TW202144749A - 具有整合化氮化鋁晶種或波導層的超導奈米線單光子偵測器 - Google Patents
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Abstract
一種超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置包括：基板，具有頂表面；光波導，位於該基板之該頂表面上，以接收與該基板之該頂表面實質上平行傳播的光；種晶層，具金屬氮化物，位於該光波導上；及超導絲線，位在該種晶層上。該超導絲線是與該種晶層的金屬氮化物不同的金屬氮化物，且在光學上耦接該光波導。
Description
本案揭示內容是關於超導奈米線單光子偵測器（superconducting nanowire single photon detector ，SNSPD），該SNSPD包括種晶層，該種晶層在提供超導材料的金屬氮化物下方。
在超導性的背景中，臨界溫度（TC
）指的是低於該溫度材料會變得有超導性的溫度。氮化鈮（NbN）是一種能夠用於超導應用的材料，例如，用於量子資訊處理、CMOS中缺陷分析、LIDAR等的超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）。氮化鈮的臨界溫度取決於材料的晶體結構和原子比。例如，參考圖1，立方δ相NbN由於其相對「高」的臨界溫度（例如9.7-16.5ºK）而擁有一些優點。
氮化鈮能夠透過物理氣相沉積（PVD）沉積在工件上。例如，能夠在氮氣存在下使用鈮靶執行濺射操作。能夠藉由在含有靶材與工件的反應器腔室中誘導電漿，而執行濺射。
在一個態樣中，一種超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置包括：基板，具有頂表面；光波導，位於該基板之該頂表面上，以接收與該基板之該頂表面實質上平行傳播的光；種晶層，具金屬氮化物，位於該光波導上；及超導絲線（superconducting wire），位在該種晶層上。該超導絲線是與該種晶層的金屬氮化物不同的金屬氮化物，且在光學上耦接（optically coupled to）該光波導。
在另一態樣中，一種超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置包括：基板，具有頂表面；金屬氮化物光波導，位於該基板之該頂表面上，以接收與該基板之該頂表面實質上平行傳播的光；及超導絲線，位在該種晶層上。該超導絲線是選自由氮化鈮、氮化鈦與氮化鈮鈦組成之群組的金屬氮化物。該光波導的該金屬氮化物與該超導絲線的該金屬氮化物不同。
實施方式可提供但不限於一或多項下述優點。基於由超導材料吸收光子的裝置（例如，SNSPD）能夠具有高光子吸收效率，同時也達成超導層（例如，氮化鈮）的高材料品質而因此達成更高的臨界溫度。這容許使用具有更高臨界溫度的超導絲線製造例如SNSPD的裝置。操作溫度（2-3ºK）與臨界溫度之間的較大的差距提供卓越的偵測效率、更低的暗計數、和可能更快的時間響應。
應注意「超導」是指該材料在裝置的操作溫度（例如2-3ºK）下變得超導。在室溫或高於室溫的裝置製造期間，或者當該裝置並未冷卻以供操作時，該材料實際上並非超導。
在伴隨的圖式和下文的描述中提出一或多種實施方式的細節。由說明書、圖式、和申請專利範圍可明瞭其他潛在的態樣、特徵、及優點。
圖2A和圖2B分別繪示習知超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置10的俯視圖和側視圖。SNSPD裝置10能夠包括配置在支撐結構20上的至少一條超導絲線（supercoductive wire）12。超導絲線12能夠在導電電極14之間連接。超導絲線12能夠在支撐結構20上以迂迴（meandering）圖案排列，該迂迴圖案例如為來回的平行線。在一些實施方式中，多條絲線12在電極14之間並聯連接，每一絲線12覆蓋分立區域16，但能夠只有單一條絲線12覆蓋裝置10的整個偵測區域。此外，許多其他圖案也是可行的，例如鋸齒形（zigzag）或雙螺旋形。超導絲線能夠視為奈米線，例如能夠具有約30nm的寬度和約10nm的厚度。
支撐結構20能夠包括基板22（例如矽基板）以及配置在基板22上的鏡結構24。作為實例，鏡結構24能夠為分佈式布拉格反射器（DBR），該DBR包括多對由高折射率材料和低折射率材料形成的層。
習知的SNSPD是在光子（以光束30繪示）從裝置10的頂部接近（例如，相對於基板20正交入射）的情況下操作。簡單的裝置會有直接地配置在矽基板上的NbN奈米線（無鏡結構）。由於NbN奈米線一般而言在SNSPD裝置中非常薄，所以大多數的光不會被NbN奈米線吸收。為了衝高光吸收效率，將鏡結構24（例如分佈式布拉格反射器）結合在裝置10中位於基板20和絲線12之間。在此情況，最初未被吸收的入射光子能夠在反射時被吸收，因此光子更有可能被NbN奈米線捕獲。
