CN112229510B - 单光子探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单光子探测器及制备方法，包括：衬底及形成于所述衬底上的超导线，所述超导线包括多个直线部及连接直线部的拐角部；其中，所述超导线的拐角部的厚度大于直线部的厚度。本发明的单光子探测器及制备方法将超导线拐角部的厚度加厚(大于直线部厚度)，从而提升拐角区域的临界电流。尽管超导线拐角部仍然存在“电流拥挤效应”，但因为拐角区域整体的临界电流提升至高于直线部的临界电流水平，拐角区域不再是限制整体超导线临界电流的瓶颈，从而达到抑制拐角区域“电流拥挤效应”所带来的不良影响的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光探测技术领域，特别是涉及一种单光子探测器及制备方法。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photondetector，SNSPD)作为一种新型单光子探测技术，在探测效率、暗计数率、时间抖动和最大计数率等方面的性能明显优于其他已知的光探测器。目前，SNSPD在量子光学、单光子测距成像和量子密钥分发等领域发挥着重要的作用。
SNSPD的系统探测效率(system detection efficiency，SDE)通常可以表达为SDE＝ηcoup×ηabs×ηide，其中ηcoup为光耦合效率，ηabs为光子吸收效率，ηide为本征探测效率。为了最大限度的接收入射光子，即提升SNSPD的ηcoup，通常将SNSPD的光敏面(直径为15～20μm)设计为由平行的超导纳米线和具有一定弧度的拐角相连，形成的一根蜿蜒曲折的线条，其中，光子探测主要由平行纳米线承担，拐角作用主要在于电连接。另外，为了提升SNSPD的光子吸收效率ηabs，纳米线一般需要较大的占空比。然而，当电流流过转弯或薄膜中的尖角时，电流往往会集中在拐角内侧的边界上，即形成所谓的“电流拥挤效应”，这会导致器件整体的临界电流降低，影响器件的本征探测效率ηide，进而限制SNSPD的系统探测效率SDE。
近年来，一种基于超导微米线的单光子探测器也开始逐渐受到关注，它的原理是当偏置电流足够接近超导Cooper对的拆对电流时，微米线也能进行单光子探测，然而，就要求微米线的具有足够好的均匀性。同时，仿真计算结果表明，微米线探测器需要一个较高占空比的结构设计，才能实现高的光子吸收效率ηabs，因此，解决“电流拥挤效应”在实现高效率微米线的实际应用显得中尤为重要。
目前，针对如何抑制拐角电流拥挤效应对于SNSPD性能的影响，比较通用的方法有两种。
一种方法是优化平行纳米线连接处拐角的弧度，将拐角进行圆角或椭圆化处理。其原理主要是通过计算超导纳米线及拐角处的电流密度分布，推导拐角的最优内边界数学方程，求解方程后，得出连接拐角最优的弧度设计，以此将拐角部分“电流拥挤效应”所带来的不良影响降至最低。但是由于一定理想状态下推导出的数学模型存在偏差，优化拐角弧度的理论效果存在极限。并且，在实际生产制备中，纳米线仍然需要进行弯曲，无法实现理想状态下最优的设计方案，这种方法只能缓解拐角处“电流拥挤效应”，而并不能从本质上消除它。
另一种方法则是设计低占空比结构的器件，通过减小器件中的拐角数目，达到降低拐角“电流拥挤效应”影响的目的。但是，采用低占空比设计，会影响器件的光子吸收效率ηabs，降低器件的光耦合效率ηcoup，影响器件性能，从而无法应用于高探测效率的器件研究。
因此，如何在不影响器件性能的基础上，从本质上解决拐角处的“电流拥挤效应”，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
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单光子探测器及制备方法，用于解决现有技术中无法从本质上解决拐角处的“电流拥挤效应”，且影响器件性能等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单光子探测器，所述单光子探测器至少包括：
衬底及形成于所述衬底上的超导线，所述超导线包括多个直线部及连接直线部的拐角部；
其中，所述超导线的拐角部的厚度大于直线部的厚度。
可选地，所述超导线的材料为NbN，Nb，NbSi，WSi，TaN，MoSi或NbTiN。
可选地，所述超导线为超导纳米线或超导微米线。
可选地，各直线部平行设置。
更可选地，所述超导线的直线部的线宽与相邻超导线直线部间隔距离的比值10％-90％
可选地，所述超导线的拐角部的厚度比直线部的厚度大至少1倍。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述单光子探测器的制备方法，所述单光子探测器的制备方法至少包括：
1)提供一衬底，于所述衬底的表面生长第一超导薄膜；
2)于所述第一超导薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光显影露出超导线的拐角区域，并去除所述拐角区域表面的氧化层；
