JP2023514542A

JP2023514542A - 統合された窒化アルミニウムシード又は導波層を備えたｓｎｓｐｄ

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Publication number: JP2023514542A
Application number: JP2022547194A
Authority: JP
Inventors: ツーハオヤン，; ミンウェイチュー，; ナグビー．パティバンドラ，; ニルヤハブ，; ロバートヤンフィッサー，; ラゼルダ，アディデ
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2023-04-06
Also published as: US20230309420A1; WO2021188211A3; TWI780579B; US20210242390A1; US11653576B2; EP4100706A4; TW202144749A; WO2021188211A4; EP4100706A2; WO2021188211A2

Abstract

超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスは、頂面を有する基板と、基板の頂面に実質的に平行に伝播する光を受容するための、基板の頂面上の光導波路と、光導波路上の金属窒化物のシード層と、シード層の上に超電導線材とを含む。超電導線材は、シード層の金属窒化物とは異なる金属窒化物であり、光導波路に光学的に結合される。【選択図】図８Ｂ

Description

本開示は、超電導材料を提供する金属窒化物の下にシード層を含む超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）に関する。

超電導の文脈では、臨界温度（ＴＣ）は、材料が超電導になる温度を指す。窒化ニオブ（ＮｂＮ）は、量子情報処理、ＣＭＯＳの欠陥分析、ＬＩＤＡＲなどで使用する超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）などの超電導用途に使用できる材料である。窒化ニオブの臨界温度は、材料の結晶構造と原子比に依存する。例えば、図１を参照すると、立方晶のδ相ＮｂＮには、例えば、９．７～１６．５°Ｋなどの比較的「高い」臨界温度があるため、いくつかの利点がある。

窒化ニオブは、物理的気相堆積（ＰＶＤ）によってワークピース上に堆積できる。例えば、スパッタリング操作は、窒素ガスの存在下でニオブターゲットを使用して実行できる。スパッタリングは、ターゲットとワークピースを含むリアクタチャンバ内にプラズマを誘導することによって実行できる。

一態様では、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスは、頂面を有する基板と、基板の頂面に実質的に平行に伝播する光を受容するための、基板の頂面上の光導波路と、光導波路上の金属窒化物のシード層と、シード層の上に超電導線材とを含む。超電導線材は、シード層の金属窒化物とは異なる金属窒化物であり、光導波路に光学的に結合される。

別の態様では、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスは、頂面を有する基板と、基板の頂面に実質的に平行に伝播する光を受容する基板の頂面上の金属窒化物光導波路と、シード層の上に超電導線材とを含む。超電導線材は、窒化ニオブ、窒化チタン、及び窒化ニオブチタンからなる群から選択される金属窒化物である。光導波路の金属窒化物は、超電導線材の金属窒化物とは異なる。

実装は、以下の利点の１つ又は複数を提供する場合があるが、これらに限定されない。例えば、ＳＮＳＰＤなどの超電導材料による光子の吸収に基づくデバイスは、高い光子吸収効率を備える一方で、例えば、窒化ニオブなどの超電導層の高い材料品質を達成し、したがってより高い臨界温度を達成することができる。これにより、より高い臨界温度を有する超電導線材を使用したデバイス、例えば、ＳＮＳＰＤの製造が可能になる。動作温度（２～３°Ｋ）と臨界温度の差が大きいほど、優れた検出効率、低いダークカウント、及び場合によってはより速い時間応答が得られる。

「超電導」とは、デバイスの動作温度、例えば、２～３°Ｋで材料が超電導になることを示していることに注意すべきである。材料は、室温以上でのデバイスの製造中、又はデバイスが動作のために冷却されていないとき、実際には超電導ではない。

１つ又は複数の実装の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。他の潜在的な態様、特徴、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

処理温度及び窒素原子百分率の関数として窒化ニオブの相を示す図である。分布ブラッグ反射鏡を含むＳＮＳＰＤの概略上面図である。図２Ａのデバイスの概略側断面図である。ＳＮＳＰＤの操作の概略図である。分布ブラッグ反射鏡及び窒化アルミニウムシード層を含むＳＮＳＰＤの概略側断面図である。２つのＳＮＳＰＤ設計についての波長の関数としての反射率のグラフである。窒化アルミニウムシード層がある場合とない場合のＮｂＮ層の厚さの関数としての臨界温度のグラフである。ＳＮＳＰＤを製造する方法のフローチャートである。導波路を含むＳＮＳＰＤの概略上面図である。図８Ａのデバイスの概略側断面図である。導波路及び窒化アルミニウムシード層を含むＳＮＳＰＤの概略側断面図である。窒化アルミニウムで形成された導波路を含むＳＮＳＰＤの概略側断面図である。