參考圖3，SNSPD裝置的工作原理是，待偵測的光子來自頂部且照射到SNPSD上。光子的吸收會在NbN奈米線上產生熱點，這使得NbN的溫度升高到超過臨界溫度，從而使一部分的絲線不再處於超導狀態。熱點周圍的區域可能會歷經電流擁擠，而導致電流密度高於臨界電流密度，這可能會打斷整條線的超導狀態。 能夠對NbN絲線從超導狀態到正常電阻狀態的改變進行電偵測，這是透過使電流流過裝置且監視電極之間的電壓差而達成。
基於NbN的SNSPD主要用於可見光和紅外波長中的與時間相關單光子計數（TCPSC）相關應用。例如，由於SNSPD的高效率、低暗計數、低時脈抖動（timing jitter）和快速恢復時間而用於量子計量（量子金鑰生成、量子發射器）和光學量子運算（偵測模組）。它們也能夠用作經典空對地通訊和飛時測距LIDAR系統中的偵測器。
在可見波長範圍內，一般使用Si雪崩光電二極體（APD）。系統偵測效率並非理想，例如為約70%，並且這些裝置難以與晶片級裝置整合。
在紅外波長範圍內，InGaAs APD是許多應用的候選產品。但是，這些裝置通常遭受較高的暗計數率，甚至是較低的系統偵測效率（＜30%），且偵測速度受限。相較於APD，SNSPD具有卓越的效能，包括低時脈抖動（＜20ps）、快速恢復時間、高偵測效率（＞ 85%）和低暗計數率（約幾Hz）。
如上所述，氮化鈮（特別是δ相的NbN）作為超導材料具有一些優點。但是，δ相NbN可能難以以令人滿意的品質沉積。在（超）導電層下方的種晶層（例如氮化鋁（AlN）層）能夠幫助改善NbN層的臨界溫度。氮化鋁（AlN）種晶層也能夠改善TiN和NbTiN層的臨界溫度，且也可對其他金屬氮化物層有幫助。尤其，氮化鋁層能夠整合於SNSPD裝置中，且特別是整合至SNSPD裝置的鏡結構或波導中。這容許達成更高晶體品質的金屬氮化物偵測器（且因而有更高的臨界溫度、因而有更好的裝置效能），同時也實現高光吸收效率。
圖4繪示超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置100的剖面側視圖。SNSPD裝置100可以類似於上文關於圖2A至圖2B所述的裝置，其差異處如下文所述。
SNSPD包括基板22，該基板22能夠是介電材料，例如藍寶石、SiO2
、熔融氧化矽、或石英，或是半導體材料，例如矽、氮化鎵（GaN）、或砷化鎵（GaAs）。
在基板22的頂部上製造分佈式布拉格反射器（DBR）24。DBR24包括複數個雙層26，例如兩個至八個雙層，例如七個雙層。每個雙層26包括具有第一材料的下層26a以及具有第二材料的上層26b，該第一材料具有第一折射率（「低折射率」），該第二材料具有大於第一折射率的第二折射率（「高折射率」）。選擇雙層26中的厚度和材料（且因此選擇了折射率），以增加在所選波長或波長帶中的反射。例如，由於1550 nm是光通訊系統中廣泛使用的波長，所以可將DBR最適化以用於約1500-1600 nm的光的反射。
第一材料和第二材料皆能夠從表1選擇，但前提是第二材料要具有比第一材料更高的折射率。
| 材料 | 折射率 （對1550nm的光而言） |
| a-Si | ~3.4-3.5 |
| TiO2 | ~2.2-2.3 |
| Nb2 O5 | ~2.1-2.2 |
| Ta2 O5 | ~2.05-2.15 |
| AlN | ~1.95-2.05 |
| Si3 N4 | ~1.9-2.0 |
| SiO2 | ~1.4-1.5 |
金屬氮化物層種晶層102覆蓋分佈式布拉格反射器的最頂層的雙層26的上層26b，例如與該上層26b直接接觸。種晶層102與超導絲線12是不同金屬的氮化物。特別是，種晶層102能夠是氮化鋁（AlN），因為這改善NbN的臨界溫度。但是，氮化鉿（HfN）、氮化鎵（GaN）也可為合適的。金屬氮化物種晶層102能夠具有約4至50nm的厚度，例如約5nm或約10nm或約20nm的厚度。種晶層102能夠具有(002)c軸晶體走向。種晶層102在裝置100的操作溫度下並非超導。能夠透過標準的化學氣相沉積或物理氣相沉積製程沉積種晶層102。
在一些實施方式中，上層26b的高折射率材料是例如有約182nm厚度的Ta2
O5
，而下層26a的低折射率材料是例如有約263nm厚度的SiO2
。如藉由光學模型化軟體所模擬，具有20nm厚度的AlN種晶層的七個此類雙層的堆疊的反射率由圖5中的曲線120所示。
