CN112781735A - 基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，采用深硅刻蚀工艺图形化衬底，以在衬底中形成凹槽，其中，凹槽具有自对准器件的形貌，凹槽的位置与超导纳米线对应设置，且凹槽的底部显露高反膜；采用剥离工艺剥离高反膜，以实现制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。
Description
技术领域
本发明属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法。
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的最大的优势就是其超高的探测效率、快速响应速度以及几乎可以忽略的暗计数，且光谱响应范围可覆盖可见光至红外波段。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，开启了超导纳米线单光子探测器的先河。此后，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1.5μm波长的探测效率从开始的不足1％已经提升到70％以上，甚至超过90％，远超过半导体单光子探测器的探测效率。除此之外，其在暗计数、低时间抖动、高计数率等方面的优异性能已经在众多应用领域得到了验证。因此，在近红外波段附近具有优良性能表现的SNSPD无疑为激光雷达、量子信息等应用提供了很好的工具。
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、激光雷达等领域的科技发展。国际上SNSPD领域研究著名机构包括，美国的MIT、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。
随着SNSPD技术发展，近年来其应用范围从1550nm波段延伸到可见及近红外其他波段，研究人员对高效率器件的需求越来越大，而高效率器件(探测效率>80％)却具有较低的成品率，原因：一方面由于器件加工本身的质量决定，另一方面由光耦合稳定性决定。因此采用自对准技术进行光耦合，以实现高稳定性的高光耦合效率成为研究的热点。
现有的单光子探测器有两种典型器件结构，即基于镜面结构(金属反射镜或介质高反膜结构反射镜)的正面光耦合器件及基于光学腔的背面光耦合器件。其中，对于高反膜SNSPD，其需要进行正面光耦合，即将光纤从器件的正面对准有效区，并进行固定封装测试，该器件结构简单，容易制备；使用全介质材料，可避免金属材料对光的吸收损耗，尤其是红外波段；在进行光耦合对光时，易观察。然而该结构却由于高反膜的存在，难以加工制备形成自对准器件。
因此，提供一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，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基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，用于解决现有技术中难以制备基于高反膜的自对准超导纳米线单光子探测器的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面对应设置的第二表面；
于所述衬底的第一表面上形成高反膜，所述高反膜覆盖所述衬底的第一表面；
于所述高反膜的表面上形成多个间隔排布的超导纳米线；
图形化所述衬底，以在所述衬底中形成与所述超导纳米线对应设置的凹槽，所述凹槽贯穿所述衬底以显露所述高反膜；
采用剥离工艺剥离所述高反膜，形成多个基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。
可选地，所述衬底包括硅衬底；形成所述凹槽的方法包括深硅刻蚀法。
可选地，所述高反膜的厚度范围包括5μm～6μm；剥离工艺剥离所述高反膜的方法包括超声法。
可选地，所述高反膜包括依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Ta2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Nb2O5光学薄膜层。
可选地，所述高反膜中各光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4，所述高反膜中依次上下交替叠置的两种不同光学薄膜层所构成的周期数包括10个～15个。
可选地，所述凹槽的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合。
可选地，所述超导纳米线包括曲折蜿蜒形状；所述超导纳米线的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合。
可选地，形成多个间隔排布的所述超导纳米线的方法包括电子束曝光法。
可选地，所述超导纳米线等间距排布；所述凹槽等间距分布。
可选地，所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线。
如上所述，本发明的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，采用深硅刻蚀工艺图形化衬底，以在衬底中形成凹槽，其中，凹槽具有自对准器件的形貌，凹槽的位置与超导纳米线对应设置，且凹槽的底部显露高反膜；采用剥离工艺剥离高反膜，以实现制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。
附图说明
图1显示为本发明中的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备工艺流程图。
图2～图10显示为本发明中的制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器各步骤所呈现的结构示意图，其中图10还显示为本发明中制备的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的结构示意图。
