CN105374928A - 一种超导分形纳米线单光子探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导分形纳米线单光子探测器及其制备方法，所述单光子探测器包括：衬底、纳米线、纳米天线、氢硅倍半环氧乙烷层以及银反射层，所述纳米线以分形的形式排布，用于实现纳米线对两个偏振态光的吸收偏振不敏感；在纳米线的基础上添加阵列式纳米天线。所述制备方法包括：用磁控溅射的方法在衬底上溅射一层超导材料；利用光刻与电子束蒸镀相结合的方式制备电极；用电子束曝光和反应离子束刻蚀相配合的方式制备分形纳米线；利用电子束曝光与电子束蒸镀相结合的方式制备纳米天线。本发明减小了超导纳米线单光子探测器的偏振敏感度，使得偏振敏感度小于0.02，两个正交偏振态吸收效率均达到80％，宽谱吸收效率高于70％，且适用于各种超导材料。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测器领域，尤其涉及一种超导分形纳米线单光子探测器及其制备方法。
背景技术
单光子探测器是可以探测单个光子的光电子器件，而光子是光最小的能量单元。作为量子光学探测领域的基础器件，单光子探测器出现在科学研究和应用的许多领域，包括：光子计数通信、生物医学成像或时间分辨光谱等。
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是21世纪初新兴的一种单光子探测器，相比于以往的光电倍增管(PMT)以及雪崩二极管探测器(APD)，它利用超导材料的超导转变将光信号转化成电信号，通过电信号计数实现光子计数。该种探测器具有探测速率高、效率高、计数率高、暗计数低、时域抖动小的优点。
然而目前SNSPD存在一个问题：偏振敏感。迄今为止，对于单一偏振态的光子，SNSPD器件效率可达93％之高。但是对于两个相互垂直的偏振态，回形纳米线难以达到高效均衡吸收。很多研究组推出了各自的解决方案：
1、圆形纳米线以及双向组合纳米线：
这两种结构平均了两个偏振态的吸收，却也降低了其中一个偏振态的吸收效率，本质上没有在提高效率的同时解决偏振敏感问题。
2、三维双层纳米线结构：
采用非晶态硅化钨(WSi)作为器件材料，虽然使两个偏振态效率均达到80％，但三维双层结构对于多晶态氮化铌(NbN)来说将会具有很大挑战。
因此，设计适用于各种超导材料、实现高效率偏振不敏感的SNSPD仍然是一个难题。
发明内容
本发明提供了一种超导分形纳米线单光子探测器及其制备方法，本发明设计的该单光子探测器对偏振不敏感，适用于各种超导材料，详见下文描述：
一种超导分形纳米线单光子探测器，所述单光子探测器包括：衬底、纳米线、纳米天线、氢硅倍半环氧乙烷层以及银反射层，
所述纳米线以分形的形式排布，用于实现纳米线对两个偏振态光的吸收偏振不敏感；
在纳米线的基础上添加阵列式纳米天线。
其中，所述纳米线以分形的形式排布具体为：
所述纳米线由最小结构单元、次级结构以及三级结构组成；
其中，最小结构单元由皮亚诺曲线构成；
次级结构由若干个最小结构单元连接而成；三级结构又由若干个次级结构连接而成。
进一步地，所述衬底为：SiO2衬底、Si衬底、蓝宝石衬底、MgO衬底或SOI衬底。
进一步地，所述纳米线的材料优选为氮化铌超导材料；所述阵列式纳米天线优选为二维阵列式纳米天线。
实际应用时，所述纳米线需经过蒸镀、电子束曝光以及反应离子束刻蚀加工的步骤。
一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
用磁控溅射的方式在衬底上溅射一层超导材料；
利用光刻与电子束蒸镀相结合的方式制备电极；
用电子束曝光和反应离子束刻蚀相配合的方式制备分形纳米线；
利用电子束曝光与电子束蒸镀相结合的方式制备纳米天线。
具体实现时，所述制备方法还包括：覆盖氢硅倍半环氧乙烷层以及银反射层。
其中，所述纳米天线与刻蚀后的纳米线采用套刻设计。
进一步地，所述制备方法还包括：在磁控溅射前，采用O2对腔室进行清洗。
