CN104183692A - 一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底、金属反射层、介质隔离层、超导纳米线、介质隔离条和非对称金属谐振环阵列。金属反射层、介质隔离层、超导纳米线、介质隔离条和非对称金属谐振环阵列依次按照从下向上的顺序生长在衬底上；透明介质隔离条隔开超导纳米线与非对称金属谐振环阵列。本发明通过周期性特异结构汇聚到面积很小的超导纳米线上，大幅降低到达超导纳米线间隔无效区域的光子数量与几率，显著提升超导纳米线单光子探测器的吸收率和响应率。

Description

一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器

技术领域

本发明涉及探测器技术，具体指一种基于特异材料增强响应率的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器及其制备方法。

背景技术

随着探测技术的发展，人们对信号探测灵敏度的要求逐渐提高，新材料的运用和探测手段的进步可以将被噪声覆盖的微弱信号探测出来。在微弱信号探测领域中，单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射(OTDR)、量子密钥分发***(QKD)等领域有着广泛的应用。单光子探测器是量子信息技术和微光探测技术最关键的器件之一。

传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。超导体单光子技术光谱响应范围很广，响应恢复时间都很快，因此计数率很高，而且噪声非常小，暗计数率极低，这些方面性能都优于前两种单光子探测器，它们的出现势必给单光子探测相关学科带来巨大影响，加上它可以探测出光子到达时间和光子能量，在天文观测、高速量子通信等方面都有很大潜力。一旦这种探测器能够实用，将在量子信息技术和微光测量等领域的产生很大影响。

由于量子信息技术利用单个基本粒子如光子等对信息进行编码和操控，因此对单光子探测器提出了极其苛刻的性能要求，如探测效率，计数率，光谱响应范围，光子数分辨能力等等都必须远远超出先有器件性能。总体而言，不论光电倍增管还是基于APD的单光子探测器，其量子效率、暗计数、计数率等性能远不能满足量子信息技术等发展的需要。即使在传统的光纤通信和荧光光谱领域的应用，对单光子探测器的性能提高也非常迫切。

虽然人们已经采用更好的探测器设计(例如增加防反射(AR)涂层)以提高探测器的量子效率和响应速度，但是在通信波段到可见波段，目前报道的量子效率也只有在20％到40％之间。主要原因是超导薄膜很薄，仅几个纳米，多数光子被反射或透射丢失掉，光子的吸收效率很低。因此，进一步优化探测器的结构，提高光子被吸收的概率，提高***检测效率，是研究的一个重要方向。

另一方面，通常的超导纳米线单光子探测器都由一系列极窄的纳米线条组成，宽度只有百纳米甚至几十纳米，难以制作大面积探测器，目前国内比较成熟的工艺只能做到10μm×10μm左右，光接收面积非常有限，而且光接收面内有近一半区域为纳米线间隙，无法吸收利用光信号，这是所有超导纳米线单光子探测器所无法逾越的原理障碍。为了进一步提高超导纳米线单光子探测器的响应率，充分利用超导纳米线之间间隙的光信号，只能在器件结构上的寻求突破。

发明内容

本发明主要针对超导纳米线单光子探测器所面临的探测面积小、纳米线间隔区域无法利用、吸收效率低、响应率不够高的瓶颈，提供一种利用特异材料来将到达光敏面的光子汇聚到纳米线区域，解决非纳米线区域光信号无法利用的难题，从而增强光吸收效率和响应率的新型超导纳米线单光子探测器。

本发明所公开的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构，包括衬底1、金属反射层2、介质层3、超导纳米线4、介质隔离条5和非对称金属谐振环阵列6。在所述的衬底1上按照从下向上的顺序依次生长金属反射层2、介质层3、超导纳米线4、介质隔离条5和非对称金属谐振环阵列6。