在特別感興趣的實施例中，種晶層102是氮化鋁，且低折射率材料（即每一下層26a的材料）也是氮化鋁。這容許使用與分佈式布拉格反射器24中的下層相同的處理條件製造種晶層102，從而簡化處理要求。在一些實施方式中，高折射率材料為例如具約111nm之厚度的非晶矽（a-Si），且低折射率材料為例如具約197nm厚度的AlN。如藉由光學模型化軟體所模擬，具有20nm厚度的AlN種晶層的七個此類雙層的堆疊的反射率由圖5中的曲線122所示。
超導絲線12形成在種晶層102上，例如與該種晶層102直接接觸。該等絲線由氮化鈮（NbN）、氮化鈦（TiN）、或氮化鈮鈦（NbX
Ti1-X
N）形成。絲線12能夠具有約25至250nm、例如約60nm的寬度，以及4至50nm、例如約5nm或約10nm或約20nm的厚度。
種晶層102有助於改善氮化鋁的臨界溫度，尤其是當氮化鋁層薄時。例如，圖6繪示所測量的臨界溫度TC
（以凱氏溫度為單位），其與NbN層的厚度呈函數關係。曲線130繪示沒有氮化鋁種晶層的臨界溫度，曲線132繪示有氮化鋁種晶層的臨界溫度（對於矽晶圓、AlN種晶層、和NbN層之經簡化的堆疊）。作為替代或附加形態，種晶層102能夠改善氮化鋁層102與分佈式布拉格反射器24的上層26b之間的黏著。
圖7是圖4的裝置100的製造方法200的流程圖。
一開始，將分佈式布拉格反射器（DBR）24沉積在基板100上（步驟202）。基板能夠為例如矽晶圓。儘管圖中將基板22繪示單一方塊，但是基板22能夠包括多個下伏的層。能夠藉由使用標準化學氣相沉積或物理氣相沉積製程交替地沉積高折射率材料和低折射率材料，而沉積DBR 24。
接著，將種晶層102沉積在DBR 24上（步驟204）。如上文所述，種晶層102能夠是氮化鋁。能夠使用標準的化學氣相沉積或物理氣相沉積製程沉積種晶層。示範性處理參數為：施加至濺射靶材的功率為1至5 kW，總壓力（氮氣和惰性氣體）為2至20 mTorr，氮氣和惰性氣體是以3:100至1:6之間的比供應，晶圓溫度為200-500ºC，且無偏壓電壓施加到晶圓。在一些實施方式中，例如藉由切換新靶材，在用於沉積DBR 24的相同處理腔室中沉積種晶層102。這容許更高產量的製造。替代地，能夠不破真空而將基板輸送到不同的沉積腔室。無論哪一情況，都容許沉積種晶層是在不將DBR暴露於大氣且污染風險更低的情況進行。
接著，在種晶層上沉積金屬氮化物層12，例如，氮化鈮（NbN）、氮化鈦（TiN）、或氮化鈮鈦（NbX
Ti1-X
N）（步驟206）。能夠使用標準化學氣相沉積或物理氣相沉積製程沉積金屬氮化物層12。示範性的處理參數為：基礎壓力是1e-8 Torr，施加到靶材的功率是1-3kW，處理期間的總壓力為5-7mTorr，晶圓溫度為400ºC，無偏壓電壓施加到晶圓，以及N2
氣體的百分比足以達成立方δ相NbN。在一些實施方式中，例如藉由切換新靶材，在用於沉積種晶層102的相同處理腔室中沉積金屬氮化物層12。這允許容許更高產量的製造。替代地，能夠不破真空而將基板輸送到不同的沉積腔室。此舉容許沉積金屬氮化物層是在不將種晶層暴露於大氣且污染風險更低的情況進行。
在沉積金屬氮化物層12之後，能夠在金屬氮化物層12上沉積覆蓋層104（步驟208）。覆蓋層104用作保護層，例如，以防止金屬氮化物層12氧化或其他類型的污染或損壞。覆蓋層104能夠為介電或導電性，但是在裝置200的操作溫度下並非超導。覆蓋層104能夠是非晶矽（a-Si）。在一些實施方式中，覆蓋層104是一材料的氮化物，該材料與用於超導層12的金屬氮化物的金屬不同。用於覆蓋層104的材料的實例包括AlN、Al2
O3
、SiO2
和SiN。能夠藉由標準的化學氣相沉積或物理氣相沉積製程沉積覆蓋層104。
能夠使用蝕刻形成穿過至少金屬氮化物層12的溝槽108，以形成裝置100所需的導線12或其他結構（步驟210）。雖然圖4將溝槽繪示成延伸穿過金屬氮化物層12與覆蓋層104，但是其他設置方式也是可行的。作為實例，溝槽能夠部分地延伸到種晶層102中或完全穿過種晶層102。然而，溝槽不應延伸到鏡結構24中。
超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置的另一種形式包括波導，以沿著與基板之表面大致平行的軸將光子輸入偵測器。圖8A和8B繪示具有這種波導的習知SNSPD 50。SNSPD 50能夠包括配置在支撐結構60上的至少一條超導絲線52。支撐結構能夠包括基板62（例如，矽基板）、在基板62上的介電層64、以及配置在介電層64上的波導66。介電層64是具有第一折射率的第一材料，並且波導66是具有高於第一折射率的第二折射率的第二材料。
能夠將超導絲線52視為奈米線，例如能夠具有約30nm的寬度和約10nm的厚度。超導絲線52能夠經排列以形成複數條平行線，相鄰的線在交替的端部連接。雖然圖8A繪示四條平行線，但是該裝置能僅具有兩條平行線（例如U形絲線）或更多條線。