3)于步骤2)形成的结构表面生长第二超导薄膜，剥离所述光刻胶以去除所述拐角区域以外的第二超导薄膜；
4)刻蚀所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜，以形成超导线；
5)于所述超导线上制备电极。
可选地，采用高真空磁控溅射装置生长所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜。
可选地，在高真空磁控溅射装置中采用离子束轰击表面的方式去除所述拐角区域表面的氧化层。
更可选地，在高真空磁控溅射装置中原位生长所述第二超导薄膜。
如上所述，本发明的单光子探测器及制备方法，具有以下有益效果：
本发明的单光子探测器及制备方法将超导线拐角部的厚度加厚(大于直线部厚度)，从而提升拐角区域的临界电流。尽管超导线拐角部仍然存在“电流拥挤效应”，但因为拐角区域整体的临界电流提升至高于直线部的临界电流水平，拐角区域不再是限制整体超导线临界电流的瓶颈，从而达到抑制拐角区域“电流拥挤效应”所带来的不良影响的目的。
附图说明
图1显示为本发明的单光子探测器的俯视结构示意图。
图2显示为本发明的单光子探测器的局部俯视示意图。
图3显示为本发明的单光子探测器AA’向的局部剖视示意图。
图4显示为拐角区域不增厚的单光子探测器的俯视示意图。
图5显示为本发明的单光子探测器的Comsol仿真示意图。
图6显示为图4的单光子探测器的Comsol仿真示意图。
图7显示为占空比为0.33的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果。
图8显示为占空比为0.45的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果。
图9显示为占空比为0.5的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果。
图10显示为本发明的单光子探测器的制备流程示意图。
元件标号说明
1 单光子探测器
11 衬底
12 超导线
121 直线部
122 拐角部
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，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。
当给单光子探测器施加的偏置电流Ib越接近超导线的临界电流Ic(器件能够保持其超导状态的最大电流)时，单光子探测器的本征探测效率ηide越高，而“电流拥挤效应”会导致器件整体的临界电流Ic降低，从而限制可以给单光子探测器施加的偏置电流Ib，降低单光子探测器的本征探测效率ηide。由于单光子探测器的时间抖动Tj(timing jitter)通常与施加的偏置电流Ib大小相关(负相关)，偏置电流Ib的提升会带来单光子探测器时间抖动Tj的降低，对于单光子探测器而言，时间抖动Tj越低越好。
本发明通过增加拐角区域的超导线厚度提高单光子探测器的临界电流Ic，从而降低对偏置电流Ib的限制，提高单光子探测器的本征探测效率ηide，降低单光子探测器时间抖动Tj。
实施例一
如图1～图3所示，本实施例提供一种单光子探测器1，所述单光子探测器包括：
衬底11以及超导线12。
如图3所示，所述衬底11位于所述单光子探测器1的底部。
具体地，所述衬底11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11为硅衬底。
如图1～图3所示，所述超导线12形成于所述衬底11上，所述超导线12包括多个直线部121及连接直线部121的拐角部122。
具体地，所述超导线的材料包括但不限于NbN，Nb，NbSi，WSi，TaN，MoSi或NbTiN，作为示例，所述超导线采用NbN制备。所述超导线12为超导纳米线或超导微米线，在本实施例中，所述超导线12采用超导纳米线，所述超导纳米线的线宽W设置为50～150nm，作为示例可选为80nm、100nm、120nm，在此不一一赘述。在实际使用中，所述超导线12可采用超导微米线，超导微米线与超导纳米线类似，其可施加更大的偏置电流Ib，获得更强的探测光子时所产生的信号，用于制备具有更低时间抖动Tj的探测器。
具体地，在本实施例中，所述超导线12的各直线部121平行设置，各拐角部122具有180°的圆角以连接相邻两个直线部121。将拐角部122的弧度设置为180°可有效提升器件的临界电流Ic。在实际使用中，各直线部121可根据需要设置具有一定的夹角(0°，180°)，不限于180°，所述拐角部122的弧度可根据相邻两直线部121之间的夹角进行设置，不以本实施例为限。
具体地，平行设置的相邻两直线部121之间设置间隔距离，可基于实际需要进行设置。在本实施例中，所述超导线12的直线部121的线宽与相邻超导线12的直线部121间隔距离的比值包括但不限于10％～90％，作为示例，可设置为30％、50％、55％、60％、65％、70％、80％，在此不一一赘述。
