CN111947794B - 一种超导纳米线单光子探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外单光子探测技术领域，具体涉及一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，具体为：在衬底基片上制备纳米线台阶结构；在具有所述纳米线台阶结构的基片上制备超导材料形成超导纳米线结构；采用掩膜板A在所述超导纳米线结构的两端制备金属电极接触层；采用掩膜板B在所述超导纳米线结构和金属电极接触层上制备绝缘保护层。该制备方法通过先在衬底基片上制备纳米线台阶结构，后在具有纳米线台阶的基片上制备超导材料形成超导纳米线结构，避免了对超导材料进行光刻与刻蚀加工，这种制备方法可以实现超导纳米线结构的制备并避免超导材料受到加工工艺的影响，保证超导纳米线器件的稳定性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外单光子探测技术领域，具体涉及一种超导纳米线单光子探测器的制备方法。
背景技术
单光子探测器(single-photon detector)依靠其十分灵敏的探测能力来记录光子这一基本量子体系，他在现代科学与工程的各个领域有着十分重要的应用价值。在过去的几十年中各种各样的单光子探测器件和技术在量子光学和传统光学中都有着巨大的作用，为基础物理的研究和可见光及红外探测都做出了积极的贡献。不同的单光子探测器有各自的优缺点，其中超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire singlephoton detector，SNSPD)是一种极具潜力的低噪声红外光子探测器件。SNSPD作为新型的单光子器件，能够同时具备探测效率高、响应频谱宽、暗计数率小、时间抖动低、重复速率快等优点，在量子信息、单光子表征、集成电路检测、高速光通讯和分子荧光检测等领域具有重要的应用价值。
超导纳米线单光子探测器是一种基于超导薄膜由超导态向正常态转变的微弱光子信号检测器件。超导纳米线单光子探测器的最基本单元是一根由超薄的超导材料薄膜通过为加工手段制备而成的蜿蜒纳米线。纳米线的厚度通常小于10nm，宽度在150nm左右，为了与单模光纤耦合，蜿蜒的纳米线往往覆盖不小于15μm×15μm的区域，因此，线条的整个长度往往在1mm以上。探测器通过4.2K的液氦或者更低温的GM制冷机制冷，获得适宜的工作环境。处在超导态的超导材料纳米线本身是不能探测到光子的，我们人为的给SNSPD加载一个恒定的偏置电流，此时纳米线条上获得均匀的电流，该电流小于纳米线的临界电流，因此，纳米线仍然处于超导状态，当光子入射后，超导纳米线材料吸收了光子的能量产生阻态，超导电流无法进入阻态区域而被挤兑，增大了热点周围的电流密度，超过了临界电流密度，整个范围的纳米线失超，形成电阻势垒，从而改变电路的状态产生电压响应。焦耳热作用在电阻势垒区域，使其电阻增大，直到偏置电流被外部电路负载吸收，由于焦耳热的散失，纳米线逐渐冷却，当温度低于转变温度，重新回到超导态。
自从2001年Gol’tsman等人采用超导材料氮化铌(NbN)首次验证成功以来，SNSPD就以其高效的红外探测效率、快的恢复时间、低的暗计数和低的时间抖动吸引了研研究者的广泛关注(G.Gol′Tsman，O.Okunev，G.Chulkova，et al.Picosecond superconductingsingle-photon optical detector[J].Applied Physics Letters，2001，79：705-707)。近十几年，在世界各大科研单位的不懈努力下，SNSPD的各项性能已经都获得了突破的发展和进步。根据目前相关报道 SNSPD的最高***探测效率可以达到93％，探测速度能到百兆赫兹，时间抖动最小18ps，暗计数小于1cps，光子数分辨能力最高可以达到24个光子，最多能一个阵列器件上制备64 个单元。基于SNSPD如此卓越的性能，尽管探测***需要复杂的降温设备，它也仍然逐渐成为半导体光子探测器的有力竞争对手(尤立星.超导纳米线单光子探测现状与展望[J].红外与激光工程，2018，47(12)：9-14)。纳米线结构的改进很大的提高了器件的耦合效率，为了进一步提高***的探测效率，2006年MIT(MassachusettsInstitute of Technology)研究小组对器件的结构进行了改进，将器件制备成背面入射的形式，在器件的上方通过金属反射镜构成谐振腔，提高纳米线的吸收效率并在器件的背面制备一层减反层降低基底对入射光的反射率，这种利用谐振腔增大纳米线吸收效率的结构让器件的探测效率得到了很大的提高，测量结果显示：探测效率η＝57％@1550nm，η＝67％@1064nm(徐睿莹.