光束70所示的光子經由波導層66從側面（例如，大體上平行於基板62之頂表面）注射到裝置中。特別是，光子能夠沿著軸（以箭號A所示）進入，該軸大體上平行於絲線52的平行線。另外，沿著橫切光傳播方向的軸上，絲線52能夠位於波導之中心附近。例如，在裝置的每一側上，在絲線52的外邊緣與波導66的外邊緣之間能夠有隙縫58。該隙縫58的寬度能夠為波導的總寬度的約25-30%。
大致上，由於波導66下方的介電層64和波導66上方的空洞空間（empty space）或空氣都具有比波導66低的折射率，所以波導66中的光子被全內反射捕獲。然而，由於波導66和奈米線52之間的光學耦合，光子能夠逃逸到奈米線52中，且因而被奈米線62吸收。在這種類型的裝置中，光耦合效率能夠是非常高。
圖9繪示超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置150的波導設置方式的剖面側視圖。SNSPD裝置150能夠類似於上文針對圖4至圖8所述之設備，其差異處如下文所述。
SNSPD裝置150包括基板62，例如矽基板。
介電層64覆蓋基板62的頂表面。介電層64能夠為氧化矽（SiO2
），然而折射率小於波導66之折射率的其他材料也是可行的。介電層64能夠具有至少100nm的厚度，例如200至2μm。
波導66配置在介電層64上。波導64能夠是氮化矽（Si3
N4
），然而折射率大於介電層64之折射率的其他材料也是可行的。能夠基於要捕獲和偵測的光波長選擇波導的特定厚度與寬度。對於1550nm的光而言，波導66能夠具有400至500nm的厚度，例如450nm。對於1550nm的光而言，波導66的寬度（即垂直於進入波導66的光的傳播方向）能夠是1.1至1.3μm，例如1.2μm。
金屬氮化物種晶層152位於波導66的頂表面上，例如與波導66直接接觸。種晶層152和超導絲線52是不同金屬的氮化物。尤其，種晶層152的金屬氮化物能夠是氮化鋁（AlN），因為這提高了NbN的臨界溫度。然而，氮化鎵（GaN）也可為合適的。種晶層152能夠具有約4至50nm的厚度，例如約5nm或約10nm或約20nm的厚度。種晶層152能夠具有(002)c軸晶體走向。種晶層152在裝置150的操作溫度下並非超導。
超導絲線52形成在種晶層152上，例如與該種晶層152直接接觸。絲線是由氮化鈮（NbN）、氮化鈦（TiN）、或氮化鈮鈦（NbX
Ti1-X
N）形成。絲線52能夠具有約25至250nm、例如約60nm的寬度，和4至50nm、例如約5nm或約10nm或約20nm的厚度。
覆蓋層154能夠覆蓋超導絲線52。覆蓋層154用作保護層，例如，以防止超導絲線52的金屬氮化物氧化或其他類型的污染或損壞。覆蓋層154能夠為介電或導電性，但是在裝置150的操作溫度下並非超導。覆蓋層154能夠是非晶矽（a-Si）。在一些實施方式中，覆蓋層154是一材料的氮化物，該材料與用於超導層52的金屬氮化物的金屬不同。用於覆蓋層104的材料的實例包括AlN、Al2
O3
、SiO2
和SiN。可以藉由標準的化學氣相沉積或物理氣相沉積製程沉積覆蓋層104。
分開絲線52的溝槽能夠延伸穿過下述層：覆蓋層154、提供絲線52的超導層、和種晶層152。溝槽不必延伸到波導中。
圖10繪示超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置150’的波導設置方式的另一實施例的剖面側視圖。SNSPD裝置150’能夠是類似於上文關於圖9描述的裝置，其差異處如下文所述。
在圖10所示的實施例中，波導66’由氮化鋁（AlN）形成。因此，不需要分別的種晶層，且波導66’本身用作NbN的種晶層。
介電層64能夠是氧化矽（SiO2
），然而折射率小於波導66’的氮化鋁之折射率的其他材料也是可行的，例如氮化矽（Si3
N4
）。如上所述，能夠基於要捕獲和偵測的光波長選擇波導的特定厚度和寬度。對於1550nm的光而言，波導66’能夠具有400至500nm的厚度，例如450nm。對於1550nm的光而言，波導66’的寬度（即垂直於進入波導66’的光的傳播方向）能夠是1.1至1.3μm，例如1.2μm。
超導絲線52形成在波導66’上，例如與波導66’直接接觸。
雖然已經描述了特定的實施方式，但是在不背離本案揭示內容的基本範疇的情況下，可設計其他和進一步的實施方式。考量一個實施例的元件和特徵可有利地結合到其他實施例中，而無需進一步敘述。然而，應注意，圖式僅繪示示範性實施例。本發明的範疇由所附的申請專利範圍決定。
10:超導奈米線單光子偵測器
12:超導絲線
14:導電電極