様々な図面における同様の参照番号及び指定は、同様の要素を示す。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、従来の超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイス１０の上面図及び側面図を示す。ＳＮＳＰＤデバイス１０は、支持構造２０上に配置された少なくとも１つの超電導線材１２を含むことができる。超電導線材１２は、導電性電極１４間に接続することができる。超電導線材１２は、支持構造２０上に蛇行パターン、例えば前後の平行線で配置することができる。いくつかの実装形態では、複数のワイヤ１２が電極１４間で並列に接続され、各ワイヤ１２が別個の領域１６をカバーするが、デバイス１０の検出領域全体をカバーする単一のワイヤ１２だけが存在する可能性がある。さらに、例えば、ジグザグや二重らせんなど、他の多くのパターンが可能である。超電導線材は、ナノワイヤと考えることができ、例えば、約３０ｎｍの幅と約１０ｎｍの厚さを有することができる。

支持構造２０は、基板２２、例えば、シリコン基板、及び基板２２上に配置されたミラー構造２４を含むことができる。一例として、ミラー構造２４は、高屈折率材料及び低屈折率材料で形成された層の複数の対を含む分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）とすることができる。

従来のＳＮＳＰＤは、デバイス１０の上部から接近する光子（光ビーム３０によって示される）で、例えば、基板２０に対して垂直に入射して動作する。単純なデバイスは、ＮｂＮナノワイヤをシリコン基板上に直接配置したものである（ミラー構造なし）。ＮｂＮナノワイヤは通常、ＳＮＳＰＤデバイスでは非常に薄いため、ほとんどの光はＮｂＮナノワイヤによって吸収されない。光吸収効率を高めるために、ミラー構造２４、例えば、分布ブラッグ反射鏡が、基板２０とワイヤ１２との間のデバイス１０に組み込まれる。この場合、最初に吸収されなかった入射光子は反射時に吸収される可能性があるため、光子はＮｂＮナノワイヤによって捕捉される可能性が高くなる。

図３を参照すると、ＳＮＳＰＤデバイスの動作原理は、検出される光子が上から来てＳＮＰＳＤを照らすことである。光子の吸収により、ＮｂＮナノワイヤ上にホットスポットが作成され、ＮｂＮの温度が臨界温度を超えて上昇し、ワイヤの一部が超電導状態ではなくなる。ホットスポット周辺の領域では、電流集中が発生する可能性があり、その結果、臨界電流密度よりも高い電流密度が発生し、ワイヤ全体の超電導状態が破壊される可能性がある。超伝導状態から通常の抵抗状態へのＮｂＮワイヤの変化は、デバイスに電流を流し、電極間の電圧差を監視することによって電気的に検出できる。

ＮｂＮベースのＳＮＳＰＤは、主に可視波長及び赤外波長での時間相関単一光子計数（ＴＣＰＳＣ）関連の用途に使用される。例えば、ＳＮＳＰＤは、その高効率、低ダークカウント、低タイミングジッタ、及び高速回復時間により、量子計測（量子キー生成、量子エミッタ）及び光量子コンピューティング（検出モジュール）で使用される。これらは、従来の宇宙から地上への通信及び飛行時間ＬＩＤＡＲシステムの検出器としても使用できる。

可視波長範囲では、通常、Ｓｉアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が使用される。システムの検出効率は理想的ではなく、例えば、約７０％であり、これらのデバイスをチップスケールデバイスと統合することは困難である。

赤外線波長範囲では、ＩｎＧａＡｓＡＰＤは多くの用途のための候補である。しかしながら、これらのデバイスは通常、ダークカウント率が高く、システム検出効率がさらに低く（＜３０％）、検出速度が制限されている。ＡＰＤと比較して、ＳＮＳＰＤは、低タイミングジッタ（＜２０ｐｓ）、高速回復時間、高検出効率（＞８５％）、及び低ダークカウント率（およそ数Ｈｚ）などの優れた性能を備えている。