具体地，如图3所示，所述超导线12的拐角部122的厚度大于直线部121的厚度，进而避免所述拐角部122的临界电流Ic对整个单光子探测器1的临界电流Ic的限制。所述超导线12的拐角部122的厚度大于直线部121的厚度即可提升所述拐角部122的临界电流Ic，所述超导线12的拐角部122的厚度越厚，所述拐角部122的临界电流Ic越大；且随着所述超导线12的拐角部122厚度的增加，所述拐角部122的临界电流Ic的提升比例放缓。作为示例，当所述超导线12的拐角部122的厚度增大0.5倍，所述临界电流Ic提升1倍；当所述超导线12的拐角部122的厚度增大1倍，所述临界电流Ic提升1.5倍。在本实施例中，所述超导线12的拐角部122的厚度比直线部121的厚度大至少1倍，以此获取更加明显的临界电流Ic的提升。
如图1所示，在本实施例中，将超导线的线宽设置为90nm，直线部膜厚设置为7nm，虚线框所示超导线增厚区域的膜厚设置为14nm；如图4所示为超导线的直线部及拐角部厚度保持一致的单光子探测器，为了保证器件之间对比的可靠性，直观看出膜厚增加对临界电流Ic的影响，图4的单光子探测器的结构与图1的单光子探测器的线条结构相同，仅在拐角处薄膜厚度有所不同(图4中膜厚保持一致，均为7nm)，相互对比的单光子探测器两两交替的分布在同一片衬底上，排除了因生长的超导薄膜厚度不同以及制备工艺偏差所带来的影响，且制备完成的两种器件装入同一系统，并降至同一温度(2.2k)进行测量，从而排除了因测试系统、测试温度不同所带来的误差。同时，采用统计的方法，测试两种单光子探测器多组的临界电流Ic，确保了实验结果的可靠性。
通过测量不同厚度NbN薄膜的临界电流Ic，计算相应薄膜的临界电流密度Jc(critical current density)，并在Comsol模型中引入了临界电流密度Jc与薄膜厚度的修正函数，确保了Comsol仿真计算结果的可靠性。图5所示为图1单光子探测器(本发明)的Comsol仿真计算结果，可见，图1的单光子探测器的超导线拐角区域的电流拥挤效应基本消失，电流密度约为5*1010A/m2，小于直线区域的电流密度(9*1010A/m2)；图6所示为图4单光子探测器的Comsol仿真计算结果，可见，图4的单光子探测器的超导线拐角区域“电流拥挤效应”明显，电流密度约为11*1010A/m2，大于直线区域的电流密度(7*1010A/m2)；这表明，理论上通过本发明设计，可以有效的抑制由超导线拐角区域所带来的“电流拥挤效应”，并提升SNSPD整体的临界电流Ic。
进一步，选取了三种不同占空比的单光子探测器进行测试。图7显示占空比为0.33的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果，相比于图4的单光子探测器(纯色柱体)，本发明的单光子探测器(斜线柱体)的临界电流Ic大约提升5.7％；图8显示占空比为0.45的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果，相比于图4的单光子探测器，本发明的单光子探测器的临界电流Ic大约提升8％；图7显示占空比为0.5的两种单光子探测器的多组临界电流Ic的统计结果，相比于图4的单光子探测器，本发明的单光子探测器的临界电流Ic大约提升15％。
因此可以认为，本发明的单光子探测器的临界电流Ic有明显提升，并且，随着占空比的增加，提升效果也有显著的增加。这表明，通过本发明设计，可以有效的抑制由超导线拐角所带来的电流拥挤效应，提升器件的临界电流Ic。
实施例二
如图10所示，本实施例提供一种实施例一的单光子探测器的制备方法，所述单光子探测器的制备方法包括：
1)提供一衬底11，于所述衬底11的表面生长第一超导薄膜。
具体地，首先提供一衬底11，采用高真空磁控溅射装置在所述衬底11的正面生长用于制备SNSPD的第一超导薄膜(在本实施例中，选用NbN材料)。
2)于所述第一超导薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光显影露出超导线的拐角区域，并去除所述拐角区域表面的氧化层。
具体地，本实施例中，还包括在所述第一超导薄膜表面旋涂电子束曝光胶PMMA(即光刻胶)，通过电子束曝光(EBL)写出用于套刻对准的十字，显影定影后，沉积Ti-Au材料，剥离除十字以外的Ti-Au薄膜。
具体地，接着在所述第一超导薄膜表面旋涂电子束曝光胶PMMA，套刻Ti-Au十字，通过电子束曝光写出拐角区域的图案，显影定影后，放入高真空磁控溅射系统中，采用离子束轰击表面的方式，清洗所述第一超导薄膜的表面，确保去除拐角区域的所述第一超导薄膜表面的氧化层。在实际使用中，可采用其他方式去除所述第一超导薄膜表面的氧化层，不以本实施例为限。
需要说明的是，为确保二次沉积的超导薄膜能与第一次沉积的超导薄膜相融合，又不过分损伤第一次沉积的超导薄膜表面，离子清洗的时间需要控制，使得氧化层被完全去除，但仅是略微过度清洗，具体清洗时间可根据实际需要确定。
3)于步骤2)形成的结构表面生长第二超导薄膜，剥离所述光刻胶以去除所述拐角区域以外的第二超导薄膜。