所述超导材料优选为氮化铌材料。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明对纳米线进行了重新设计，采用了纳米线对光吸收偏振敏感度低的结构，再通过改变纳米天线的排布方式达到在低偏振敏感度基础上的高效吸收。通过实验验证，本发明可以大大减小超导纳米线单光子探测器的偏振敏感度，使得偏振敏感度小于0.02，两个正交偏振态吸收效率均达到80％，宽谱吸收效率高于70％，满足了实际应用中的多种需要，且适用于各种超导材料。
附图说明
图1为超导分形纳米线单光子探测器的结构示意图；
其中，(a)为皮亚诺结构的最小结构单元的俯视图；(b)为次级结构的俯视图，由9个最小结构单元连接而成；(c)为三级结构的俯视图；(d)为图(b)沿黑色实线的截面图。
图2为一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法的示意图；
其中，(a)为衬底；(b)为溅射过程；(c)为蒸镀电极；(d)为利用电子束曝光以及反应离子束刻蚀加工的分形纳米线，右侧引出其俯视图；(e)为利用套刻电子束曝光以及蒸镀相结合的技术在纳米线空隙处蒸镀天线阵列。
图3为一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法的流程图；
图4为一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法的另一流程图；
图5为反应离子束刻蚀后的纳米线图形；
图6为纳米线吸收效率与光腔腔长和波长的关系示意图。
其中，(a)为在1550nm波长下，纳米线吸收效率与光腔腔长Lc的关系示意图；(b)为在240nm光腔腔长下的宽谱响应图。
附图中，各部件所代表的列表如下：
1：衬底；2：纳米线；
3：纳米天线；4：氢硅倍半环氧乙烷层(HSQ)
5：银反射层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种超导分形纳米线单光子探测器，该超导分形纳米线单光子探测器的总体技术方案遵循如下思想：先设计一种降低纳米线对光吸收偏振敏感度低的结构，再通过改变纳米天线的排布方式达到低偏振敏感度基础上的高效吸收。
参见图1(d)，该超导分形纳米线单光子探测器包括：衬底1、纳米线2、纳米天线3、氢硅倍半环氧乙烷层4(HSQ)以及银反射层5，纳米线2以分形的形式排布，以此保证纳米线2对两个偏振态光的吸收偏振不敏感。在纳米线2的基础上添加二维阵列式纳米天线3，增加光吸收效率。
本发明实施例中的纳米线2由最小结构单元、次级结构以及三级结构组成。其中，最小结构单元由Peano(皮亚诺)曲线构成；次级结构由若干个最小结构单元连接而成；三级结构又由若干个次级结构连接而成。
其中，最小结构单元的数量与次级结构的数量相一致，本发明实施例对此不做限制。且优选最小结构单元、次级结构与三级结构的连接方式相同。
综上所述，本发明实施例设计的单光子探测器对偏振不敏感，适用于各种超导材料。
实施例2
下面结合具体的附图1(a)、图1(b)与图1(c)、以及相应的数学公式对实施例1中的超导分形纳米线单光子探测器的结构构成，进行详细的描述，详见下文：
图1(a)所示为分形的纳米线2的结构(Peano结构)。这种分型的纳米线2的设计适用于多晶材料、单晶材料或非晶材料。图1(b)与图1(c)中的虚线框为构成次级结构与三级结构的最小结构单元，黑色虚线为该最小结构单元的连接方向。图1(d)为图1(b)中黑色实线所截的切面图。
参见图1(d)，光由下向上入射，Lc为光腔腔长；TM(横磁波)的电场振动方向垂直直面；TE(横电波)的电场振动方向平行于纸面；k为波矢方向；H为磁场；E为电场。为了易于观看，图1(a)、图1(b)、图1(c)中的最上银反射层5并未画出。
图1(a)中类似于“5”字形的结构为Peano曲线的最小结构单元，整体的Peano曲线便是由这最小的结构单元重复排列而成。
可以看出，图1(b)为次级结构，它由9个最小结构单元按照“5”字形连接而成，其有效区域的尺寸为1700nm见方。
图1(c)为三级结构，它由9个次级结构按照“5”字形连接而成，其有效区域的边长为5300nm。