16:分立區域
20:支撐結構
22:基板
24:鏡結構
26:雙層
26a:下層
26b:上層
30:光束
50:SNSPD
52:超導絲線
60:支撐結構
62:基板
64:介電層
66,66’:波導
70:光束
100:SNSPD裝置
102:種晶層
104:覆蓋層
108:溝槽
120:曲線
122:曲線
130:曲線
132:曲線
150,150’:SNSPD裝置
152:種晶層
154:覆蓋層
200:方法
202~210:步驟
圖1是說明氮化鈮的相的圖，其與處理溫度及原子百分比的氮呈函數關係。
圖2A是包括分佈式布拉格反射器的SNSPD的概略俯視圖。
圖2B是圖2A的裝置的概略剖面側視圖。
圖3是SNSPD的操作的概略示意圖。
圖4是包括分佈式布拉格反射器和氮化鋁種晶層的SNSPD的概略剖面側視圖。
圖5是兩種SNSPD設計的反射率與波長呈函數關係的曲線圖。
圖6是臨界溫度與具有和不具有氮化鋁種晶層的NbN層的厚度呈函數關係的曲線圖。
圖7是製造SNSPD的方法的流程圖。
圖8A是包括波導的SNSPD的概略俯視圖。
圖8B是圖8A的裝置的概略剖面側視圖。
圖9是包括波導與氮化鋁種晶層的SNSPD的概略剖面側視圖。
圖10是包括由氮化鋁形成的波導的SNSPD的概略剖面側視圖。
在各圖式中，類似的元件符號和標記是指類似的元件。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
12:超導絲線
22:基板
24:鏡結構
26:雙層
26a:下層
26b:上層
100:SNSPD裝置
102:種晶層
104:覆蓋層
108:溝槽
Claims (20)
- 一種超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置，包括： 一基板，具有一頂表面； 一光波導，位於該基板之該頂表面上，以接收與該基板之該頂表面實質上平行傳播的光； 一種晶層，具金屬氮化物，位於該光波導上；及 一超導絲線（superconducting wire），位在該種晶層上，該超導絲線是與該種晶層的金屬氮化物不同的一金屬氮化物，且在光學上耦接（optically coupled to）該光波導。
- 如請求項1所述之裝置，其中該種晶層的該金屬氮化物是氮化鋁。
- 如請求項1或2所述之裝置，包括具一第一材料之一介電層，該介電層位在該基板與該光波導之間，該第一材料具有第一折射率，其中該光波導是由一第二材料形成，該第二材料具有一第二折射率，該第二折射率大於該第一折射率。
- 如請求項3所述之裝置，其中該第一材料是氧化矽（SiO2 ）。
- 如請求項3所述之裝置，其中該第二材料是氮化矽（Si3 N4 ）。
- 如請求項2所述之裝置，其中該超導絲線的該金屬氮化物是氮化鈮、氮化鈦、或氮化鈮鈦。
- 如請求項6所述之裝置，其中該金屬氮化物層包括δ相NbN。
- 如請求項1所述之裝置，進一步包括一覆蓋層，該覆蓋層位於該複數條絲線上。
- 如請求項8所述之裝置，其中該超導絲線包括複數個絲線部分及多個溝槽，該等溝槽將該複數個絲線部分分開且延伸通過該覆蓋層。
- 如請求項1所述之裝置，其中該種晶層具有4至50nm的厚度。
- 如請求項1所述之裝置，其中該該超導絲線具有4至50nm的厚度。
- 如請求項1所述之裝置，其中該超導絲線包括複數個絲線部分及及多個溝槽，該等溝槽將該複數個絲線部分分開且不延伸進入該光反射器。
- 如請求項12所述之裝置，其中該等溝槽延伸進入該種晶層。
- 一種超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）裝置，包括： 一基板，具有一頂表面； 一金屬氮化物光波導，位於該基板之該頂表面上，以接收與該基板之該頂表面實質上平行傳播的光；及 一超導絲線，位在該光波導上，該超導絲線是選自由氮化鈮、氮化鈦與氮化鈮鈦組成之群組的一金屬氮化物，且該光波導的該金屬氮化物與該超導絲線的該金屬氮化物不同。
- 如請求項14所述之裝置，其中該光波導的該金屬氮化物是氮化鋁。
- 如請求項15所述之裝置，其中該光波導的厚度是400至500nm。
- 如請求項15所述之裝置，其中該光波導的寬度是1.1至1.3微米。
- 如請求項14所述之裝置，包括具一第一材料的一介電層，該第一材料具有第一折射率，該第一折射率小於該光波導的該氮化鋁的一第二折射率。
- 如請求項18所述之裝置，其中該第一材料是氧化矽（SiO2 ）。
- 如請求項14所述之裝置，其中該超導絲線直接接觸該光波導。