所述的衬底1为氧化镁、硅、宝石、锗或硫化锌。

所述的金属反射层2为Au、Ag、Cu、Cr、Ti、Ni或Al反射层，可以将透过超导纳米线的信号光再反射回超导纳米线。

所述的透明介质层3为氧化硅、氧化镁、氧化钛、氧化锆、氧化铌、氧化铝，与金属反射层2共同构成谐振腔，使透过超导纳米线的信号光在谐振腔中谐振，被超导纳米线多次吸收，从而进一步提高探测器的吸收率和响应率。也可以不采用此结构。

所述的介质隔离条5位于非对称金属谐振环阵列6和超导纳米线4之间，以隔开非对称金属谐振环阵列6和超导纳米线4，避免二者相互导通。

所述的非对称金属谐振环阵列,6为特异材料结构，可使光强集聚至纳米线区域，大幅减少到达纳米线间隔不能被利用的光子，提高单光子探测器的吸收率和响应率。

本发明提供一种汇聚增强探测信号结构的制作方法，包括以下步骤：

1在衬底1上，镀上厚度为20nm～10μm的金属反射层2；

2利用等离子体增强化学气相沉积法或热蒸发方法生长出透明介质薄膜，形成50nm～100μm厚度的透明介质层3；

3通过溅射方法生长超导薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在10nm以内；

4通过电子束光刻方法在超导薄膜上形成叉指图案；

5通过离子束刻蚀、反应离子刻蚀方法对暴露出来的超导薄膜进行刻蚀，去胶后形成单根超导纳米曲折线；

6利用等离子体增强化学气相沉积法或热蒸发方法生长出氧化物薄膜形成1～50nm厚度的介质隔离层，形成介质隔离条5；

7然后通过正胶电子束光刻形成非对称谐振环阵列图案，单元尺寸为300nm×300nm～900nm×900nm，在图案上镀制一层厚度10nm～1000nm的金属，最后剥离形成本发明专利结构。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、可将入射的微弱光信号，通过周期性特异结构汇聚到面积很小的超导纳米线上，大幅降低到达超导纳米线间隔无效区域的光子数量与几率，显著提升超导纳米线单光子探测器的吸收率和响应率。

2、通过金属反射层-介质层-非对称金属谐振环谐振腔进一步极大地提高了超导纳米线单光子探测器的吸收效率，其吸收效率可达99％以上，其中纳米线可吸收95％以上。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构示意图；

图2为本发明中实施例1介质-非对称金属谐振环阵列结构的反射谱、、透射谱和吸收谱；

图3为本发明中实施例2金属-介质-非对称金属谐振环阵列结构的反射谱、吸收谱；

图4为本发明中实施例3金属-介质-非对称金属谐振环阵列结构的反射谱、吸收谱；

图5为本发明中实施例4金属-介质-非对称金属谐振环阵列结构的反射谱、吸收谱；

图6为本发明中实施例5金属-介质-非对称金属谐振环阵列结构的反射谱、吸收谱；

附图中标号为：

1 为衬底；

2 为金属反射层；

3 为透明介质层；

4 为超导纳米线；

5 为透明介质隔离层；

6 为非对称金属谐振环；

具体实施方式

实施例1

见图1，一种利用非对称金属谐振环实现高光吸收率、高响应率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底1、超导纳米线4、介质隔离层5和非对称金属谐振环阵列6。

NbN纳米线4、MgO介质隔离条5和非对称金属谐振环6按照从下向上的顺序依次生长在MgO衬底1上；NbN纳米线，厚度为5nm，宽度为120nm，相邻纳米线间隔为600nm，占空比为0.2；为了隔离超导NbN纳米线和非对称金属谐振环，在NbN上面生长了厚度为5nm的MgO隔离层；最后加工非对阵金属谐振环阵列，单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm，纳米线放置于谐振环下方并形成曲折线，两端加直流偏置，调整电路电阻值，使其工作电流工作在大约(0.95-0.99)I，其中I为临界电流。

上述汇聚增强光响应超导NbN纳米线单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在MgO衬底1上，通过溅射方法生长NbN薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在5nm；