本发明实施例对上述有效区域的尺寸、最小结构单元的数量、以及次级结构的数量不做限制，仅以1700nm、5300nm、以及数量9为例进行说明，具体实现时，根据实际应用中的需要进行设定。
实际应用时，还可以以“5”字形之外的连接方式进行连接，只要确保每级的连接方式一致均可。
一般来说，N阶Peano分形曲线的有效区域面积可由下式表示：
S＝[(3N-1×600-100)nm]2(1)
这里定义填充因子为纳米线2的面积与有效区域面积之比，以此来反映有效区域的纳米线2的利用效率。传统回线形结构的纳米线填充因子为50％。对于Peano的纳米线2的结构，可按照如下方式计算：
假设有效区域面积为无限大，因此可以排列无限个图1(a)所示的初级结构，则填充因子R为：
R＝[18×1002×32×(N-1)/S](2)
其中，N为Peano结构的阶数；S为有效区域的面积。
可以发现，当N→∞时，R→1/2。因此，两种纳米线的填充因子相当，这说明Peano结构并不会消耗多余的纳米线材料。具体实验时，当有效区域的面积为10μm×10μm时，此时可以填充至约4阶Peano结构，其填充因子为50.6％。由于Peano的纵横交错的特殊结构，使得两个偏振态的光子吸收效率达到平衡。
本发明实施例采用纳米银结构(图中灰色部分)作为纳米天线3，其作用是使光在纳米线2上发生增强，以此来增加纳米线2的吸收。其功能类似于光学天线集成的超导纳米线单光子探测器。不同的是，光学天线集成的超导纳米线单光子探测器采用的是一维光栅结构的纳米天线，适用于传统的回线形结构的纳米线排布方式。而本发明实施例采用的是二维阵列式的纳米天线2，此种方式适用于分型的纳米线结构。
实际应用时，光在入射到纳米线2上时，由于纳米天线3的存在，会发生衍射、散射等现象。此时，金属表面自由电子发生集体振荡，光波与电子振荡形成的波相互耦合形成一种沿着金属表面传播的电磁波，即表面等离子波。当光波矢量与与电子振荡产生的波矢量相匹配时，就会产生表面等离子体共振。由于电子产生集体振荡，在振子边缘的正、负电荷会快速的交替变化，由于反馈间隙小，在振子边缘附近会产生很大的场增强，效果类似于尖端放电。
如图1(d)所示，探测器上端覆盖银反射层5以构成反射腔，使光可以经由纳米线2被二次吸收，从而进一步增加吸收效率。
实施例3
一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，参见图2和图3，该制备方法包括以下步骤：
101：用磁控溅射的方式在衬底1上溅射一层超导材料；
102：利用光刻与电子束蒸镀相结合的方式制备电极；
103：用电子束曝光和反应离子束刻蚀相配合的方式制备分形纳米线2；
104：利用电子束曝光(与纳米线2套刻)与电子束蒸镀相结合的方式制备纳米天线3。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104实现了对超导分形纳米线单光子探测器的制备，满足了实际应用中的多种需要。
实施例4
下面结合具体的器件、图2、图4、图5和图6对实施例3中的制备方法进行详细的描述，详见下文：
201：用磁控溅射的方式在sapphire(或者SiO2、Si以及MgO)衬底1上溅射一层厚度约为4-6nm的NbN材料；
202：利用光刻与电子束蒸镀相结合的方式制备电极；
203：用电子束曝光和反应离子束刻蚀相配合的方式制备NbN分形纳米线2；
204：利用电子束曝光(与纳米线2套刻)与电子束蒸镀相结合的方式制备纳米天线3。
图2(a)为衬底，一般为SiO2、Si、MgO、SOI或蓝宝石等。图2(b)为溅射过程，在蓝宝石衬底1上溅射一层为5nm厚的NbN薄膜。图2(c)为蒸镀电极，其中内部小岛为正极，外部环绕共地极。图2(d)利用电子束曝光以及反应离子束刻蚀加工分形纳米线2，右侧引出俯视图。图2(e)利用套刻电子束曝光以及蒸镀相结合的技术在纳米线2的空隙处蒸镀天线阵列，右侧为俯视图，纳米天线3高度约为240nm。
图5为反应离子束刻蚀后的纳米线2的图形，其中蜿蜒线条为纳米线2，纳米线2的线宽约为100nm。图6为在扫描电子束显微镜(SEM)下观察的反应离子束刻蚀后的纳米线2的图形。