图11显示为本发明中的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的探测效率及暗计数随器件偏置电流的变化曲线图谱。
元件标号说明
100 衬底
110 凹槽
200 高反膜
211 Ta2O5光学薄膜层
212 SiO2光学薄膜层
300 超导纳米线材料层
310 超导纳米线
400、500 光刻胶
600 自对准探测器
D 相邻超导纳米线的间距
d 凹槽宽度
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11。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。
如图1本发明提供一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，采用深硅刻蚀工艺图形化衬底，以在衬底中形成凹槽，其中，凹槽具有自对准器件的形貌，凹槽的位置与超导纳米线对应设置，且凹槽的底部显露高反膜；采用剥离工艺剥离高反膜，以实现制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。
如图2～图10显示为本发明中的制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器各步骤所呈现的结构示意图，具体制备步骤如下：
首先，如图2，提供衬底100，所述衬底100包括第一表面及与所述第一表面对应设置的第二表面。
作为示例，所述衬底100可以包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，具体可根据制备工艺的选择进行确定；所述衬底100的厚度可以根据实际需要进行设定，如所述衬底100的厚度可以为但不仅限于300μm～500μm。优选地，本实施例中，所述衬底100选用常用的硅衬底，所述衬底100的厚度选为400μm。当然，其他种类的衬底或厚度也可能适用于本发明，因此，并不限定于此处所列举的示例。
其次，如图3，于所述衬底100的第一表面上形成高反膜200，所述高反膜200覆盖所述衬底100的第一表面。
具体的，所述高反膜200需对探测波长具有较高的反射率，所述高反膜200可以包括多层介质光学薄膜层，如由两种具有不同折射率、依次上下交替叠置的光学薄膜层构成。所述高反膜200的中心波长可以包括1440nm或1020nm，但并不限于此，所述高反膜200的中心波长可以根据实际需要进行设定，如可以通过调整所述高反膜200的厚度、构成所述高反膜200中的光学薄膜层的材料等，调整所述高反膜200的中心波长。
作为示例，所述高反膜200可包括依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Ta2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Nb2O5光学薄膜层。当然，所述高反膜200的具体结构还可以根据实际需要设定为与上述方案不同的结构，只要满足所述高反膜200对探测波长具有较高的反射率即可。
作为示例，所述高反膜200中各光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4，所述高反膜200中依次上下交替叠置的两种不同光学薄膜层所构成的周期数可包括10个～15个；所述高反膜200的厚度范围可包括5μm～6μm。
具体的，所述高反膜200的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述高反膜200中，两种不同光学薄膜层依次上下交替叠置10个～15个周期。
优选地，本实施例中，所述高反膜200包括依次上下交底叠置的SiO2光学薄膜层212与Ta2O5光学薄膜层211，此时，可以为Ta2O5光学薄膜层211位于所述衬底100的第一表面上，即所述Ta2O5光学薄膜层211为底层光学薄膜层，如图3所示；也可以为所述SiO2光学薄膜层212位于所述衬底100的第一表面上，即所述SiO2光学薄膜层212为底层光学薄膜层。所述SiO2光学薄膜层212与所述Ta2O5光学薄膜层211依次上下交替叠置13个周期，所述高反膜200的厚度包括5.5μm。当然，在其他示例中，所述高反膜200的具体结构还可以根据实际需要设定。
接着，如图4～图6，于所述高反膜200的表面上形成多个间隔排布的超导纳米线310。
作为示例，形成多个间隔排布的所述超导纳米线310的方法可包括电子束曝光法(EBL)，形成所述超导纳米线310的步骤可包括：
于所述高反膜200的表面上形成超导纳米线材料层300；
于所述超导纳米线材料层300上形成光刻胶400；
采用电子束曝光法，对所述光刻胶400进行曝光、显影，以图形化所述光刻胶400，图形化的所述光刻胶400定义出所述超导纳米线310的位置及形状；
以图形化的所述光刻胶400作为掩膜，刻蚀所述超导纳米线材料层300，并去除残留的所述光刻胶400，形成多个间隔排布的所述超导纳米线310。
作为示例，所述光刻胶400可包括PMMA电子束光刻胶。
作为示例，所述超导纳米线材料层300的材质可包括NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi，以对应形成NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线。
作为示例，所述超导纳米线310包括曲折蜿蜒形状；所述超导纳米线310的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合，具体可根据需要进行选择。
作为示例，所述超导纳米线310的宽度可以为50nm～100nm，所述超导纳米线310的厚度可以为5nm～10nm，所述超导纳米线310的尺寸及具体形貌可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述超导纳米线310采用NbN超导纳米线，厚度为7nm，形貌为呈周期性曲折蜿蜒形状，且每个折弯处均为直角或U形拐角，但所述超导纳米线310的尺寸及形貌并非局限于此。
接着，如图7～图9，图形化所述衬底100，以在所述衬底100中形成与所述超导纳米线310对应设置的凹槽110，所述凹槽110贯穿所述衬底100以显露所述高反膜200。