②通过电子束光刻方法结合离子束刻蚀方法形成宽度为120nm、相邻间距600nm的曲折NbN纳米线；

③利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成5nm厚度的介质隔离层；

④在结构表面继续镀一层厚度100nm的金，然后通过正胶电子束光刻非对称谐振环阵列，单元为600nm×600nm，该阵列开口为纳米线正上方。

图2为该探测器的光吸收谱、透射谱和反射谱。它是在NbN纳米线厚度5nm，宽度120nm，间距600nm，MgO隔离层厚度5nm，非对阵金属谐振环阵列单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm时对应吸收谱、透射谱和反射谱，在1.55μm波长处有34％的光能量进入被吸收掉，其中被NbN纳米线吸收掉的光约占总能量的33％。

实施例2

见图1，本实施例的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构。

光子耦合谐振腔包括金属反射层2、MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离层5和非对称金属谐振环6形成金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚谐振结构。

金属反射层2、透明MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离条5和非对称金属谐振环6按照从下向上的顺序依次生长在MgO衬底1上；金属反射层2材料为金，厚度为100nm；透明MgO介质层3厚度为500nm；在MgO介质层上面制作NbN纳米线，厚度为5nm，宽度为120nm，相邻纳米线间隔为600nm，占空比为0.2；为了隔离超导NbN纳米线和非对称金属谐振环，在NbN上面生长了厚度为5nm的MgO隔离层；最后加工非对阵金属谐振环阵列，单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm，纳米线放置于谐振环下方并形成曲折线，两端加直流偏置，调整电路电阻值，使其工作电流工作在大约(0.95-0.99)I，其中I为临界电流。

上述汇聚增强光响应超导NbN纳米线单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

⑤在MgO衬底1上，镀上厚度为100nm的金属反射层2；

⑥利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成500nm厚度的透明介质层3；

⑦通过溅射方法生长NbN薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在5nm；

⑧通过电子束光刻方法结合离子束刻蚀方法形成宽度为120nm、相邻间距600nm的曲折NbN纳米线；

⑨利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成5nm厚度的介质隔离层；

⑩在结构表面继续镀一层厚度100nm的金，然后通过正胶电子束光刻非对称谐振环阵列，单元为600nm×600nm，该阵列开口为纳米线正上方。

图3为该探测器的光反射谱和吸收谱。它是在金属反射层2为100nm，透明介质层3为500nm，NbN纳米线厚度5nm，宽度120nm，间距600nm，MgO隔离层厚度5nm，非对阵金属谐振环阵列单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm时对应反射谱和吸收谱，在1.55μm波长处有99.5％的光能量进入被吸收掉，其中被NbN纳米线吸收掉的光占95.4％，电场增强效果可以达到10倍。

实施例3

见图1，本实施例的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构。

光子耦合谐振腔包括金属反射层2、MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离层5和非对称金属谐振环6形成金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚谐振结构。

金属反射层2、透明MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离条5和非对称金属谐振环6按照从下向上的顺序依次生长在MgO衬底1上；金属反射层2材料为金，厚度为100nm；透明MgO介质层3厚度为300nm；在MgO介质层上面制作NbN纳米线，厚度为5nm，宽度为120nm，相邻纳米线间隔为600nm，占空比为0.2；为了隔离超导NbN纳米线和非对称金属谐振环，在NbN上面生长了厚度为5nm的MgO隔离层；最后加工非对阵金属谐振环阵列，单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm，纳米线放置于谐振环下方并形成曲折线，两端加直流偏置，调整电路电阻值，使其工作电流工作在大约(0.95-0.99)I，其中I为临界电流。

上述汇聚增强光响应超导NbN纳米线单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在MgO衬底1上，镀上厚度为100nm的金属反射层2；

