CN111947778B - 超导纳米线及超导纳米线单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超导纳米线及超导纳米线单光子探测器，包括：依次形成于衬底上的光学结构及超导纳米线，超导纳米线包括依次交替叠置的n层电隔离层及n+1层超导纳米材料层；各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增、宽度从下至上依次递减，各超导纳米材料层的材料相同，具有两层以上电隔离层时各电隔离层的材料相同，n为大于等于1的自然数。本发明采用叠层结构的纳米线提升吸收效率；同时将上层的纳米线设置为具有较大的厚度，以补偿加工上的缺陷，进一步提升上层纳米线的吸收效率，实现高效探测；叠层结构中每层超导纳米材料层厚度均比较薄，可以保证每条超导纳米线都能较好响应光子；还通过设置反射镜结构或薄膜覆盖层得到不同的光谱响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及光探测技术领域，特别是涉及一种超导纳米线及超导纳米线单光子探测器。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single photondetector，SNSPD)是近十几年发展起来的新型单光子探测技术，其相对于半导体探测器具有超高的探测效率、极低的暗计数、低时间抖动以及高计数率等优势。自2001年，莫斯科师范大学Gol’tsman小组首先利用5nm厚的NbN超薄薄膜制备了一条200nm宽的超导纳米线，成功实现了可见光到近红外波段的单光子探测起，欧、美、俄、日等多个国家和研究小组纷纷开展了对SNSPD的研究。经过十余年的发展，SNSPD在暗计数、低时间抖动、高计数率等方面均展现出了优异的性能。目前SNSPD已成为超导电子学和单光子探测领域的研究热点，并有力的推动了量子信息、激光雷达等领域科技发展。国际上SNSPD领域研究著名机构包括，美国的MIT[3]、JPL、NIST、日本的NICT、俄罗斯的MSPU等。目前光纤通信波段1550nm，探测效率最高的器件为美国NIST采用极低温超导材料WSi(工作温度<1K)研发，探测效率高达93％，而采用低温超导材料NbN(工作温度>2K)研发的SNSPD最高探测效率也达到了80％以上。除科研机构外，国际上目前已有6家主要从事SNSPD相关技术产品的公司。
现有的超导纳米线单光子探测器中纳米线多为单层结构，存在光子响应能力不足、吸收效率低等问题，因此，如何提高超导纳米线单光子探测器的纳米线吸收效率、同时保证超导纳米线光子响应能力已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。此外，在实际纳米线加工中经常会面临纳米线条的截面上窄下宽的情况，影响纳米线的光吸收。针对该非理想加工的问题，本发明提出了设计上厚下薄的多层纳米线结构，以补偿实际加工中的问题。
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超导纳米线及超导纳米线单光子探测器，用于进一步提高超导纳米线单光子探测器的纳米线吸收效率及光子响应能力。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导纳米线，所述超导纳米线至少包括：
n层电隔离层及n+1层超导纳米材料层，所述超导纳米材料层与所述电隔离层依次交替叠置；
其中，各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增、宽度从下至上依次递减，各超导纳米材料层的材料相同，具有两层以上电隔离层时各电隔离层的材料相同，n为大于等于1的自然数。
可选地，各超导纳米材料层的材料为低温超导材料。
可选地，各超导纳米材料层的厚度设定为1nm-10nm。
更可选地，各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增0.5nm-1.0nm。
可选地，各超导纳米材料层的宽度设定为30nm-120nm。
更可选地，各超导纳米材料层的宽度从下至上依次递减5nm-10nm。
可选地，电隔离层的厚度设定为1nm-5nm。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器至少包括：
形成于衬底上的光学结构；
以及上述超导纳米线，所述超导纳米线形成于所述光学结构上。
可选地，所述光学结构包括全介质反射镜或金属反射镜。
更可选地，所述全介质反射镜包括SiO2与SiO的交替叠层结构、SiO2与TiO2的交替叠层结构或者SiO2与Ta2O5的交替叠层结构。
更可选地，所述超导纳米线单光子探测器还包括形成于所述超导纳米线上的薄膜覆盖层。
如上所述，本发明的超导纳米线及超导纳米线单光子探测器，具有以下有益效果：
1、本发明的超导纳米线及超导纳米线单光子探测器采用叠层结构的纳米线提升吸收效率；同时基于实际非理想情况的纳米线刻蚀加工中上层线比下层线窄的特点，将上层的纳米线设置为具有较大的厚度，以补偿加工上的缺陷，进一步提升上层纳米线的吸收效率，实现高效探测。
