CN107910400B

CN107910400B - 一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN107910400B
Application number: CN201711101757.XA
Authority: CN
Inventors: 欧欣; 尤立星; 贾棋; 张伟君
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: CN107910400A; US11380834B2; WO2019091045A1; US20210184095A1

Abstract

本发明提供一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底；于所述衬底表面形成具有应力的超导纳米线；基于所述具有应力的超导纳米线制备超导纳米线单光子探测器。基于上述技术方案，本发明提供的超导纳米线单光子探测器保证器件材料层薄膜具有一定厚度的同时，可以降低器件材料的临界温度，并保证了器件材料的均一性及较小的转换温度宽度，提高器件的探测效率。

Description

一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光探测器技术领域，特别是涉及一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single PhotoDetector，SNSPD)是一种利用超导纳米膜线进行光子检测的高灵敏光子探测器。与传统半导体光子探测器相比，这类探测器具有高探测效率、低暗技术和高时间分辨率的特点。目前，SNSPD器件已经广泛应用于量子信息、单光子源表征，集成电路检测，高速光通讯和分子荧光检测等领域。

目前的SNSPD主要采用3-6nm的高质量氮化铌(NbN)外延薄膜，纳米线宽度一般在100nm左右，SNSPD一般工作在1.4-4.2K的温度，偏置在略低于临界电流的状态，单个光子有足够的能量拆散超导材料中数百个库伯对从而形成热点，这些热点处会形成短暂的电阻态，使得器件两端有一个电压脉冲输出。通过对这个电压脉冲信号的技术实现对入射光子检测。

在实际应用中，单光子探测器最重要的性能指标就是探测效率η(即，一个光子入射到探测器上输出电信号被检测到的概率)。现实情况下η总是小于100％，并和入射光子的波长密切相关，在实际的光计数实验中，由于实验环境中的吸收、散射或者反射，光子会在到达探测器之前就已经丢失，这种损失可以定义为光耦合效率(η_coupling)；探测器的材料和几何结构、光学腔结构决定了探测器的光吸收效率(η_absorption)；最后，当光被探测器吸收后，还存在一个探测器可能无法产生响应脉冲的本征探测效率(ηregistering)。将上述几个因素综合考虑，整个系统的探测效率(ηsde)为：

ηsde＝ηcoupling×ηabsorption×ηregistering

目前，许多研究都致力于提升SNSPD的探测效率，包括将纳米线做成曲折线结构，可以增强光耦合效率，将纳米曲折线SNSPD植入到光学腔体结构可以明显提高光吸收效率，通过减小纳米线的宽度可以调高光响应率。但是这些研究都是在优化SNSPD的几何结构，对超导材料本身的调控来提升器件本征探测效率的方法还鲜有报道。

对于目前的SNSPD器件来说，薄膜厚度越低，材料的临界温度Tc越低，一定程度上可以提升本征探测效率，但薄膜厚度低会造成纳米线的光吸收率变差，同时导致转换温度降低，反而又降低了器件的整体探测效率，也大大限制了SNSPD器件的可工作温区。

因此，提供一种提高超导纳米线单光子探测器探测效率的制备方法及超导纳米线单光子探测器，在保证器件材料的光吸收率、均一性及转换温度窗口较小的情况下，调控材料的临界温度Tc，从而提高器件的本征探测效率实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法，用于解决现有技术中降低材料的临界温度Tc同时会造成器件光吸收率、材料均一性变差以及转换温度窗口变大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)提供一衬底；

2)于所述衬底表面形成具有应力的超导纳米线；

3)基于所述具有应力的超导纳米线制备超导纳米线单光子探测器。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)中，基于离子注入于所述超导纳米线中引入应力。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)包括如下步骤：

2-1)于所述衬底表面形成超导纳米线材料层；

2-2)于所述超导纳米线材料层表面进行离子注入，以在所述超导纳米线材料层内引入应力；

2-3)采用光刻-刻蚀工艺对步骤2-2)所得到的超导纳米线材料层进行处理，以得到具有应力的所述超导纳米线。

作为本发明的一种优选方案，步骤2)包括如下步骤：

2-1)于所述衬底表面形成超导纳米线材料层；

2-2)采用光刻-刻蚀工艺对所述超导纳米线材料层进行处理，以得到超导纳米线结构；

2-3)于所述超导纳米线结构表面进行离子注入，以在所述超导纳米线结构内引入应力，从而形成具有应力的所述超导纳米线。

作为本发明的一种优选方案，所述离子注入工艺中的离子为惰性气体离子。

作为本发明的一种优选方案，所述离子注入工艺中的注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2，注入能量为10～100keV，注入温度为0～600℃。