②利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成300nm厚度的透明介质层3；

③通过溅射方法生长NbN薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在5nm；

④通过电子束光刻方法结合离子束刻蚀方法形成宽度为120nm、相邻间距600nm的曲折NbN纳米线；

⑤利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成5nm厚度的介质隔离层；

⑥在结构表面继续镀一层厚度100nm的金，然后通过正胶电子束光刻非对称谐振环阵列，单元为600nm×600nm，该阵列开口为纳米线正上方。

图4为该探测器的光反射谱和吸收谱。它是在金属反射层2为100nm，透明介质层3为300nm，NbN纳米线厚度5nm，宽度120nm，间距600nm，MgO隔离层厚度5nm，非对阵金属谐振环阵列单元结构外径170nm、内径120nm、厚度100nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm时对应反射谱和吸收谱，在1.55μm波长处有30％的光能量进入被吸收掉。

实施例4

见图1，本实施例的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构。

光子耦合谐振腔包括金属反射层2、MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离层5和非对称金属谐振环6形成金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚谐振结构。

金属反射层2、透明MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离条5和非对称金属谐振环6按照从下向上的顺序依次生长在MgO衬底1上；金属反射层2材料为金，厚度为100nm；透明MgO介质层3厚度为300nm；在MgO介质层上面制作NbN纳米线，厚度为5nm，宽度为120nm，相邻纳米线间隔为600nm，占空比为0.2；为了隔离超导NbN纳米线和非对称金属谐振环，在NbN上面生长了厚度为5nm的MgO隔离层；最后加工非对阵金属谐振环阵列，单元结构外径170nm、内径120nm、厚度50nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm，纳米线放置于谐振环下方并形成曲折线，两端加直流偏置，调整电路电阻值，使其工作电流工作在大约(0.95-0.99)I，其中I为临界电流。

上述汇聚增强光响应超导NbN纳米线单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在MgO衬底1上，镀上厚度为100nm的金属反射层2；

②利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成300nm厚度的透明介质层3；

③通过溅射方法生长NbN薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在5nm；

④通过电子束光刻方法结合离子束刻蚀方法形成宽度为120nm、相邻间距600nm的曲折NbN纳米线；

⑤利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成5nm厚度的介质隔离层；

⑥在结构表面继续镀一层厚度50nm的金，然后通过正胶电子束光刻非对称谐振环阵列，单元为600nm×600nm，该阵列开口为纳米线正上方。

图5为该探测器的光反射谱和吸收谱。它是在金属反射层2为100nm，透明介质层3为300nm，NbN纳米线厚度5nm，宽度120nm，间距600nm，MgO隔离层厚度5nm，非对阵金属谐振环阵列单元结构外径170nm、内径120nm、厚度50nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为600nm×600nm时对应反射谱和吸收谱，在1.55μm波长处有32％的光能量进入被吸收掉。

实施例5

见图1，本实施例的高光吸收率、高响应率超导纳米线单光子探测器结构。

光子耦合谐振腔包括金属反射层2、MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离层5和非对称金属谐振环6形成金属-介质-金属(MIM)耦合汇聚谐振结构。

金属反射层2、透明MgO介质层3、NbN纳米线4、MgO介质隔离条5和非对称金属谐振环6按照从下向上的顺序依次生长在MgO衬底1上；金属反射层2材料为金，厚度为100nm；透明MgO介质层3厚度为300nm；在MgO介质层上面制作NbN纳米线，厚度为5nm，宽度为120nm，相邻纳米线间隔为600nm，占空比为0.2；为了隔离超导NbN纳米线和非对称金属谐振环，在NbN上面生长了厚度为5nm的MgO隔离层；最后加工非对阵金属谐振环阵列，单元结构外径170nm、内径120nm、厚度50nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为800nm×800nm，纳米线放置于谐振环下方并形成曲折线，两端加直流偏置，调整电路电阻值，使其工作电流工作在大约(0.95-0.99)I，其中I为临界电流。

上述汇聚增强光响应超导NbN纳米线单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在MgO衬底1上，镀上厚度为100nm的金属反射层2；