上述のように、窒化ニオブ、特にδ相ＮｂＮは、超電導材料としていくつかの利点を有する。しかしながら、δ相ＮｂＮを満足のいく品質で堆積することは困難な場合がある。（超）導電層の下のシード層、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層は、ＮｂＮ層の臨界温度を改善するのに役立つことができる。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シード層は、ＴｉＮ及びＮｂＴｉＮ層の臨界温度を改善することもでき、他の金属窒化物層にも役立つ可能性がある。特に、窒化アルミニウム層はＳＮＳＰＤデバイスに組み込むことができ、特にＳＮＳＰＤデバイスのミラー構造または導波路に組み込むことができる。これにより、より高い結晶品質の金属窒化物検出器（したがって、より高い臨界温度、したがってより優れたデバイス性能）を実現しながら、高い光吸収効率も実現できる。

図４は、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイス１００の側断面図を示す。ＳＮＳＰＤデバイス１００は、以下に説明することを除いて、図２Ａ及び図２Ｂに関して上述したデバイスと同様であり得る。

ＳＮＳＰＤは基板２２を含み、基板２２は、誘電体材料、例えば、サファイア、ＳｉＯ_２、石英ガラス若しくは石英、又は半導体材料、例えば、ケイ素、窒化ガリウム（ＧａＮ）又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）であることができる。

分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）２４は、基板２２の上に製造される。ＤＢＲ２４は、複数の二重層２６、例えば、２～８個の二重層、例えば、７個の二重層を含む。各二重層２６は、第１の屈折率（「低屈折率」）を有する第１の材料の下層２６ａ、及び第１の屈折率より大きい第２の屈折率（「高屈折率」）を有する第２の材料の上層２６を含む。二重層２６の厚さ及び材料（したがって屈折率）は、選択された波長又は波長帯域における反射を増加させるように選択される。例えば、１５５０ｎｍは光通信システムで広く使用されている波長であるため、ＤＢＲは、約１５００～１６００ｎｍの光の反射に対して最適化することができる。

第１の材料及び第２の材料は両方とも、第２の材料が第１の材料より高い屈折率を有するという制限を条件として、表１から選択することができる。

分布ブラッグ反射鏡の最上部の二重層２６の上層２６ｂを覆う、例えば、上層２６ｂと直接接触するのは、金属窒化物層シード層１０２である。シード層１０２と超電導線材１２は、異なる金属の窒化物である。特に、シード層１０２は、ＮｂＮの臨界温度を改善するので、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とすることができる。しかしながら、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）も適している場合がある。金属窒化物シード層１０２は、約４～５０ｎｍの厚さ、例えば、約５ｎｍ又は約１０ｎｍ又は約２０ｎｍの厚さを有することができる。シード層１０２は、（００２）ｃ軸結晶配向を有することができる。シード層１０２は、デバイス１００の動作温度では超電導ではない。シード層１０２は、標準的な化学気相堆積プロセス又は物理気相堆積プロセスによって堆積することができる。

いくつかの実装形態では、上層２６ｂの高屈折率材料は、例えば、厚さ約１８２ｎｍのＴａ_２Ｏ_５であり、下層２６ａの低屈折率材料は、例えば、厚さ約２６３ｎｍのＳｉＯ_２である。厚さ２０ｎｍのＡｌＮシード層を有する７つのそのような二重層のスタックの光学モデリングソフトウェアによってシミュレートされた反射率は、図５の曲線１２０によって示される。

特に重要な実施形態では、シード層１０２は窒化アルミニウムであり、低屈折率材料、すなわち各下部層２６ａの材料も窒化アルミニウムである。これにより、分布ブラッグ反射鏡２４の下層と同じ処理条件を使用してシード層１０２を製造することが可能になり、処理要件が簡素化される。いくつかの実装形態では、高屈折率材料は、例えば、約１１１ｎｍ厚のアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）であり、低屈折率材料は、例えば、約１９７ｎｍ厚のＡｌＮである。厚さ２０ｎｍのＡｌＮシード層を有する７個のそのような二重層のスタックの光学モデリングソフトウェアによってシミュレートされた反射率は、図５の曲線１２２によって示される。

超電導線材１２は、シード層１０２上に、例えば、直接接触して形成される。ワイヤは、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化ニオブチタン（Ｎｂ_ＸＴｉ_１－ＸＮ）から形成される。ワイヤ１２は、約２５～２５０ｎｍ、例えば、約６０ｎｍの幅、及び４～５０ｎｍ、例えば、約５ｎｍ又は約１０ｎｍ又は約２０ｎｍの厚さを有することができる。