作为本发明的一种优选方案，所述离子注入工艺中的离子注入区域完全覆盖待引入应力层的表面和/或所述离子注入工艺中的离子穿透待引入应力层。

作为本发明的一种优选方案，所述超导纳米线的材料包括NbN、Nb、TaN、TiN、NbTiN或WSi。

作为本发明的一种优选方案，步骤1)和步骤2)之间还包括：于所述衬底表面形成反射膜的步骤，其中，所述反射膜形成于所述衬底与所述超导纳米线之间。

本发明还提供一种超导纳米线单光子探测器，包括：

衬底；

超导纳米线，位于所述衬底表面，其中，所述超导纳米线为具有应力的超导纳米线。

作为本发明的一种优选方案，所述超导纳米线单光子探测器还包括反射膜，所述反射膜位于所述衬底与所述超导纳米线之间。

作为本发明的一种优选方案，所述反射膜包括交替叠置的SiO2薄膜层与Si薄膜层、交替叠置的SiO2薄膜层与TiO2薄膜层或交替叠置的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。

作为本发明的一种优选方案，所述超导纳米线包括若干条平行间隔排布的直线部及将所述直线部依次首尾连接的连接部。

如上所述，本发明调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法，具有以下有益效果：

1)本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器在保证器件材料层薄膜的厚度的同时，降低器件材料的临界温度Tc，并保证了器件材料的均一性及较小的转换温度窗口；

2)本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器可以降低器件材料的临界温度Tc，从而提高器件的探测效率。

附图说明

图1显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法的流程图。

图2～图6显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的制备过程中的各结构示意图：

图2显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的制备中提供衬底的结构示意图；

图3显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的制备中形成超导纳米线材料层及进行离子注入的结构示意图；

图4显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的一种结构的俯视图；

图5显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的另一种结构的俯视图；

图6显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器的制备中形成反射膜及超导纳米线材料层的结构示意图。

图7显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器与不进行离子注入的超导纳米线单光子探测器的器件材料层的临界温度变化曲线图。

图8显示为本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器与不进行离子注入的超导纳米线单光子探测器的探测效率曲线图。

元件标号说明

11 衬底

12 超导纳米线材料层

121、122 超导纳米线

1221 连接部

1222 直线部

13 反射膜

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

本发明提供一种调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：

1)提供一衬底；

2)于所述衬底表面形成具有应力的超导纳米线；

下面结合具体附图详细介绍本发明的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法。

请参阅图1中的S1及图2，进行步骤1)，提供一衬底；

具体的，所述衬底11可以是Si衬底、绝缘层上硅(SOI)等常用的半导体硅基衬底，或者Ge、绝缘体上锗衬底，也可以是SiGe、GaAs、GaN、InSb、InAs等化合物半导体衬底，衬底的选择依据实际情况而定，在本实施例中，所述衬底11选择为Si衬底。

请参阅图1中的S2及图3～图5，进行步骤2)，于所述衬底11表面形成具有应力的超导纳米线121或122。

需要说明的是，本发明的超导纳米线121或122具有应力，本发明是对超导纳米线材料本身进行改进，从而提高了SNSPD的本征探测效率，其原理是，利用离子注入在材料中引入应力，调控材料本身的物理性质，如晶格结构，电子结构，从而降低材料的临界温度，此外所注入的离子不与材料本身发生任何化学反应或电子交换，可以大大保证材料本身的均匀性，从而总体上提高器件的本征探测效率。

作为示例，步骤2)中，基于离子注入于所述超导纳米线中引入应力。

作为示例，步骤2)包括如下步骤：

2-1)于所述衬底11表面形成超导纳米线材料层12，如图3所示；

2-2)于所述超导纳米线材料层12表面进行离子注入，以在所述超导纳米线材料层12内引入应力，如图3所示；

2-3)采用光刻-刻蚀工艺对步骤2-2)所得到的超导纳米线材料层进行处理，以得到具有应力的所述超导纳米线121或122，如图4及图5所示。

具体的，该步骤给出了一种具有应力的超导纳米线的形成方法，即在制备SNSPD器件层(超导纳米线)之前实施离子注入，引入应力，再对具有应力的所述超导纳米线材料层12进行光刻-刻蚀的工艺处理，从而得到所需要结构的超导纳米线。该处理工艺简单，直接实施离子注入方便快捷，且有利于对离子注入的工艺进行控制。

