CN108735851B - 可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法 - Google Patents

可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括：超导纳米线；石墨烯结构，所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部。本发明通过在超导纳米线单光子探测器件中集成石墨烯结构，由于石墨烯具有高热导率和超快的载流子弛豫过程，克服了以往超导材料能量弛豫能力不足的难题，加速超导纳米线单光子探测器件能量弛豫过程，从而降低了超导纳米线单光子探测器件的恢复时间。

Description

可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法
技术领域
本发明属于光探测技术领域，涉及一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法。
背景技术
超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector，SNSPD)是一种高效快速的新型单光子探测器件，可以实现从可见光到红外波段范围的单光子探测。它是将3-10nm厚度的超薄超导材料制备成纳米曲折线结构，利用超导纳米线条对单光子辐照的高灵敏度响应来实现单光子探测。目前常用的材料为低温超薄超导薄膜材料，比如NbN、NbTiN、WSi、NbSi等。器件通常在衬底上采用一些防反射膜以及光学腔体结构，现有的超导纳米线单光子探测的具体结构如图1所示，包括：衬底10，所述衬底10包括硅层101及位于硅层101上下表面的氧化硅层102；超导纳米线11，位于所述衬底10表面；光学腔体结构12，位于所述衬底10表面，且完全覆盖所述超导纳米线11；反射镜13，位于所述光学腔体结构12的表面。
SNSPD工作时被偏置在略小于但非常接近其临界电流的位置。纳米线条吸收光子后，造成超导平衡态的局域扰动，出现比超导材料库珀对更高温度的热激发准粒子区域，导致了局域“热点”的形成，热点在焦耳热的作用下不断扩大，形成一个横跨整个纳米线的有阻势垒。随后热电子的能量通过纳米线自身和衬底材料中电声子相互作用传递并弛豫，热点区域消失，纳米线重新回到超导状态，器件就可以接受下一个光子。从热点产生开始到横跨纳米线条的有阻区产生直至最后消失的时间称为准粒子能量弛豫时间。由于超导材料的能量弛豫时间很短，因此当SNSPD接收到单个光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。
对于超薄的超导材料，比如NbN或Nb薄膜，被光子激发准粒子的能量可以在很短的时间内(几十到上百ps)弛豫，使得SNSPD器件计数率原则上可以达到GHz以上。但器件实际工作时，电流的恢复过程(电弛豫时间τe)受限于线条的动态电感Lk以及负载电阻Rload，一般为ns量级。使用并联结构或者串联电阻等方式，可以缩小恢复时间，提高计数率，但提升空间受到电热负反馈效应的限制。另外，当电感效应被抑制后，纳米线能量弛豫过程将成为计数率的另外一个限制因素。目前报道的基于WSi材料的SNSPD计数率最高为25MHz，远低于基于NbN材料的SNSPD计数率625MHz，其原因就在于WSi材料能量弛豫速度慢。如果超导材料能量弛豫能力不足导致热点冷却过慢，器件将Latching到一个直流电阻状态，无法再探测光子。
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可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法，用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器件由于超导纳米线能量弛豫能力不足而使得恢复时间受到很大限制的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括：超导纳米线；石墨烯结构，所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件还包括：衬底；所述石墨烯结构及所述超导纳米线依次叠置于所述衬底的表面；光学腔体结构，位于所述衬底的表面，且完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线；反射镜，位于所述光学腔体结构的表面。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述光学腔体结构的厚度等于入射光在所述光学腔体结构内等效波长的1/4。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述衬底为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述衬底包括硅层及位于所述硅层上表面及下表面的氧化硅层。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述氧化硅层的厚度等于入射光在所述氧化硅层内等效波长的1/4。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述超导纳米线及所述石墨烯结构的形状相同，均为曲折蜿蜒状，且所述超导纳米线与所述石墨烯结构的尺寸相同，且上下对应设置。
本发明还提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法包括如下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底表面形成石墨烯层；
3)在所述石墨烯层表面形成超导薄膜；
4)刻蚀所述超导薄膜及所述石墨烯层以得到石墨烯结构及位于所述石墨烯结构上表面的纳米线；
5)在所述衬底设置有所述石墨烯结构及所述超导纳米线的表面形成光学腔体结构，所述光学腔体结构完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线；
6)在所述光学腔体表面形成反射镜。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法的一种优选方案，步骤1)中包括如下步骤：
1-1)提供一硅衬底；
1-2)将所述硅衬底进行热氧化处理，以在所述硅衬底上表面及下表面形成氧化硅层。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法的一种优选方案，步骤1-2)中，所述氧化硅层的厚度等于入射光在所述氧化硅层内等效波长的1/4。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法的一种优选方案，步骤4)中，形成的所述石墨烯结构的形状及形成的所述超导纳米线的形状均为曲折蜿蜒状。
