Design and simulation of readout circuit for superconductor nanowire single photon detectors in cryogenic environments

Abstract

This thesis investigates the development of readout circuits for Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs), with a special emphasis on the cryogenic electronics that facilitate their operation near 4.2 Kelvin. SNSPDs exploit the light-driven superconducting-to-resistive phase transition of ultra-thin wires to achieve high detection efficiency, low dark count rates, and ultrafast response times. Photon absorption in these detectors generates a hotspot, disrupting the superconducting state, which is then converted into a measurable electrical signal. A critical design consideration is the proximity of the first-stage preamplifier to the SNSPD to minimize signal loss and optimize load impedance, a strategy that enhances readout effectiveness. However, the challenge lies in designing integrated circuits capable of reliably reading out these signals at such low temperatures. Traditional silicon-based MOSFETs, commonly used in such circuits, often experience carrier freeze-out at extreme temperatures around 4.2 K, leading to compromised performance. This phenomenon is further exacerbated by issues such as partial doping freeze-out and the freeze-out of parasitic edge transistors, as detailed in recent studies. On the other hand, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have been demonstrated to effectively bypass these limitations, thus proving to be more suitable for use in SNSPD readout circuits. Additionally, the robust performance of GaN HEMT's at temperatures as low as 4.2 K further validates their potential for cryogenic preamplifiers. In this thesis, the suitability of a cryogenic preamplifier circuit designed using GaN HEMTs for SNSPD sensors has been evaluated through SPICE simulations. The ASM-HEMT model was employed to facilitate the SPICE simulation of the GaN HEMTs. Necessary modifications were made to the ASM-HEMT model to ensure that its behavior aligned with experimental results at cryogenic temperatures. The simulations revealed that at the typical SNSPD operating frequency of around 1 GHz, a gain of 31.4 dB was achieved, along with a power dissipation of 1.2 mW. This low-power dissipation is crucial for maintaining the thermal budget constraints of dilution refrigerators, making the design scalable for multi-pixel SNSPDs. Additionally, it was observed that GaN HEMTs exhibit significantly lower on-state resistance at cryogenic temperatures compared to room temperature and achieve up to 75% higher IDSmax values, consistent with experimental results. This confirms the superior performance metrics of GaN HEMTs at low temperatures, as reported in the literature. The findings of this thesis suggest that GaN HEMTs are excellent candidates for use in cryogenic preamplifier circuits, providing a foundational approach to enhancing the efficiency and reliability of SNSPD systems.

Bu tez, 4.2 Kelvin civarında çalışmayı kolaylaştıran kriyojenik elektroniğe odaklanarak, Süperiletken Nanotel Tek-Foton Dedektörleri (SNSPD'ler) için okuma devrelerinin geliştirilmesini incelemektedir. SNSPD'ler, yüksek tespit verimliliği, düşük karanlık sayım oranları ve ultra hızlı yanıt süreleri sağlamak için ışık kaynaklı süperiletken-iletken faz geçişini kullanır. Foton soğurulması, süperiletken durumu bozarak ölçülebilir bir elektrik sinyaline dönüşen bir sıcak nokta oluşturur. Sinyal kaybını en aza indirmek için preamplifikatörün SNSPD'ye yakın olması önemlidir; ancak, bu sıcaklıklarda güvenilir entegre devreler tasarlamak zordur. Bu tür devrelerde yaygın olarak kullanılan geleneksel silikon bazlı MOSFET'ler, 4.2 K civarındaki aşırı sıcaklıklarda taşıyıcı donma sorunu yaşayarak performansın düşmesine neden olur. Bu fenomen, kısmi doping donması ve parazitik kenar transistörlerinin donması gibi sorunlarla daha da kötüleşir, bu durum son çalışmalarda detaylandırılmıştır. Öte yandan, Yüksek Elektron Hareketliliği Transistörleri (HEMT'ler), bu sınırlamaları etkili bir şekilde aşarak SNSPD okuma devrelerinde kullanım için daha uygun olduğunu kanıtlamıştır. Ayrıca, GaN HEMT'lerin 4.2 K kadar düşük sıcaklıklarda sağlam performansı, kriyojenik preamplifikatörler için potansiyellerini daha da doğrulamaktadır. Bu tez kapsamında, GaN HEMT kullanılarak tasarlanan kriyojenik preamplifikatör devresinin SNSPD sensörleri için uygunluğu SPICE simülasyonlarıyla değerlendirilmiştir. GaN HEMT'lerin SPICE simülasyonunu kolaylaştırmak için ASM- HEMT modeli kullanılmış ve ASM-HEMT modelinin kriyojenik sıcaklıklarda deneysel sonuçlarla uyumlu olacak şekilde davranış sergilemesi için gerekli modifikasyonlar yapılmıştır. Simülasyonlar, tipik SNSPD çalışma frekansı olan 1 GHz civarında 31.4 dB kazanç ve 1.2 mW güç tüketimi elde edildiğini ortaya koymuştur. Bu düşük güç tüketimi, seyreltilmiş soğutucuların termal bütçe kısıtlamalarını korumak için kritik öneme sahiptir ve tasarımın çok pikselli SNSPD'ler için ölçeklenebilir olmasını sağlar. Ayrıca, GaN HEMT'lerin kriyojenik sıcaklıklarda oda sıcaklığına kıyasla önemli ölçüde daha düşük on-state dirence sahip olduğu ve deneysel sonuçlarla tutarlı olarak %75 daha yüksek IDS,max değerlerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu, literatürde de belirtildiği gibi GaN HEMT'lerin düşük sıcaklıklarda daha yüksek performans metriklerine sahip olduğunu doğrulamaktadır. Bu tez bulguları, GaN HEMT'lerin kriyojenik preamplifikatör devrelerinde kullanım için mükemmel adaylar olduğunu ve SNSPD sistemlerinin verimliliğini ve güvenilirliğini artırmak için temel bir yaklaşım sağladığını önermektedir.