シード層１０２は、特に窒化アルミニウム層が薄い場合に、窒化アルミニウムの臨界温度を改善するのに役立つ。例えば、図６は、測定された臨界温度ＴＣ（ケルビン単位）をＮｂＮ層の厚さの関数として示している。曲線１３０は、（シリコンウエハ、ＡｌＮシード層、及びＮｂＮ層の単純化されたスタックについて）、窒化アルミニウムシード層がない場合の臨界温度を示し、曲線１３２は、窒化アルミニウムシード層がある場合の臨界温度を示す。代替的又は追加的に、シード層１０２は、窒化アルミニウム層１０２と分布ブラッグ反射鏡２４の上部層２６ｂとの間の接着を改善することができる。

図７は、図４のデバイス１００の製造方法２００のフローチャートである。

最初に、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）２４が基板１００上に堆積される（ステップ２０２）。基板は、例えば、シリコンウエハであってよい。単一のブロックとして示されているが、基板２２は複数の下にある層を含むことができる。ＤＢＲ２４を、標準的な化学気相堆積処理又は物理気相堆積処理を使用して高屈折率材料と低屈折率材料を交互に堆積することによって堆積することができる。

次に、シード層１０２をＤＢＲ２４上に堆積する（ステップ２０４）。上述のように、シード層１０２は窒化アルミニウムとすることができる。シード層は、標準的な化学気相堆積処理又は物理処理堆積処理を使用して堆積できる。例示的な処理パラメータは、１～５ｋＷのスパッタリングターゲットに適用される電力、２～２０ｍＴｏｒｒの全圧（窒素及び不活性ガス）、３：１００～１：６の比率で供給される窒素ガス及び不活性ガスであり、ウエハ温度は２００～５００℃で、ウエハにバイアス電圧は印加されない。いくつかの実装形態では、シード層１０２は、例えば新しいターゲットに切り替えることによって、ＤＢＲ２４を堆積するために使用されるのと同じ処理チャンバ内で堆積される。これにより、スループットの高い製造が可能になる。あるいはまた、真空を破ることなく、基板を別の堆積チャンバに移送することができる。いずれの場合も、ＤＢＲを大気にさらすことなく、汚染のリスクを低くしてシード層を堆積することができる。

次に、金属窒化物層１２、例えば、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化ニオブチタン（Ｎｂ_ＸＴｉ_１－ＸＮ）をシード層上に堆積する（ステップ２０６）。金属窒化物層１２は、標準的な化学的気相堆積処理又は物理的気相堆積処理を使用して堆積することができる。例示的な処理パラメータは、１ｅ～８Ｔｏｒｒのベース圧力、１～３ｋＷのターゲットに適用される電力、５～７ｍＴｏｒｒの処理中の全圧、４００℃のウエハ温度、ウエハへのバイアス電圧の印加なし、及び立方δ相ＮｂＮを達成するのに十分なＮ_２としてのガスの割合である。いくつかの実装形態では、金属窒化物層１２は、シード層１０２を堆積するために使用されるのと同じ処理チャンバ内で、例えば、新しいターゲットに切り替えることによって堆積される。これにより、スループットの高い製造が可能になる。あるいはまた、真空を破ることなく、基板を別の堆積チャンバに移送することができる。これにより、シード層を大気に曝すことなく、汚染の危険性を低くして、金属窒化物層を堆積することができる。

金属窒化物層１２を堆積した後、キャッピング層１０４を金属窒化物層１２上に堆積することができる（ステップ２０８）。キャッピング層１０４は、例えば、金属窒化物層１２の酸化又は他のタイプの汚染又は損傷を防止するための保護層として機能する。キャッピング層１０４は、誘電性又は導電性であってよいが、デバイス２００の動作温度では超電導ではない。キャッピング層１０４は、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）であることができる。いくつかの実装形態では、キャッピング層１０４は、超電導層１２に使用される金属窒化物の金属とは異なる材料の窒化物である。キャッピング層１０４の材料の例は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＳｉＮを含む。キャッピング層１０４は、標準的な化学気相堆積処理又は物理気相堆積処理によって堆積することができる。

エッチングを使用して、少なくとも金属窒化物層１２を貫通するトレンチ１０８を形成し、デバイス１００に必要な導電ワイヤ１２又は他の構造を形成することができる（ステップ２１０）。図４は、金属窒化物層１２及びキャッピング層１０４を貫通するトレンチを示しているが、他の構成も可能である。一例として、トレンチは、シード層１０２を部分的に又は完全に貫通して延在していることができる。しかしながら、トレンチは、ミラー構造２４内に延在してはならない。

