宽纳米线在低偏置电流下因200 nA读出阈值导致PCR曲线畸变，但在较高电流下仍表现出改善的饱和特性。
• 结果证实，通过薄膜化学计量比调控实现电阻率工程，是将SNSPD性能拓展至NbN基器件极限之外的中红外波段的可行路径。