CN103367516A - 一种超导纳米单光子探测芯片及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导纳米单光子探测芯片，包括基底，还包括活性层、绝缘层和光子吸收层，所述活性层为至少两根超导纳米线，呈蜿蜒结构设置于所述基底的上表面；所述光子吸收层为碳纳米管层，设置于所述活性层上方；所述绝缘层填充于至少两根超导纳米线之间，同时，填充于所述超导纳米线与所述光子吸收层之间。同时，本发明还提供一种超导纳米单光子探测芯片的制备工艺。本发明大幅度提高探测器芯片的光子吸收概率，将可吸收的光子波段提高到紫外-可见-红外，从而提高探测器的系统效率，使超导纳米单光子探测芯片效率高、工作波段宽、应用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测芯片，具体涉及一种超导纳米单光子探测芯片。
背景技术
光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。
光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。当超导薄膜远低于临界温度时，超导体处于超导态，如果给该薄膜通过上电流，当电流高于某一值时，超导态就会被破坏而转变为正常态。这个电流就称为临界电流，单位截面上通过的电流就成为临界电流密度，如果将超导薄膜加工成纳米条置于远低于其临界温度环境，并通上略低于临界电流的电流时，该超导纳米条对入射的光子就非常敏感，利用这一原理人们发明了超导单光子检测器.。
超导单光子检测是一种基于超导薄膜的单光子检测技术，和常见的单光子检测器如处于盖格模式的雪崩二极管和光电倍增管等相比具有显著的优点。通常半导体的单光子检测器检测到一个光子后恢复到初始状态的时间很长，通常在微秒量级，因此通常限制其检测光子的速度在kHz量级。而超导单光子检测器的恢复时间通常在纳秒量级，比半导体的检测器高了三个数量级，并且理论上超导单光子探测器的检测速率还可以进一步提高。暗计数方面，超导单光子探测器几乎没有暗计数，而半导体检测器的暗计数非常高，能够到几万甚至更高。另外，由于半导体材料制备的探测器，其光谱相应范围都很窄，而超导单光子探测器很容易就能够覆盖可见光到红外区域。超导单光子探测器还具有电流抖动小，信噪比高，检测电路简单等等优点。
除了上面这些优点外，超导单光子检测器具有一些还待解决问题，最主要的问题就是检测效率低。由于超导单光子探测器使用的是超薄薄膜，薄膜的厚度约4纳米，该薄膜对于光的吸收十分有限，在1550纳米波段光的吸收30-40%。与此同时，超导单光子探测器主要是将超导薄膜刻蚀获得的蜿蜒纳米线，纳米线之间是空隙，因此超导超薄薄膜的覆盖率仅50%，因此探测区域对光子的吸收概率更低。这些因素导致了超导单光子探测器的系统效率普遍较低。为了提高超导纳米线单光子探测器的系统效率，MIT等研究人员提出通过谐振腔的方式提高光子的吸收效率，并证明该方法可以大幅度提高器件效率。但与此同时，由于超导谐振腔的波长选择性，该方法只能工作在特定的波段，作为一种宽带探测器，由于其谐振腔，降低了其工作波段，限制了在光谱分析等方面的应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种效率高、工作波段宽、应用范围广的超导纳米单光子探测芯片。
同时，本发明还提供一种解决上述问题的超导纳米单光子探测芯片的制备工艺。
技术方案：本发明所述的一种超导纳米单光子探测芯片，包括基底，还包括活性层、绝缘层和光子吸收层，所述活性层为至少两根超导纳米线，呈蜿蜒结构设置于所述基底的上表面；所述光子吸收层为厚度大于10纳米的碳纳米管层，设置于所述活性层上方；所述绝缘层填充于至少两根超导纳米线之间，同时，填充于所述超导纳米线与所述光子吸收层之间。采用碳纳米管层作为光子吸收层可大幅度提高探测器芯片的光子吸收概率，将可吸收的光子波段提高到紫外-可见-红外；同时采用绝缘层将超导纳米线之间及与光子吸收层之间隔离，保护蜿蜒结构的超导纳米线的电路。
本发明技术方案的进一步限定为，所述基底为MgO片或者Si片。
进一步地，所述超导纳米线为经电子束曝光的NbN薄膜。
进一步地，所述超导纳米线的厚度为4nm，宽度为100nm。
进一步地，所述绝缘层为Al2O3绝缘层。
本发明提供的另一技术方案为：一种超导纳米单光子探测芯片的制备工艺，按如下步骤进行：
S1、在选定的基底上表面将NbN薄膜经电子束曝光形成至少两根超导纳米线，至少两根超导纳米线呈蜿蜒结构设置；
S2、采用单原子层沉积的方法在超导纳米线之间及其上方沉积Al2O3绝缘层；
S3、在Al2O3绝缘层的上表面悬涂碳纳米管分散液，在80-105℃温度下烘干20~25分钟，形成一层碳纳米管层。