超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスの別の形態は、基板の表面にほぼ平行な軸に沿って光子を検出器に入力するための導波路を含む。図８Ａ及び図８Ｂは、そのような導波路を有する従来のＳＮＳＰＤ５０を示す。ＳＮＳＰＤ５０は、支持構造６０上に配置された少なくとも１つの超電導線材５２を含むことができる。支持構造は、基板６２、例えば、シリコン基板、基板６２上の誘電体層６４、及び誘電体層６４上に配置された導波路６６を含むことができる。誘電体層６４は、第１の屈折率を有する第１の材料であり、導波路６６は、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料である。

超電導線材５２は、ナノワイヤと考えることができ、例えば、約３０ｎｍの幅と約１０ｎｍの厚さを有することができる。超電導線材５２は、複数の平行線を形成するように配置することができ、隣接する線は交互の端部で接続される。図８Ａは４本の平行線を示しているが、装置は、単に２本の平行線、例えば、Ｕ字形ワイヤ、又はそれより多くの数の線を有することができる。

光ビーム７０によって示される光子は、導波路層６６を介して、例えば基板６２の上面にほぼ平行な側面からデバイスに射入する。特に、光子は、ワイヤ５２の平行線にほぼ平行な軸（矢印Ａによって示される）に沿って入ることができる。さらに、光伝搬の方向を横切る軸に沿って、ワイヤ５２を導波路の中心付近に配置することができる。例えば、デバイスの各側で、ワイヤ５２の外縁と導波管６６の外縁との間に間隙５８が存在し得る。この間隙５８は、導波路の全幅の約２５～３０％の幅を有することができる。

一般に、導波路６６の下の誘電体層６４及び導波路６６の上の空の空間又は空気は両方とも導波路６６よりも低い屈折率を有するので、導波路６６内の光子は全反射によってトラップされる。しかしながら、導波路６６とナノワイヤ５２との間の光結合により、光子はナノワイヤ５２内に逃げることができ、したがってナノワイヤ６２によって吸収される。このタイプのデバイスでは、光結合効率が非常に高くなる可能性がある。

図９は、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイス１５０の導波路構成の側断面図を示す。ＳＮＳＰＤデバイス１５０は、以下に説明することを除いて、図４及び図８に関して上述したデバイスと同様であってよい。

ＳＮＳＰＤデバイス１５０は、シリコン基板などの基板６２を含む。

基板６２の上面を覆うのは、誘電体層６４である。誘電体層６４は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とすることができるが、導波路６６の屈折率よりも小さい屈折率を有する他の材料も可能である。誘電体層６４は、少なくとも１００ｎｍ、例えば、２００～２μｍの厚さを有することができる。

導波路６６は、誘電体層６４上に配置される。導波路６４は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）であることができるが、誘電体層６４の屈折率よりも大きい屈折率を有する他の材料も可能である。導波路の特定の厚さ及び幅は、キャプチャ及び検出される光の波長に基づいて選択することができる。導波路６６は、１５５０ｎｍの光に対して４００～５００ｎｍ、例えば、４５０ｎｍの厚さを有することができる。導波路６６の幅、すなわち、導波路６６に入る光の伝搬方向に垂直な幅は、１．１～１．３μｍ、例えば、１５５０ｎｍの光に対して１．２μｍとすることができる。

例えば、導波路６６と直接接触している導波路６６の上面には、金属窒化物シード層１５２がある。シード層１５２と超電導線５２は、異なる金属の窒化物である。特に、シード層１５２の金属窒化物は、ＮｂＮの臨界温度を改善するため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とすることができる。しかしながら、窒化ガリウム（ＧａＮ）も適している場合がある。シード層１５２は、約４～５０ｎｍの厚さ、例えば、約５ｎｍ又は約１０ｎｍ又は約２０ｎｍの厚さを有することができる。シード層１５２は、（００２）ｃ軸結晶配向を有することができる。シード層１５２は、デバイス１５０の動作温度では超電導ではない。

超電導線材５２は、シード層１５２上に、例えば、直接接触して形成される。ワイヤは、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化ニオブチタン（Ｎｂ_ＸＴｉ_１－ＸＮ）から形成される。ワイヤ５２は、約２５～２５０ｎｍ、例えば、約６０ｎｍの幅、及び４～５０ｎｍ、例えば、約５ｎｍ又は約１０ｎｍ又は約２０ｎｍの厚さを有することができる。

