Optimization of NbTiN thin film sputtering and optical lithography for large area superconducting nanowire single photon detectors

"I Superconducting Nanowire Single Photon Detectors (SNSPDs) rappresentano la tecnologia più avanzata per il counting di singoli fotoni, con alta risoluzione temporale, dall'ultravioletto (UV) al vicino infrarosso. La recente scoperta della sensibilità al singolo fotone nei superconducting wires di diemsione apre una promettente via di indagine per dispositivi con grandi aree attive, applicabili nella ricerca della materia oscura e nella fisica delle alte energie. D'altra parte, l'incorporazione di superconducting wires a scala micrometrica come elementi foto-sensibili negli SNSPDs può portare a significativi miglioramenti in termini di velocità, footprint e resa di fabbricazione. Tuttavia, l'attuale applicazione dei Superconducting Microwire Single Photon Detectors (SMSPDs) ha comportato una riduzione dell'efficienza intrinseca di rilevamento. Il problema della bassa efficienza di rilevamento può essere affrontato attraverso l'utilizzo di film ad alta resistività. In questo lavoro vengono proposte l'ottimizzazione del processo di sputtering e fabbricazione, basato su litografia ottica, per NbTiN ad alta resistività. Nel lavoro viene realizzato un rivelatore a singolo pixel, 300 × 300 μm² SMSPD con superconducting microwires larghi 1 μm, fabbricato da film di NbTiN ad alta resistività (409 μΩ·cm, circa il doppio del comune NbN usato per la realizzazione di SNSPDs con temperatura critica comparabile al NbN bias-sputtered) utilizzando litografia ottica senza maschera. Il dispositivo, realizzato con differenti spessori e temperature critiche di NbTiN, non ha mostrato una saturazione nell'efficienza di rilevamento interna alla temperature di 3 K. Ottimizzando ulteriormente le tecniche di processo presentate in questo lavoro, esiste una via percorribile per realizzare dispositivi di grandi aree con efficienza di rilevamento interno saturato."