具体地，在本实施例中，在同一设备(高真空磁控溅射系统)中，原位生长，二次沉积NbN材料以形成第二超导薄膜，通过剥离工艺去除拐角区域外的所述第二超导薄膜。
4)刻蚀所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜，以形成超导线。
具体地，在所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜表面旋涂电子束曝光胶ZEP，套刻Ti-Au十字，使用电子束曝光写出超导线结构，采用离子束刻蚀工艺制备超导线。
5)于所述超导线上制备电极。
具体地，在所述超导线表面旋涂紫外曝光胶AZ703，通过紫外光刻机套刻Ti-Au十字，显影定影，制备电极图案，并采离子束刻蚀工艺制备器件电极，制备完成后划片，即得到本发明的单光子探测器。
综上所述，本发明提供一种单光子探测器及制备方法，包括：衬底及形成于所述衬底上的超导线，所述超导线包括多个直线部及连接直线部的拐角部；其中，所述超导线的拐角部的厚度大于直线部的厚度。本发明的单光子探测器及制备方法将超导线拐角部的厚度加厚(大于直线部厚度)，从而提升拐角区域的临界电流。尽管超导线拐角部仍然存在“电流拥挤效应”，但因为拐角区域整体的临界电流提升至高于直线部的临界电流水平，拐角区域不再是限制整体超导线临界电流的瓶颈，从而达到抑制拐角区域“电流拥挤效应”所带来的不良影响的目的。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 (10)
1.一种单光子探测器，其特征在于，所述单光子探测器至少包括：
衬底及形成于所述衬底上的超导线，所述超导线包括多个直线部及连接直线部的拐角部；
其中，所述超导线的各直线部经由拐角部实现串联，拐角部的厚度大于直线部的厚度以使得拐角部的临界电流提升至高于直线部的临界电流水平。
2.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导线的材料为NbN，Nb，NbSi，WSi，TaN，MoSi或NbTiN。
3.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导线为超导纳米线或超导微米线。
4.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：各直线部平行设置。
5.根据权利要求4所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导线的直线部的线宽与相邻超导线直线部间隔距离的比值为10％～90％。
6.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导线的拐角部的厚度比直线部的厚度大至少1倍。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述单光子探测器的制备方法至少包括：
1)提供一衬底，于所述衬底的表面生长第一超导薄膜；
2)于所述第一超导薄膜上旋涂光刻胶，通过曝光显影露出超导线的拐角区域，并去除所述拐角区域表面的氧化层；
3)于步骤2)形成的结构表面生长第二超导薄膜，剥离所述光刻胶以去除所述拐角区域以外的第二超导薄膜；
4)于所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜表面旋涂光刻胶，通过曝光写出超导线结构，并刻蚀所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜，以形成超导线；
5)于所述超导线上制备电极。
8.根据权利要求7所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：采用高真空磁控溅射装置生长所述第一超导薄膜及所述第二超导薄膜。
9.根据权利要求7所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：在高真空磁控溅射装置中采用离子束轰击表面的方式去除所述拐角区域表面的氧化层。
10.根据权利要求9所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：在高真空磁控溅射装置中原位生长所述第二超导薄膜。
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| Analysis and Modeling of DC Current Crowding for TSV-Based 3-D Connections and Power Integrity;Xin Zhao等;《PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY》;20140131;第4卷(第1期);123-133 * |
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