超导纳米线单光子探测器热弛豫时间特性研究

Superconducting nanowire single photon detectors (SNSPD) have the ability to detect radiation intensities at the quantum limit. Absorption of a photon results in creation of an energetic quasi-particle. The substrate and environment interactions with the quasi-particle redistribute this energy and thermalize the electrons back to the substrate temperature. The rates of this process is defined by the hotspot relaxation time of the quasi-particle, which determined the maximum operating rate of SNSPD. In this project, the superconducting materials and the film/substrate interface will systematically investigated to identify the main contributing factors to the hotspot relaxation time. The studies will help us deeply understand the relationship between thermal relaxation time and device latching characteristics. This study is of highly important scientific significances and application values in promoting high rate SNSPD devices. Based on the above research, the hotspot relaxation dynamics will be clarified combined with the single and dual temperature models and the thermoelectric feedback mechanism, which provide insight into the device detection mechanism.

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）可以实现量子极限灵敏度的电磁信号探测。光子探测动态过程中重要的一环是超导纳米线热点能量如何通过衬底和环境介质进行弛豫，它决定了SNSPD的最高工作速度。本项目将研究薄膜材料及薄膜/衬底界面因素等对热弛豫时间的影响，阐明热弛豫时间决定性机理；深入理解热弛豫时间与器件Latching特性关联机制，提出减小热弛豫时间、提高SNSPD计数率的方法。基于以上研究内容，结合单、双温度模型与热电反馈机制，阐明热点弛豫动力学过程，加深对器件探测机理的理解。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）光子探测动态过程中重要的一环是超导纳米线热点能量如何通过衬底和环境介质进行弛豫，它决定了SNSPD的最高工作速度。本项目基于双光子探测方法实现了热弛豫时间的定量表征，分析了薄膜材料、薄膜/衬底界面状况、线条几何结构及测试环境等对热弛豫时间的影响，阐明了热弛豫时间的决定性因素，并提出了减小热弛豫时间的方法。同时，利用电热模型实现了SNSPD光子响应的动态模拟，探究了SNSPD闩锁现象的产生机理，并通过实验验证了SNSPD闩锁现象与电、热弛豫时间比值的定量关联。项目执行期间主要取得以下研究成果：. 1) 基于泵浦-探测超快光谱技术搭建双光子检测平台，实现了不同参数Nb(Ti)N纳米线热弛豫时间（τth）的测量，典型的最小热弛豫时间范围在9.2–41.1 ps，热弛豫时间与纳米线转变温度满足关系τth∝TC–(1.50±0.17)。. 2) 通过对不同衬底材料、薄膜材料、纳米线宽度、化学计量比SNSPD器件的制备与分析表征，明确了热弛豫时间的决定性因素是薄膜材料无序度，阐明了NbN纳米线中电声子相互作用为主要的热弛豫机制。. 3) 构建电热模型仿真电、热弛豫时间变化对SNSPD光子响应过程的影响，并根据模拟结果设计制备不同参数器件，当电热弛豫时间比值小于133±11时器件闩锁，从实验上给出了器件闩锁电流与电热弛豫时间比值的定量关系。. 4) 共发表受项目标注论文4篇，其中第一作者论文3篇，通讯作者论文1篇；共申请专利1项，其中授权1项。. 本项目不仅掌握了薄膜热弛豫机理，同时积极探索SNSPD光子探测的动态响应过程，实现热弛豫物理机理与器件电学特性的有机结合，为后续高响应速率SNSPD器件设计给出了指导性方针。