キャッピング層１５４は、超電導線材５２を覆うことができる。キャッピング層１５４は、例えば、超電導線材５２の金属窒化物の酸化又は他のタイプの汚染又は損傷を防止するための保護層として機能する。キャッピング層１５４は、誘電性又は導電性であってよいが、デバイス１５０の動作温度では超電導ではない。キャッピング層１５４は、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）であることができる。いくつかの実装形態では、キャッピング層１５４は、超電導層５２に使用される金属窒化物の金属とは異なる材料の窒化物である。キャッピング層１０４の材料の例は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＳｉＮを含む。キャッピング層１０４は、標準的な化学気相堆積処理又は物理気相堆積処理によって堆積することができる。

ワイヤ５２を分離するトレンチは、キャッピング層１５４、ワイヤ５２を提供する超電導層、及びシード層１５２を通って延在させることができる。トレンチは導波路内に延在させる必要はない。

図１０は、超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイス１５０’の導波路構成の別の実施形態の側断面図を示す。ＳＮＳＰＤデバイス１５０’は、以下に説明することを除いて、図９に関して上述したデバイスと同様であってよい。

図１０に示される実施形態では、導波路６６’は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。したがって、別個のシード層は不要であり、導波路６６’自体がＮｂＮのシード層として機能する。

誘電体層６４は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とすることができるが、導波路６６’の窒化アルミニウムの屈折率よりも低い屈折率を有する他の材料、例えば窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）も可能である。上述のように、導波路の特定の厚さと幅は、キャプチャ及び検出される光の波長に基づいて選択することができる。導波路６６’は、１５５０ｎｍの光に対して４００～５００ｎｍ、例えば、４５０ｎｍの厚さを有することができる。導波路６６’の幅、すなわち、導波路６６’に入る光の伝搬方向に垂直な幅は、１．１～１．３μｍ、例えば、１５５０ｎｍの光に対して１．２μｍとすることができる。

超電導線材５２は、導波路６６’上に、例えば直接接触して形成される。

特定の実装について説明してきたが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、他の及びさらなる実装を考案することができる。一実施形態の構成要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定されている。しかしながら、図面は例示的な実施形態のみを示していることに留意されたい。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。

Claims

超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスであって：
頂面を有する基板と；
前記基板の前記頂面に実質的に平行に伝播する光を受容するための、前記基板の前記頂面上の光導波路と；
前記光導波路上の窒化アルミニウムのシード層と；
前記シード層上の、少なくとも９．７Ｋの臨界温度を有し、前記光導波路に光学的に結合されている、窒化ニオブである超電導線材と
を含む、デバイス。
前記基板と前記光導波路との間に第１の屈折率を有する第１の材料の誘電体層を含み、前記光導波路は、前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する第２の材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
前記第１の材料が酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である、請求項２に記載のデバイス。
前記第２の材料が窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である、請求項２に記載のデバイス。
前記金属窒化物層がδ相ＮｂＮを含む、請求項１に記載のデバイス。
複数のワイヤ上にキャッピング層をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
前記超電導線材が複数のワイヤ部分を含み、前記複数のワイヤ部分を分離するトレンチが前記キャッピング層を貫通している、請求項６に記載のデバイス。
前記シード層が、４～５０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
前記超電導線材が、４～５０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。
前記超電導線材が複数のワイヤ部分を含み、前記複数のワイヤ部分を分離するトレンチが光学反射鏡内に延在していない、請求項１に記載のデバイス。
前記トレンチが前記シード層内に延在している、請求項１０に記載のデバイス。
超電導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）デバイスであって：
頂面を有する基板と；
前記基板の前記頂面に実質的に平行に伝播する光を受容するための、前記基板の前記頂面上の窒化アルミニウム光導波路と；
前記光導波路上の、少なくとも９．７Ｋの臨界温度を有する窒化ニオブである超電導線材と
を含む、デバイス。
前記光導波路が４００～５００ｎｍの厚さを有する、請求項１２に記載のデバイス。
前記光導波路が１．１～１．３μｍの幅を有する、請求項１２に記載のデバイス。
前記光導波路の前記窒化アルミニウムの第２の屈折率よりも小さい第１の屈折率を有する第１の材料の誘電体層を含む、請求項１２に記載のデバイス。
前記第１の材料が酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である、請求項１５に記載のデバイス。
前記超電導線材が前記光導波路に直接接触している、請求項１２に記載のデバイス。