2、本发明的超导纳米线及超导纳米线单光子探测器中叠层结构的每层超导纳米材料层厚度均比较薄，可以保证每条超导纳米线都能较好响应光子。
3、本发明的超导纳米线及超导纳米线单光子探测器通过设置薄膜覆盖层得到不同光谱响应特性的单光子探测器。
附图说明
图1显示为本发明的超导纳米线的一种结构示意图。
图2显示为本发明的超导纳米线的另一种结构示意图。
图3显示为本发明的超导纳米线单光子探测器的一种结构示意图。
图4显示为本发明的超导纳米线单光子探测器的另一种结构示意图。
元件标号说明
1 超导纳米线
11 超导纳米材料层
12 电隔离层
2 衬底
3 光学结构
31 第一光学反射材料层
32 第二光学反射材料层
4 薄膜覆盖层
5 绝缘材料层
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～图4。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，遂图式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型态、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
如图1所示，本实施例提供一种超导纳米线1，所述超导纳米线1包括：
n层电隔离层12及n+1层超导纳米材料层11，所述超导纳米材料层11与所述电隔离层12依次交替叠置；其中，各超导纳米材料层11的厚度从下至上依次递增、宽度从下至上依次递减，各超导纳米材料层11的材料相同，具有两层以上电隔离层12时各电隔离层12的材料相同，n为大于等于1的自然数。
如图1所示，作为示例，所述超导纳米线1包括两层超导纳米材料层11及一层电隔离层12，从下至上依次以一层超导纳米材料层11、一层电隔离层12、一层超导纳米材料层11、的方式叠置，形成叠层结构。
如图2所示，作为另一种示例，所述超导纳米线1包括三层超导纳米材料层11及两层电隔离层12，从下至上依次以一层超导纳米材料层11、一层电隔离层12、一层超导纳米材料层11、一层电隔离层12、一层超导纳米材料层11的方式叠置，形成叠层结构。
需要说明的是，本实施例仅以两层超导纳米材料层11与一层电隔离层12的结构及三层超导纳米材料层11与两层电隔离层12的结构作为示例，在实际使用中，所述超导纳米材料层11的数量至少为两层，相应地，所述电隔离层12的数量至少为一层，可基于实际需要进行设置，不以本实施例列举的示例为限。
如图1及图2所示，在本实施例中，各超导纳米材料层11的材料为低温超导材料，包括但不限于NbN，Nb，NbSi，WSi，TaN，MoSi或NbTiN，在此不一一列举。
如图1及图2所示，在本实施例中，各超导纳米材料层11的厚度设定为1nm-10nm。进一步，各超导纳米材料层11的厚度从下至上依次递增0.5nm-1.0nm，作为示例，递增量设定为0.6nm、0.75nm、0.8nm或0.9nm；各超导纳米材料层11厚度的递增量可以相同，也可根据实际需要调整为不同的值。
如图1及图2所示，在本实施例中，各超导纳米材料层11的宽度设定为30nm-120nm。进一步，各超导纳米材料层11的宽度从下至上依次递减5nm-10nm，作为示例，递减量设定为6nm、7nm、8.5nm或9nm；各超导纳米材料层11宽度的递减量可以相同，也可根据实际需要调整为不同的值。
如图1及图2所示，在本实施例中，各电隔离层12的材料为绝缘材料，包括但不限于SiO，Si，SiO2或AlN，在此不一一列举。
如图1及图2所示，在本实施例中，各电隔离层12的厚度设定为1nm-5nm，作为示例，设定为2nm、3nm、3.5nm或4nm。
本发明的超导纳米线1采用叠层结构，相较于单层结构可提升纳米线吸收效率；同时，由于叠层结构中各超导纳米材料层11的厚度比较薄，可以保证每条纳米线都能较好响应光子；此外，由于实际纳米线刻蚀工艺中存在非理想情况，即上层刻蚀量比下层刻蚀量大，因此，刻蚀完成后的纳米线的上层线宽小于小层线宽，本发明的超导纳米线1的叠层结构中，上层超导纳米材料层11的厚度大于下层超导纳米材料层11的厚度，由此可补偿加工工艺上的缺陷，进一步提升上层纳米线的吸收效率。
实施例二
如图3及图4所示，本实施例提供一种超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器包括：
形成于衬底2上的光学结构3，以及超导纳米线1；所述超导纳米线1形成于所述光学结构3上。
如图3及图4所示，在本实施例中，所述衬底2位于所述超导纳米线单光子探测器的底部，所述衬底2包括但不限于硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，作为示例，所述衬底2为硅衬底。
