Single photon detection performance of highly disordered NbTiN thin films

Abstract

Abstract We experimentally investigated the detection performance of highly disordered <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> </mml:math> based superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs). The dependence on the composition of the transition temperature <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:math> films show a dome-like behavior on the Nb content, with a maximal <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>c</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>0.65</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:math> and the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.65</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.35</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:math> films also combine relatively large sheet resistance and intermediate residual resistivity ratio. Moreover, 60-nm-wide and 7-nm-thick <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.65</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.35</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:math> nanowires show a switching current as high as 14.5 μ A, and saturated intrinsic detection efficiency with a plateau of more than 2 μ A at 2.4 K. Finally, the corresponding SNSPDs on an alternative SiO 2 /Ta 2 O 5 dielectric mirror showed a system detection efficiency of approximately 92% for 1550 nm photons, and the timing jitter is around 26 ps. Our results demonstrate that the highly disordered <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Nb</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">Ti</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:math>

Topics & Concepts