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| CA1263449A (en) * | 1985-05-16 | 1989-11-28 | Director, National Research Institute For Metals | Method of manufacturing a superconductor compounds layer |
| US4726890A (en) | 1985-08-12 | 1988-02-23 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method of producing high Tc superconducting NbN films |
| US4844989A (en) * | 1987-03-19 | 1989-07-04 | The University Of Chicago (Arch Development Corp.) | Superconducting structure with layers of niobium nitride and aluminum nitride |
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| US6328858B1 (en) | 1998-10-01 | 2001-12-11 | Nexx Systems Packaging, Llc | Multi-layer sputter deposition apparatus |
| US6475902B1 (en) | 2000-03-10 | 2002-11-05 | Applied Materials, Inc. | Chemical vapor deposition of niobium barriers for copper metallization |
| US7563715B2 (en) | 2005-12-05 | 2009-07-21 | Asm International N.V. | Method of producing thin films |
| US9051641B2 (en) | 2001-07-25 | 2015-06-09 | Applied Materials, Inc. | Cobalt deposition on barrier surfaces |
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| US6994910B2 (en) | 2003-01-09 | 2006-02-07 | Guardian Industries Corp. | Heat treatable coated article with niobium nitride IR reflecting layer |
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| US7820020B2 (en) | 2005-02-03 | 2010-10-26 | Applied Materials, Inc. | Apparatus for plasma-enhanced physical vapor deposition of copper with RF source power applied through the workpiece with a lighter-than-copper carrier gas |
| US7432201B2 (en) | 2005-07-19 | 2008-10-07 | Applied Materials, Inc. | Hybrid PVD-CVD system |
| FR2906934B1 (fr) * | 2006-10-05 | 2009-01-30 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle, utilisant un couplage a reseau. |
| US7928471B2 (en) | 2006-12-04 | 2011-04-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Group III-nitride growth on silicon or silicon germanium substrates and method and devices therefor |
| WO2011067820A1 (ja) | 2009-12-04 | 2011-06-09 | キヤノンアネルバ株式会社 | スパッタリング装置、及び電子デバイスの製造方法 |