实际应用时，优选在加工中将纳米线2的直角设计成圆角，有利于提高偏置电流的大小，提高吸收效率。
其中，NbN超导材料的超导转变温度约为10K。NbN材料的纳米线需经过蒸镀—电子束曝光—以及反应离子束刻蚀等步骤加工完成。
实际应用时，由于电子束曝光的精度，纳米天线的设计图形可以略有缩小。电子束曝光误差约为15nm；纳米天线3的设计图形长宽约为70nm；银层厚度约为30nm。
本发明实施例仅以上述的材料、尺寸为了进行说明，具体实现时，根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤204实现了对超导分形纳米线单光子探测器的制备，满足了实际应用中的多种需要。
实施例5
下面结合具体的操作过程给出实施例3和4中的最佳实施方案，详见下文描述：
该超导分形纳米线单光子探测器的加工应该在100级以上的超净间中进行。在每个清洗样品的步骤中，均要保证样品在显微镜下观察(20X)，视野内不超过2个污染颗粒。如果不符合要求，应重新清洗。
磁控溅射过程应注意，在溅射前，应提前4-5个小时对腔室抽真空达到高真空度，溅射前保证腔室的真空度在10-6mbar量级。磁控溅射条件如下：
真空度：1×10-6Torr；背景压强：1.5mTorr；
温度：800℃；功率：100W；
时间：100s；溅射方式：直流溅射(DC)；
Ar:N2:9.876：1.5(13.19％)；
转速：20rpm；膜厚：约5nm
电子束曝光所采用的电子束曝光胶为HSQ，甩胶速率为4000rpm，时间为1min；甩胶厚度约为100nm。
纳米天线3的加工包括：电子束曝光与电子束蒸镀。纳米天线3的图形需要与刻蚀后的纳米线2进行套刻。所用光刻胶为3000PY，预甩600rpm用10s的时间，进而3000rpm甩50s。
反应离子束刻蚀前务必用O2清洗腔体，否则在刻蚀时会引入杂质，影响纳米线2的电学热学特性。反应离子束刻蚀条件如下：
气体：CHF3：15sccm；压力：2.7Pa。
RF(射频)功率：100W；反应时间：1min；
偏压：-530V。
甩胶后样品前烘120℃烘烤5min，曝光15s，中烘95℃烘烤3min。
实际应用时，电极材料为钛-金，先蒸镀10nmTi，然后蒸镀30nm金。不同电子束曝光机应先用陪片进行剂量测试，方可在正片上加工。
其中，显影液为25％TMAH，显影时间30s。
先用15sccm的O2对腔室清洗15min。蒸镀材料为银，厚度约为240nm。器件封装分为两步：覆盖HSQ以及蒸镀反射银层。HSQ覆盖厚度约为240nm。蒸镀反射银层厚度约为30nm。
与加工传统超导纳米线单光子探测器不同，本发明实施例中所采用的纳米天线3为阵列式结构，且工作尺寸在～100nm左右，对加工精度要求高。Raith150电子束曝光机的对准精度在15nm左右。因此最佳方法是设计更窄的纳米天线3的尺寸(一般减小30nm)以防止纳米天线蒸镀时落在纳米线上，影响纳米线电学响应。
实施例6
下面结合具体的计算公式、图6对本发明实施例设计的超导分形纳米线单光子探测器进行可行性验证，详见下文描述：
吸收效率与光腔腔长关系的仿真实验需考虑两种偏振态的吸收，并通过比较计算出其偏振敏感度。为保证在纳米线2的位置上有最大吸收，应使光场在纳米线2的平面附近处于电场峰值，换句话说，需要保证纳米线2的平面位于光驻波场强的波峰位置。因此，需按照如下估算光腔腔长Lc：
Lc＝λ/(4nHSQ)(3)
其中，λ为波长；nHSQ为氢硅倍半环氧乙烷在该波长下的折射率。
在1550nm波段，可计算出Lc为280nm，在280nm附近扫描光腔腔长。模拟中，光腔腔长的变化范围由80nm至450nm变化。
响应谱宽是表征器件的重要指标。模拟中，选取波段以近红外波段为主，波长变化由1240nm至2000nm；同时考虑两种偏振态的吸收响应，并计算其偏振敏感度。
图6(a)为在1550nm波长下，纳米线吸收效率与Lc的关系。矩形组成的曲线为TE偏振方向的光吸收效率；倒三角形组成的曲线为TM偏振方向的光吸收效率；圆点组成的曲线为两种偏振态的偏振敏感度。经模拟发现，在光腔腔长为240nm时产生最大吸收，吸收效率约为80％。