作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法的一种优选方案，步骤5)中，形成的所述光学腔体结构的厚度等于入射光在所述光学腔体结构内等效波长的1/4。
如上所述，本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法，具有以下有益效果：本发明通过在超导纳米线单光子探测器件中集成石墨烯结构，由于石墨烯具有高热导率和超快的载流子弛豫过程，克服了以往超导材料能量弛豫能力不足的难题，加速超导纳米线单光子探测器件能量弛豫过程，从而降低了超导纳米线单光子探测器件的恢复时间。
附图说明
图1显示为现有技术中的超导纳米线单光子探测器件的立体结构示意图。
图2显示为本发明实施例一中提供的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的立体结构示意图。
图3显示为本发明实施例二中提供的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制备方法的流程图。
图4至图10显示为本发明实施例二中提供的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制备方法中各步骤的立体结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
101 硅层
102 氧化硅层
11 超导纳米线
12 光学腔体结构
13 反射镜
20 衬底
201 硅层
202 氧化硅层
21 石墨烯结构
211 石墨烯层
22 超导纳米线
221 超导薄膜
23 光学腔体结构
24 反射镜
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2至图10。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，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图2，本发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括：超导纳米线22；石墨烯结构21，所述石墨烯结构21结合于所述超导纳米线22的底部。本实施例中，所述石墨烯结构21是指单原子层或多层原子层厚度的二维石墨烯薄膜刻蚀而成的石墨烯纳米线，一方面，所述石墨烯结构21可以紧密吸附在所述衬底20的表面，具有热导率高、机械强度好等优点；另一方面，所述石墨烯结构21中的载流子具有超快的弛豫过程，在100fs和几个ps的时间范围内，本发明通过在超导纳米线单光子探测器件中集成所述石墨烯结构21，所述石墨烯结构21可以有效克服了以往超导材料能量弛豫能力不足的难题，可以加速所述超导纳米线22失超后的能量弛豫过程，从而降低了超导纳米线单光子探测器件的恢复时间。此处所述超导纳米线单光子探测器件的恢复时间是指所述超导纳米线单光子探测器件在一次响应过程中，所述超导纳米线单光子探测器件上电流、效率等性能恢复到初始状态的时间，所述超导纳米线单光子探测器件的恢复时间受限于所述超导纳米线22的能量弛豫时间。
作为示例，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件还包括：衬底20；所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22依次叠置于所述衬底20的表面，即所述石墨烯结构21位于所述衬底20的表面，所述超导纳米线22位于所述石墨烯结构21的表面；光学腔体结构23，所述光学腔体结构23位于所述衬底20的表面，且完全覆盖所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22；反射镜24，所述反射镜24位于所述光学腔体结构23的表面。
作为示例，所述衬底20可以为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石等衬底；优选地，在本实施例中，所述衬底20为表面经过热处理的硅衬底，具体的，所述衬底20包括硅层201及位于所述硅层201上表面及下表面的氧化硅层202；所述氧化硅层202为二氧化硅层；所述硅层201的厚度可以为但不仅限于0.4mm，所述氧化硅层202的厚度等于入射光在所述氧化硅层202内等效波长的1/4。
作为示例，所述超导纳米线22的材料可以为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi；优选地，本实施例中，所述超导纳米线22的材料为NbN，其宽度可以为但不仅限于100nm，厚度可以为但不仅限于7nm，周期为200nm。所述超导纳米线22可以呈曲折蜿蜒状。
作为示例，所述石墨烯结构21的形状与所述超导纳米线22的形状相同，本实施例中，所述石墨烯结构21可以呈曲折蜿蜒状，且所述石墨烯21与所述超导纳米线22上下对应设置。
作为示例，所述光学腔体结构23的材料可以为二氧化硅或一氧化硅；优选地，本实施例中，所述光学腔体结构23的材料为一氧化硅，所述光学腔体结构23的厚度等于入射光在所述光学腔体结构23内等效波长的1/4。
作为示例，所述反射镜24的材料可以为Ag、Au或Al等；优选地，本实施例中，所述反射镜24的材料为Ag，其厚度为130nm。当然，其它种类的反射材料及厚度也适用于本发明，并不限定于此。
实施例二
请参阅图3，本发明还提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，本实施例中的制作方法适于制备实施例一中所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法包括如下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底表面形成石墨烯层；
3)在所述石墨烯层表面形成超导薄膜；
4)刻蚀所述超导薄膜及所述石墨烯层以得到石墨烯结构及位于所述石墨烯结构上表面的纳米线；
5)在所述衬底设置有所述石墨烯结构及所述超导纳米线的表面形成光学腔体结构，所述光学腔体结构完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线；
6)在所述光学腔体表面形成反射镜。
在步骤1)中，请参阅图3中的S1步骤及图4至图5，提供衬底20。
作为示例，所述衬底20可以为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底等；优选地，在本实施例中，所述衬底20为表面经过热处理的硅衬底。具体的，步骤1)包括如下步骤：
1-1)提供一单晶硅衬底201，如图4所示；
1-2)将所述硅衬底201进行热氧化处理，以在所述硅衬底201上表面及下表面形成氧化硅层202，如图5所示。具体的，所述氧化硅层202为二氧化硅层；所述硅层201的厚度可以为但不仅限于0.4mm，所述氧化硅层202的厚度等于入射光在所述氧化硅层202内等效波长的1/4。
在步骤2)中，请参阅图3中的S2步骤及图6，在所述衬底20表面形成石墨烯层211。