如图3及图4所示，所述光学结构3形成于所述衬底2上，所述光学结构3包括但不限于金属反射镜及全介质反射镜。作为示例，所述金属反射镜包括金属层(Al)及设置于金属层上的绝缘层(SiO2)。如图3及图4所示，在本实施例中，所述光学结构3采用全介质反射镜，全介质反射镜包括依次交替叠置的第一光学反射材料层31及第二光学反射材料层32，所述第一光学反射材料层31及所述第二光学反射材料层32的折射率不同，且厚度也不同，可基于实际需要进行材料的选择和厚度的设置；所述第一光学反射材料层31包括但不限于Si、SiO、TiO2或Ta2O5，所述第二光学反射材料层32包括但不限于SiO2，作为示例，所述全介质反射镜包括SiO2与SiO的交替叠层结构、SiO2与TiO2的交替叠层结构或者SiO2与Ta2O5的交替叠层结构。受益于成熟的光学薄膜技术，所述全介质反射镜容易实施；同时使用全介质材料，避免金属材料对光(尤其是红外波段)的吸收损耗；避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响。
如图3及图4所示，所述超导纳米线1形成于所述光学结构3上，所述超导纳米线1的具体结构如实施例一所述，在此不一一赘述。所述超导纳米线1在所述光学结构3上以包括但不限于直线、折线、弧线，波浪线或S型线的方式分布，在此不一一列举。
作为本发明的另一种实现方式，所述超导纳米线单光子探测器还包括形成于所述超导纳米线1上的薄膜覆盖层4。如图4所示，所述超导纳米线1被绝缘材料层5包裹，所述绝缘材料层5的顶层不低于所述超导纳米线1的顶层，所述薄膜覆盖层4覆盖于所述超导纳米线1(和/或所述绝缘材料层5)上；所述薄膜覆盖层4为叠层结构，包括至少两种材料层的交替叠置结构，用于获得不同光谱响应特性，比如：可以通过调整薄膜覆盖层4的厚度调整纳米线的吸收峰位置；通过将薄膜覆盖层4设计成滤波器得到抑制背景光致暗计数的效果；通过使用高折射率材料(如硅)得到低偏振敏感度的探测器；所述薄膜覆盖层4的各材料层可基于欲获得的光谱响应特性选择响应的材料、厚度及形状，在此不一一赘述。
本发明的超导纳米线单光子探测器的探测效率高，光子响应能力强，且能满足的光谱响应特性；还通过设置反射镜结构或薄膜覆盖层得到不同的光谱响应特性。
综上所述，本发明提供一种超导纳米线及超导纳米线单光子探测器，包括：依次形成于衬底上的光学结构及超导纳米线，所述超导纳米线包括n层电隔离层及n+1层超导纳米材料层，所述超导纳米材料层与所述电隔离层依次交替叠置；其中，各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增、宽度从下至上依次递减，各超导纳米材料层的材料相同，具有两层以上电隔离层时各电隔离层的材料相同，n为大于等于1的自然数。本发明的超导纳米线及超导纳米线单光子探测器采用叠层结构的纳米线提升吸收效率；同时基于实际非理想情况的纳米线刻蚀加工中上层线比下层线窄的特点，将上层的纳米线设置为具有较大的厚度，以补偿加工上的缺陷，进一步提升上层纳米线的吸收效率，实现高效探测；叠层结构的每层超导纳米材料层厚度均比较薄，可以保证每条超导纳米线都能较好响应光子；还通过设置反射镜结构或薄膜覆盖层得到不同光谱响应特性的单光子探测器。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 (11)
1.一种超导纳米线，其特征在于，所述超导纳米线至少包括：
n层电隔离层及n+1层超导纳米材料层，所述超导纳米材料层与所述电隔离层依次交替叠置；
其中，各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增、宽度从下至上依次递减，各超导纳米材料层的材料相同，具有两层以上电隔离层时各电隔离层的材料相同，n为大于等于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的超导纳米线，其特征在于：各超导纳米材料层的材料为低温超导材料。
3.根据权利要求1所述的超导纳米线，其特征在于：各超导纳米材料层的厚度设定为1nm-10nm。
4.根据权利要求3所述的超导纳米线，其特征在于：各超导纳米材料层的厚度从下至上依次递增0.5nm-1.0nm。
5.根据权利要求1所述的超导纳米线，其特征在于：各超导纳米材料层的宽度设定为30nm-120nm。
6.根据权利要求5所述的超导纳米线，其特征在于：各超导纳米材料层的宽度从下至上依次递减5nm-10nm。
7.根据权利要求1所述的超导纳米线，其特征在于：电隔离层的厚度设定为1nm-5nm。
8.一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器至少包括：
形成于衬底上的光学结构；
以及如权利要求1～7任意一项所述的超导纳米线，所述超导纳米线形成于所述光学结构上。
9.根据权利要求8所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述光学结构包括全介质反射镜或金属反射镜。
10.根据权利要求9所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述全介质反射镜包括SiO2与SiO的交替叠层结构、SiO2与TiO2的交替叠层结构或者SiO2与Ta2O5的交替叠层结构。
11.根据权利要求8～10任意一项所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述超导纳米线单光子探测器还包括形成于所述超导纳米线上的薄膜覆盖层。
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