作为示例，图形化所述衬底100的方法包括背面套刻法，包括步骤：
于所述衬底100的第二面形成光刻胶500；
图形化所述光刻胶500，其中，图形化的所述光刻胶500定义出所述凹槽110的位置及形状，所述凹槽110与所述超导纳米线310对应设置，即所述超导纳米线310的中心在所述衬底100上的投影与由所述凹槽110所围成的所述衬底100的中心重合形成对准；
以图形化的所述光刻胶500作为掩膜，刻蚀所述衬底100，并去除残留的所述光刻胶500，形成所述凹槽110，所述凹槽110贯穿所述衬底100以显露所述高反膜200。
作为示例，所述光刻胶500包括紫外光刻胶，厚度包括5μm。
作为示例，多个所述超导纳米线310等间距排布；所述凹槽110等间距分布。如图9，本实施例中，包括3个所述超导纳米线310，且相邻的所述超导纳米线310之间具有相等的间距D，D的取值与形成的所述凹槽110的凹槽宽度d相关联，其中，D的取值大于所述凹槽110的凹槽宽度d，以便于后续在剥离所述高反膜200时，避免对所述超导纳米线310造成损伤，所述间距D及所述凹槽宽度d的具体取值可根据需要进行设定。
作为示例，形成所述凹槽110的方法包括深硅刻蚀法。本实施例中，由于所述衬底100采用硅衬底，因此所述深硅刻蚀法优选可形成垂直度好、污染少和刻蚀表面平整光滑的感应耦合等离子体刻蚀法(ICP)。
作为示例，所述凹槽110的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合。所述凹槽110的轮廓具有最终自对准器件的形貌，因此所述凹槽110的轮廓取决于后续进行自对准光耦合测试的设备决定，可根据需要进行选择。
最后，如图10，采用剥离工艺剥离所述高反膜200，形成多个基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器600。
作为示例，剥离工艺剥离所述高反膜200的方法包括超声法。其中，超声液包括丙酮及异丙醇，超声时间包括5min～15min。本实施例中，将形成所述凹槽110的样品置于丙酮中超声5min，而后置于异丙醇中超声5min，以将所述高反膜200剥离开。采用该方法可高效、便捷的制备所述基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器600。
如图11，显示为所述基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器600在中心波长为1440nm时，得到的1064nm及1310nm波段的探测效率及暗计数随器件偏置电流的变化曲线图谱。
综上所述，本发明的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，采用深硅刻蚀工艺图形化衬底，以在衬底中形成凹槽，其中，凹槽具有自对准器件的形貌，凹槽的位置与超导纳米线对应设置，且凹槽的底部显露高反膜；采用剥离工艺剥离高反膜，以实现制备基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。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 (10)
1.一种基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面对应设置的第二表面；
于所述衬底的第一表面上形成高反膜，所述高反膜覆盖所述衬底的第一表面；
于所述高反膜的表面上形成多个间隔排布的超导纳米线；
图形化所述衬底，以在所述衬底中形成与所述超导纳米线对应设置的凹槽，所述凹槽贯穿所述衬底以显露所述高反膜；
采用剥离工艺剥离所述高反膜，形成多个基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器。
2.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述衬底包括硅衬底；形成所述凹槽的方法包括深硅刻蚀法。
3.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述高反膜的厚度范围包括5μm～6μm；剥离工艺剥离所述高反膜的方法包括超声法。
4.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述高反膜包括依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Ta2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Nb2O5光学薄膜层。
5.根据权利要求4所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述高反膜中各光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4，所述高反膜中依次上下交替叠置的两种不同光学薄膜层所构成的周期数包括10个～15个。
6.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述凹槽的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合。
7.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述超导纳米线包括曲折蜿蜒形状；所述超导纳米线的轮廓呈圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：形成多个间隔排布的所述超导纳米线的方法包括电子束曝光法。
9.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述超导纳米线等间距排布；所述凹槽等间距分布。
10.根据权利要求1所述的基于高反膜自对准超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于：所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线。
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