作为示例，采用化学气相沉积法生长转移在所述衬底20表面得到大面积高质量石墨烯层211，如图6所示；所述石墨烯层211的厚度可以为单原子层厚度或多层原子层厚度；
在步骤3)中，请参阅图3中的S3步骤及图7，在所述石墨烯层211表面形成超导薄膜221。
作为示例，可以采用磁控溅射方法在所述石墨烯层211表面形成所述超导薄膜221。
在步骤4)中，请参阅图3中的S4步骤及图8，刻蚀所述超导薄膜221及所述石墨烯层211以得到石墨烯结构21及位于所述石墨烯结构21上表面的超导纳米线22。
作为示例，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺刻蚀所述超导薄膜221及所述石墨烯层211以得到所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22。
优选地，本实施例中，所述超导纳米线22的材料可以为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi；优选地，本实施例中，所述超导纳米线22的材料为NbN，其宽度可以为但不仅限于100nm，厚度可以为但不仅限于7nm，周期为200nm；所述超导纳米线22的形状与所述石墨烯结构21的形状相同，均为蜿蜒曲折状。
在步骤5)中，请参阅图3中的S5步骤及图9，在所述衬底20设置有所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22的表面形成光学腔体结构23，所述光学腔体结构23完全覆盖所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22。
作为示例，可以采用但不仅限于电子束蒸发工艺在所述衬底20设置有所述石墨烯结构21及所述超导纳米线22的表面形成光学腔体结构23，所述光学腔体结构23的材料可以为二氧化硅或一氧化硅；优选地，本实施例中，所述光学腔体结构23的材料为一氧化硅，所述光学腔体结构23的厚度等于入射光在所述光学腔体结构23内等效波长的1/4。
在步骤6)中，请参阅图3中的S6步骤及图10，在所述光学腔体23表面形成反射镜24。
作为示例，可以采用但不仅限于电子束蒸发工艺在所述光学腔体23表面形成所述反射镜24。所述反射镜24的材料可以为Ag、Au或Al等；优选地，本实施例中，所述反射镜24的材料为Ag，其厚度为130nm。当然，其它种类的反射材料及厚度也适用于本发明，并不限定于此。
综上所述，本发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括：超导纳米线；石墨烯结构，所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部。本发明通过在超导纳米线单光子探测器件中集成石墨烯结构，由于石墨烯具有高热导率和超快的载流子弛豫过程，克服了以往超导材料能量弛豫能力不足的难题，加速超导纳米线单光子探测器件能量弛豫过程，从而降低了超导纳米线单光子探测器件的恢复时间。
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 (11)

1.一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括：
超导纳米线；
石墨烯结构，所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部；
衬底；所述石墨烯结构及所述超导纳米线依次叠置于所述衬底的表面；
光学腔体结构，位于所述衬底的表面，且完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线；
反射镜，位于所述光学腔体结构的表面。
2.根据权利要求1所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述光学腔体结构的厚度等于入射光在所述光学腔体结构内等效波长的1/4。
3.根据权利要求1所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述衬底为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底。
4.根据权利要求1所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述衬底包括硅层及位于所述硅层上表面及下表面的氧化硅层。
5.根据权利要求4所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述氧化硅层的厚度等于入射光在所述氧化硅层内等效波长的1/4。
6.根据权利要求1所述的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述超导纳米线及所述石墨烯结构的形状相同，均为曲折蜿蜒状，且所述超导纳米线与所述石墨烯结构的尺寸相同，且上下对应设置。
7.一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，其特征在于，所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法包括如下步骤：
1)提供衬底；
2)在所述衬底表面形成石墨烯层；
3)在所述石墨烯层表面形成超导薄膜；
4)刻蚀所述超导薄膜及所述石墨烯层以得到石墨烯结构及位于所述石墨烯结构上表面的超导纳米线；
5)在所述衬底设置有所述石墨烯结构及所述超导纳米线的表面形成光学腔体结构，所述光学腔体结构完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线；
6)在所述光学腔体表面形成反射镜。
8.根据权利要求7所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，其特征在于：步骤1)中包括如下步骤：
1-1)提供一硅衬底；
1-2)将所述硅衬底进行热氧化处理，以在所述硅衬底上表面及下表面形成氧化硅层。
9.根据权利要求8所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，其特征在于：步骤1-2)中，所述氧化硅层的厚度等于入射光在所述氧化硅层内等效波长的1/4。
10.根据权利要求7所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，其特征在于：步骤4)中，形成的所述石墨烯结构的形状及形成的所述超导纳米线的形状均为曲折蜿蜒状。
11.根据权利要求7所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的制作方法，其特征在于：步骤5)中，形成的所述光学腔体结构的厚度等于入射光在所述光学腔体结构内等效波长的1/4。
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