| US8329262B2 (en) | 2010-01-05 | 2012-12-11 | Applied Materials, Inc. | Dielectric film formation using inert gas excitation |
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| WO2014026724A1 (en) * | 2012-08-17 | 2014-02-20 | Karlsruher Institut für Technologie | Single chip spectrometer with superconducting single photon detector |
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| US9945728B2 (en) * | 2015-04-03 | 2018-04-17 | Raytheon Bbn Technologies Corp. | Graphene-based infrared single photon detector |
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| WO2018232332A1 (en) * | 2017-06-15 | 2018-12-20 | PsiQuantum Corp. | Niobium-germanium superconducting photon detector |
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| GB201719346D0 (en) * | 2017-11-21 | 2018-01-03 | Univ Oxford Innovation Ltd | Optical methods and devices |
| KR102298626B1 (ko) * | 2017-12-07 | 2021-09-07 | 한국전자통신연구원 | 광자 검출기 |
| US10651325B2 (en) * | 2017-12-20 | 2020-05-12 | PsiQuantum Corp. | Complementary metal-oxide semiconductor compatible patterning of superconducting nanowire single-photon detectors |
| CN110346040B (zh) * | 2018-04-03 | 2021-06-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 宽谱微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器及其制备方法 |
| CN108666409A (zh) | 2018-05-10 | 2018-10-16 | 东南大学 | 一种提高超导纳米线吸收效率的结构 |
| US10879446B2 (en) * | 2018-08-14 | 2020-12-29 | Intel Corporation | Vertical flux bias lines coupled to vertical squid loops in superconducting qubits |
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| US11009387B2 (en) * | 2019-04-16 | 2021-05-18 | PsiQuantum Corp. | Superconducting nanowire single photon detector and method of fabrication thereof |
| CN110635021B (zh) * | 2019-09-16 | 2021-04-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 飞秒激光直写波导耦合超导纳米线单光子探测器 |
| US11480734B2 (en) * | 2019-09-25 | 2022-10-25 | Nexus Photonics, Inc | Active-passive photonic integrated circuit platform |
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