作为示例，步骤2)包括如下步骤：

2-1)于所述衬底表面形成超导纳米线材料层12；

2-2)采用光刻-刻蚀工艺对所述超导纳米线材料层12进行处理，以得到超导纳米线结构(图中未示出)；

2-3)于所述超导纳米线结构表面进行离子注入，以在所述超导纳米线结构内引入应力，从而形成具有应力的所述超导纳米线121或122。

具体的，该步骤给出了另一种具有应力的超导纳米线的形成方法，即在制备SNSPD器件层(超导纳米线)之后实施离子注入，引入应力，具体为先对形成于所述衬底11上的所述超导纳米线材料层12进行光刻-刻蚀的工艺处理，以得到所需要的超导纳米线结构(此时不具有应力)，再在所述超导纳米线结构的表面进行离子注入，以引入应力。该处理工艺有助于进一步保证材料本申请的均匀性以及探测效率的提高。

作为示例，所述超导纳米线121或122的材料包括NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi。

具体的，所述超导纳米线121或122的材料可以为本领域任何合适的材料，不应局限于上述几种。本实施例中，所述超导纳米线的材料为NbN。另外，所述超导纳米线121或122的宽度可以为80～120nm，在本实施例中为100nm，厚度可以为2～15nm，优选为5或7或9或11nm。

具体的，所述超导纳米线的形状依据实际需求而定，如实施方式中给出如图4及图5所示的结构，图4中，所述超导纳米线121呈蛇形结构，包括若干条平行间隔排布的直线部及将所述直线部依次首尾连接的连接部；图5中，所述超导纳米线122包括若干条平行间隔排布的直线部及将所述直线部1221依次首尾连接的连接部1222，所述连接部1222的外侧位于同一圆周上。其中，相邻两直线部的间距可以为50～500nm，优选为200nm，另外，所述直线部的数量在此不做具体限定，可以为2～200个，本实施例中为10个。

作为示例，所述离子注入工艺中的离子为惰性气体离子，其中，所述惰性气体离子为He离子、Ne离子、Ar离子、Kr离子及Xe离子中的至少一种。

作为示例，所述离子注入工艺中的注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁶cm^-2，注入能量为10～100keV，注入温度为0～600℃。

作为示例，所述离子注入工艺中的离子注入区域完全覆盖待引入应力层的表面和/或所述离子注入工艺中的离子穿透待引入应力层。

具体的，离子注入工艺中的离子可以为上述所列举的惰性气体离子中的一种或者两种的组合或者多种的组合，在此不做具体限制，当然，也可以为可以实现本申请功能的任意其他离子，若为至少两种离子注入，可以为不同离子同时注入，也可以是分先后顺序注入。注入剂量优选为6×10¹⁴～6×10¹⁵cm^-2，注入能量优选为20～80keV，注入温度优选为20～400℃，在本实施例中，注入剂量为1×10¹⁵cm^-2，注入能量为60keV，注入温度为200℃。

具体的，在本实施例中，所述离子注入工艺中的离子完全覆盖待引入应力层的表面，且所述离子注入工艺中的离子穿透待引入应力层，即若为离子注入工艺在SNSPD器件层制备之前实施，则离子注入覆盖整个所述超导纳米线材料层12并穿透该材料层，即若为离子注入工艺在SNSPD器件层制备之后实施，则离子注入覆盖整个所述超导纳米线121或122并穿透该层，从而进一步保证器件材料的均一性。

作为示例，步骤1)和步骤2)之间还包括：于所述衬底11表面形成反射膜13的步骤，其中，所述反射膜13形成于所述衬底11与所述超导纳米线121或122之间，如图6所示。

具体的，在本实施例中，所述反射膜13形成于所述衬底11与所述超导纳米线121或122之间，当然，其可以依据具体的器件结构而设置，在此不做具体限制。

具体的，所述反射膜13包括交替叠置的SiO₂薄膜层与Si薄膜层、交替叠置的SiO₂薄膜层与TiO₂薄膜层或交替叠置的SiO₂薄膜层与Ta₂O₅薄膜层，另外，所述反射膜13的材料也可以为Ag、Au或Al等。