②利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成300nm厚度的透明介质层3；

③通过溅射方法生长NbN薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在5nm；

④通过电子束光刻方法结合离子束刻蚀方法形成宽度为120nm、相邻间距600nm的曲折NbN纳米线；

⑤利用等离子体增强化学气相沉积法生长出MgO薄膜形成5nm厚度的介质隔离层；

⑥在结构表面继续镀一层厚度50nm的金，然后通过正胶电子束光刻非对称谐振环阵列，单元为800nm×800nm，该阵列开口为纳米线正上方。

图6为该探测器的光反射谱和吸收谱。它是在金属反射层2为100nm，透明介质层3为300nm，NbN纳米线厚度5nm，宽度120nm，间距600nm，MgO隔离层厚度5nm，非对阵金属谐振环阵列单元结构外径170nm、内径120nm、厚度50nm，材料为金，未开口部分对应角度分别为140度和160度，单元周期为800nm×800nm时对应反射谱和吸收谱，在1.55μm波长处有90％的光能量进入被吸收掉。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底(1)、金属反射层(2)、介质层(3)、超导纳米线(4)、介质隔离条(5)和非对称金属谐振环阵列(6)，其特征在于：

所述的探测器的结构为：在所述的衬底(1)上依次生长金属反射层(2)、介质层(3)、超导纳米线(4)、介质隔离条(5)和非对称金属谐振环阵列(6)；所述的介质隔离条(5)位于非对称金属谐振环阵列(6)和超导纳米线(4)之间，以隔开非对称金属谐振环阵列(6)和超导纳米线(4)；超导纳米线(4)和介质隔离条(5)位于透明介质层(3)经刻蚀形成的凹槽内，在超导纳米线(4)和介质隔离条(5)生长填充凹槽后介质隔离条(5)上表面与透明介质层(3)未刻槽部分平面处于同一水平面，凹槽无空隙，非对称金属谐振环阵列(6)生长其上，非对称金属谐振环阵列(6)的单元开口位于超导纳米线(4)上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述的衬底(1)为氧化镁、硅、宝石、锗或硫化锌。

3.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述的金属反射层(2)为Au、Ag、Cu、Cr、Ti、Ni或Al反射层，厚度为20nm～10μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述的透明介质层(3)为氧化硅、氧化镁、氧化钛、氧化锆、氧化铌、氧化铝，厚度范围为50nm～100μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述的超导纳米线(4)为NbN、WSi、NbSi或TaN,厚度范围为1nm～10nm，宽度范围为10nm～300nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述的介质隔离条(5)氧化硅、氧化镁、氧化钛、氧化锆、氧化铌或氧化铝层厚度范围为1nm～100nm，宽度范围为1nm～50nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，非对称金属谐振环阵列(6)材料为Au、Ag、Cu、Cr、Ti、Ni或Al，厚度范围为10nm～1000nm；，该谐振环是由开口角度大小相同均为10°～50°，位置于同一侧的金属环加工而成，单元尺寸为300nm×300nm～900nm×900nm。

8.一种如权利要求1所述的基于特异材料增强响应率的超导纳米线单光子探测器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在衬底(1)上，镀上厚度为20nm～10μm的金属反射层(2)；

2)利用等离子体增强化学气相沉积法或热蒸发方法生长出透明介质薄膜，形成50nm～100μm厚度的透明介质层(3)；

3)通过溅射方法生长超导薄膜，为了确保其超导电性，薄膜厚度控制在10nm以内；

4)通过电子束光刻方法在超导薄膜上形成叉指图案；

5)通过离子束刻蚀、反应离子刻蚀方法对暴露出来的超导薄膜进行刻蚀，去胶后形成单根超导纳米曲折线；

6)利用等离子体增强化学气相沉积法或热蒸发方法生长出氧化物薄膜形成1～50nm厚度的介质隔离层，形成介质隔离条(5)；

7)然后通过正胶电子束光刻形成非对称谐振环阵列图案，单元尺寸为300nm×300nm～900nm×900nm，在图案上镀制一层厚度10～1000nm的金属，最后剥离形成超导纳米线单光子探测器结构。