Kriyogenik ortamlarda süperiletken nanotel tek foton dedektörleri için okuma devresinin tasarımı ve simülasyonu

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.