请参阅图1中的S3，进行步骤3)，基于所述具有应力的超导纳米线制备超导纳米线单光子探测器。

请参阅图4～图6，本发明还提供一种调控超导纳米线的单光子探测器，其中，所述调控超导纳米线的单光子探测器采用上述任意制备方法制备得到，其包括：

衬底11；

超导纳米线121或122，位于所述衬底11表面，其中，所述超导纳米线121或122为具有应力的超导纳米线。

作为示例，所述超导纳米线单光子探测器还包括反射膜13，所述反射膜13位于所述衬底11与所述超导纳米线121或122之间。

作为示例，所述反射膜13包括交替叠置的SiO₂薄膜层与Si薄膜层、交替叠置的SiO₂薄膜层与TiO₂薄膜层或交替叠置的SiO₂薄膜层与Ta₂O₅薄膜层。

作为示例，所述超导纳米线121或122的材料包括NbN、Nb、TaN、TiN、NbTiN或WSi。

作为示例，所述超导纳米线121或122包括若干条平行间隔排布的直线部及将所述直线部依次首尾连接的连接部。

作为示例，所述超导纳米线的所述连接部1222的外侧位于同一圆周上。

需要进一步说明的是，本发明的经过离子注入处理的SNSPD器件层(即具有应力的超导纳米线)具有显著的有益效果，请参阅图7及图8，具体的，图7显示为本申请的超导纳米线单光子探测器与不进行离子注入的超导纳米线单光子探测器的临界温度变化曲线的对比图，图中a显示为未经离子注入的器件层的临界温度与Normalized R(约化电阻值)之间的关系图，b显示为本申请的器件层的临界温度与Normalized R(标准阻值)之间的关系图，可以看出，本申请的器件层具有较低的临界温度；图8显示为本申请的超导纳米线单光子探测器与不进行离子注入的超导纳米线单光子探测器的本征探测效率变化曲线的对比图，图中a显示为未经离子注入的器件本征探测效率与电流之间的关系图，b显示为本申请的器件本征探测效率与电流之间的关系图，可以看出，本申请的超导纳米单光子探测器具有较高的本征探测效率。

综上所述，本发明提供一种调控超导纳米线的单光子探测器及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底；于所述衬底表面形成具有应力的超导纳米线；基于所述具有应力的超导纳米线制备超导纳米线单光子探测器。基于上述技术方案，本发明提供的调控超导纳米线的单光子探测器在保证器件材料层薄膜的厚度的同时，降低器件材料的临界温度Tc，并保证了器件材料的均一性及较小的转换温度窗口，提高器件的探测效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）提供一衬底；

2）于所述衬底表面形成具有应力的超导纳米线；

3）基于所述具有应力的超导纳米线制备超导纳米线单光子探测器；

其中，步骤2）包括如下步骤：

于所述衬底表面形成超导纳米线材料层；

于所述超导纳米线材料层表面进行离子注入，以在所述超导纳米线材料层内引入应力；

采用光刻-刻蚀工艺对上述步骤所得到的超导纳米线材料层进行处理，以得到具有应力的所述超导纳米线；或

步骤2）包括如下步骤：

于所述衬底表面形成超导纳米线材料层；

采用光刻-刻蚀工艺对所述超导纳米线材料层进行处理，以得到超导纳米线结构；

于所述超导纳米线结构表面进行离子注入，以在所述超导纳米线结构内引入应力，从而形成具有应力的所述超导纳米线。

2.根据权利要求1所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述离子注入工艺中的离子为惰性气体离子。

3.根据权利要求2所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述离子注入工艺中的注入剂量为1*10¹⁴~1*10¹⁶cm^-2，注入能量为10~100keV，注入温度为0~600℃。

4.根据权利要求1所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述离子注入工艺中的离子注入区域完全覆盖待引入应力层的表面和/或所述离子注入工艺中的离子穿透待引入应力层。

5.根据权利要求1所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述超导纳米线的材料包括NbN、Nb、TaN、TiN、NbTiN或WSi。

6.根据权利要求1所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤1）和步骤2）之间还包括：于所述衬底表面形成反射膜的步骤，其中，所述反射膜形成于所述衬底与所述超导纳米线之间。

7.一种调控超导纳米线的单光子探测器，采用如权利要求1~5任一项所述的调控超导纳米线的单光子探测器的制备方法制备，其特征在于，包括：

衬底；

8.根据权利要求7所述的调控超导纳米线的单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器还包括反射膜，所述反射膜位于所述衬底与所述超导纳米线之间。

9.根据权利要求8所述的调控超导纳米线的单光子探测器，其特征在于，所述反射膜包括交替叠置的SiO₂薄膜层与Si薄膜层、交替叠置的SiO₂薄膜层与TiO₂薄膜层或交替叠置的SiO₂薄膜层与Ta₂O₅薄膜层。

10.根据权利要求7所述的调控超导纳米线的单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线的材料包括NbN、Nb、TaN、TiN、NbTiN或WSi。

11.根据权利要求7所述的调控超导纳米线的单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线包括若干条平行间隔排布的直线部及将所述直线部依次首尾连接的连接部。