图6(b)为在240nm光腔腔长下的宽谱响应图，小矩形组成的曲线为TE偏振方向的光吸收效率；正三角形组成的曲线为TM偏振方向的光吸收效率；大矩形组成的曲线为两种偏振态的偏振敏感度(PolarizationSensitivity)。
由图6(a)可以看出，两种偏振态的吸收效率几乎是相同的，最大值均可达到80％左右，且均在光腔腔长为240nm时达到最大，该处偏振敏感度小于0.02。
相比于传统的回形纳米线结构，该结构偏振敏感度有非常明显的降低，这是由于Peano结构的纳米线2在两个偏振方向都有足够的长度吸收光子能量，从而保证两种偏振态的均衡吸收。但是，Peano结构仅仅保证偏振敏感度很低，却不能同时保证高吸收效率。
纳米天线3在加入微腔的基础上更高一步地提高了光吸收效率。在没有纳米天线3以及微腔时，两种偏振态的吸收分别为24.3％(TE)和24.5％(TM)。
加入微腔后，两种偏振态效率可分别提升至55.5％(TE)和55.7％(TM)。加入纳米天线3之后，两种偏振态效率均提升至80％。在光腔腔长固定为240nm的条件下，波长由1240nm变换至2000nm。
由图6(b)可以发现。在这个波段内，两种偏振态的吸收均在70％以上，最高时可达83％(1650nm)。在此波段内，偏振敏感度均小于0.05。在1240-2000nm的光谱范围内，Peano结构是宽谱吸收的。
综上所述，本发明可以大大减小超导纳米线单光子探测器的偏振敏感度，使两个偏振态的最大吸收效率都在80％左右，满足了实际应用中的多种需要。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超导分形纳米线单光子探测器，所述单光子探测器包括：衬底、纳米线、纳米天线、氢硅倍半环氧乙烷层以及银反射层，其特征在于，
所述纳米线以分形的形式排布，用于实现纳米线对两个偏振态光的吸收偏振不敏感；
在纳米线的基础上添加阵列式纳米天线。
2.根据权利要求1所述的一种超导分形纳米线单光子探测器，其特征在于，所述纳米线以分形的形式排布具体为：
所述纳米线由最小结构单元、次级结构以及三级结构组成；
其中，最小结构单元由皮亚诺曲线构成；
次级结构由若干个最小结构单元连接而成；三级结构又由若干个次级结构连接而成。
3.根据权利要求1所述的一种超导分形纳米线单光子探测器，其特征在于，所述衬底为：SiO2衬底、Si衬底、蓝宝石衬底、MgO衬底或SOI衬底。
4.根据权利要求1所述的一种超导分形纳米线单光子探测器，其特征在于，
所述纳米线的材料为氮化铌超导材料；
所述阵列式纳米天线为二维阵列式纳米天线。
5.根据权利要求1或4所述的一种超导分形纳米线单光子探测器，其特征在于，所述纳米线需经过蒸镀、电子束曝光以及反应离子束刻蚀加工的步骤。
6.一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
用磁控溅射的方式在衬底上溅射一层超导材料；
利用光刻与电子束蒸镀相结合的方式制备电极；
用电子束曝光和反应离子束刻蚀相配合的方式制备分形纳米线；
利用电子束曝光与电子束蒸镀相结合的方式制备纳米天线。
7.根据权利要求6所述的一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：覆盖氢硅倍半环氧乙烷层以及银反射层。
8.根据权利要求6所述的一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述纳米天线与刻蚀后的纳米线采用套刻设计。
9.根据权利要求6或7或8所述的一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在磁控溅射前，采用O2对腔室进行清洗。
10.根据权利要求6或7或8所述的一种超导分形纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述超导材料为氮化铌材料。
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