本技术方案的进一步限定为，步骤S3中，进行烘干时的步骤为，先采用90℃烘20分钟，然后提高温度至105℃烘5分钟，可减小残留的水分子对光吸收的影响。
有益效果：本发明提供的一种超导纳米单光子探测芯片及其制备工艺，采用碳纳米管作为光子吸收层，大幅度提高探测器芯片的光子吸收概率，将可吸收的光子波段提高到紫外-可见-红外，从而提高探测器的系统效率，使超导纳米单光子探测芯片效率高、工作波段宽、应用范围广；本发明的制备工艺简单，材料一度，容易操作，便于推广。
附图说明
图1为本发明提供的一种超导纳米单光子探测芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：本发明一种超导纳米单光子探测芯片，包括基底1、活性层2、绝缘层3和光子吸收层4。
基底1为常见的超导单光子探测芯片的基底，本实施例中采用MgO片或者Si片。
活性层2为至少两根超导纳米线，呈蜿蜒结构设置于所述基底1的上表面。本实施例中，活性层2是NbN薄膜经过电子束曝光形成的超导纳米线条，超导纳米线的厚度为4nm，宽度为100nm。
光子吸收层4为厚度大于10纳米的碳纳米管层，设置于活性层2上方；
绝缘层3为Al2O3绝缘层，填充于至少两根超导纳米线之间，同时，填充于所述超导纳米线与所述光子吸收层4之间，由于碳纳米管具有导电性，为了防止悬涂的碳纳米管破坏蜿蜒结构的超导纳米线的电路结构，故采用单原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）的方法在纳米线上层长了一层Al2O3绝缘层。隔离层的特征为：厚度超薄，小于50 nm；绝缘性好，电阻率高于300 W·cm；覆盖性好，漏电流1000 A/m。
本实施例利用碳纳米管在较宽波长范围内对光的吸收具有促进作用，采用单壁碳纳米管分散液，在芯片表面悬涂一层碳纳米管，烘干后形成吸收层，大幅度提高探测器芯片的光子吸收概率，从而提高探测器的系统效率。
上述超导纳米单光子探测芯片的制备工艺，按如下步骤进行：
S1、在选定的基底上表面将NbN薄膜经电子束曝光形成至少两根超导纳米线，至少两根超导纳米线呈蜿蜒结构设置。
S2、采用单原子层沉积的方法在超导纳米线之间及其上方沉积Al2O3绝缘层。
S3、在Al2O3绝缘层的上表面悬涂碳纳米管分散液，在80-105℃温度下烘干20~25分钟，形成一层碳纳米管层。本实施例中，进行烘干时的步骤为，先采用90℃烘20分钟，然后提高温度至105℃烘5分钟，可减小残留的水分子对光吸收的影响。在Al2O3绝缘层的上表面悬涂碳纳米管分散液，在适当温度下烘干，形成一层碳纳米管层。烘干的温度既不能太高，防止会影响碳纳米管的均匀覆盖性，又不能太低，否则残留水分子，水分子在红外波段有强吸收，因此残留的水分子会在红外波段有干扰。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (7)
1.一种超导纳米单光子探测芯片，包括基底（1），其特征在于，还包括活性层（2）、绝缘层（3）和光子吸收层（4），所述活性层（2）为至少两根超导纳米线，呈蜿蜒结构设置于所述基底（1）的上表面；所述光子吸收层（4）为厚度大于10纳米的碳纳米管层，设置于所述活性层（2）上方；所述绝缘层（3）填充于至少两根超导纳米线之间，同时，填充于所述超导纳米线与所述光子吸收层（4）之间。
2.根据权利要求1所述的一种超导纳米单光子探测芯片，其特征在于，所述基底（1）为MgO片或者Si片。
3.根据权利要求1所述的一种超导纳米单光子探测芯片，其特征在于，所述超导纳米线为经电子束曝光的NbN薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种超导纳米单光子探测芯片，其特征在于，所述超导纳米线的厚度为4nm，宽度为100nm。
5.根据权利要求1所述的一种超导纳米单光子探测芯片，其特征在于，所述绝缘层（3）为Al2O3绝缘层。
6.一种超导纳米单光子探测芯片的制备工艺，其特征在于，按如下步骤进行：
S1、在选定的基底上表面将NbN薄膜经电子束曝光形成至少两根超导纳米线，至少两根超导纳米线呈蜿蜒结构设置；
S2、采用单原子层沉积的方法在超导纳米线之间及其上方沉积Al2O3绝缘层；
S3、在Al2O3绝缘层的上表面悬涂碳纳米管分散液，在80-105℃温度下烘干20~25分钟，形成一层碳纳米管层。
7.根据权利要求6所述的一种超导纳米单光子探测芯片的制备工艺，其特征在于，步骤S3中，进行烘干时的步骤为，先采用90℃烘20分钟，然后提高温度至105℃烘5分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131023 |