Geometry optimization of superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs) towards background-free X-ray detection

X-ray detectors, exhibiting high sensitivity, are relevant for a considerable number of applications in physics, medicine and other scientific fields. Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs), which have proven outstanding performances in the infrared (IR) regime, can represent good candidate for the X-ray range as well. A previous work, analysing the soft X-ray response of SNSPDs, confirms such qualities, especially in terms of detected counts and efficiency. It also argues that the major counting detection contribution is to be ascribed to the substrate scintillation, which falls in the visible- infrared (VIS-IR) regime. The objective of this work is to optimize the width and thickness of the nanowire in order to suppress infrared (IR) counts for wavelengths greater than 850 nm. Niobium Titanium Nitride (NbTiN) SNSPDs on top of a SiO2 substrate is employed to be consistent with the reference work. Geometry optimization is performed using a Python toolbox with built-in functions to realize meandering structures. Results show that widths above 100 nm do not detect any infrared (IR) light and, if this devices are used in a soft X-ray experiment, it should result in a dramatic reduction of the final counts.

I rivelatori di raggi X, che mostrano un’elevata sensibilità, sono rilevanti per un numero considerevole di applicazioni in fisica, medicina e altri campi scientifici. Il rivelatore su- perconduttori a nanofilo, capace di rilevare il singolo fotone (SNSPD) e che ha dimostrato prestazioni eccezionali nel regime dell’infrarosso (IR), può rappresentare un buon can- didato anche per la gamma dei raggi X. In un lavoro precedente, analizzando la risposta ai raggi X molli degli SNSPD, si confermano tali qualità, soprattutto in termini di conteggi rilevati ed efficienza. Si sostiene inoltre che il principale contributo di rilevamento di tale conteggio è da attribuire alla scintillazione del substrato, che rientra nel regime del visibile- infrarosso (VIS-IR). L’obiettivo di questo lavoro è ottimizzare la larghezza e lo spessore del nanofilo al fine di sopprimere i conteggi degli infrarossi (IR) per lunghezze d’onda maggiori di 850 nm. Per essere coerenti con il lavoro di riferimento, vengono impiegati SNSPDs di niobio e nitruro di titanio (NbTiN) su un substrato di SiO2 (Quarzo). L’ottimizzazione della geometria viene eseguita utilizzando un toolbox Python con funzioni integrate per realizzare strutture a meandri. I risultati mostrano che larghezze superiori a 100 nm non rilevano alcuna luce infrarossa (IR) e si ritiene, che se questi dispositivi venissero utilizzati in un esperimento di raggi X morbidi, si avrebbe una drastica riduzione dei conteggi finali.