超导纳米线单光子探测器的偏振特性研究[D].南京大学，2019)。中国科学院上海微***与信息技术研究所尤立星课题组报道了在1550nm的低光子通量极限下，利用9根相互交错的纳米线阵列，实现了70％***探测效率(SDE)和200Hz暗计数率的高速SNSPD阵列。在光子通量为1.26×1010光子/s 时，其最大计数率达到了0.93GHz，此时SDE为～7.4％；当计数率为200MHz时，其 SDE超过了50％(基于9根相互交错纳米线结构的高速超导纳米线单光子测器取得重要进展 [J].技术与市场，2018，25(09)：4)。
综上所述，超导纳米线单光子探测器在很多领域潜力巨大，为了将超导薄膜加工成纳米线器件，一般需要对其进行紫外光刻或电子束刻蚀，而微结构器件制作工艺需要使材料表面接触各种化学物质，如光刻胶、显影液、各种有机溶剂等，但是，这些制备工艺和化学物质容易对超导薄膜的特性产生影响，甚至使其失去超导特性。因此，优化纳米线器件的加工工艺，降低或者避免加工工艺对超导材料与器件性能的影响十分重要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，制备过程中避免直接对超导薄膜进行光刻和刻蚀加工，保证超导薄膜和纳米线器件的性能稳定。
为了实现上述目的，本发明提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底基片10(如图1和6)上制备纳米线台阶结构20，如图2和7所示，所述纳米线台阶结构采用光刻与离子刻蚀技术；
(2)在所述具有纳米线台阶结构20的基片上采用分子束外延、磁控溅射等方法制备超导材料形成超导纳米线结构30，如图3和8所示；
(3)采用掩膜板A40采用电子束蒸发或者热蒸发方法在所述超导纳米线结构31的两端制备金属电极接触层41，如图4和9所示；
(4)采用掩膜板B50采用电子束蒸发在所述超导纳米线结构30和金属电极接触层41上制备绝缘保护层51，如图5和10所示。
进一步的，步骤(1)中的衬底基片包括钛酸锶、硅、氧化硅、砷化镓、蓝宝石中的任意一种。
进一步的，步骤(1)中的纳米线台阶结构采用光刻与离子刻蚀工艺制备。
进一步的，所述纳米线台阶结构由中心的蜿蜒纳米线和两端的电极接触面构成。
更进一步的，蜿蜒纳米线区域的面积为50μm2～500μm2，纳米线线宽为50～300nm，间距为80～300nm；纳米线两端与电极接触面相连，每个电极接触面的面积为 60×60μm2～200×200μm2；纳米线台阶结构的高度为50～500nm，侧壁与基片的夹角为 70°～90°。
进一步的，步骤(2)中的超导材料包括氮化铌、铌钛氮、硅化钨、二硼化镁、铁基超导、铜基超导中的任意一种。
进一步的，步骤(2)中的超导材料采用分子束外延或磁控溅射方法制备，超导材料厚度为5～20nm。
进一步的，步骤(2)中超导纳米线结构由超导材料覆盖在纳米线台阶结构上而得；超导纳米线结构与纳米线台阶结构形状一致。
进一步的，步骤(3)中制备金属电极接触层时，将掩膜板A与基片接触，遮挡中心的蜿蜒纳米线区域，露出两端的电极接触面，制备的金属电极触层完全覆盖两端的电极接触面；金属电极接触层采用电子束蒸发或者热蒸发方法制备，金属电极接触层材料为金、钛、铝、镍、铬中的任意一种或至少两种的合金制成，厚度为50～400nm。
进一步的，步骤(4)中制备绝缘保护层时，将掩膜板B与基片接触，遮挡部分电极接触面区域，露出中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面区域，制备的绝缘保护层覆盖中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面；绝缘保护层材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种，采用电子束蒸发方法制备，绝缘保护层厚度为50～300nm。
综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)本发明通过先在衬底基片上制备纳米线台阶结构，后在具有纳米线台阶的基片上制备超导材料形成超导纳米线结构，避免了对超导材料进行光刻与刻蚀加工，这种制备方法可以实现超导纳米线结构的制备并避免超导材料受到加工工艺的影响，保证超导纳米线器件的稳定性能；
(2)本发明采用掩膜板在超导纳米线结构上制备金属电极和绝缘保护层，避免传统的电极与保护层图形化工艺对超导纳米线特性的影响，有效保证器件性能的稳定；
(3)本发明制备工艺简单，兼容性好，可广泛应用于红外单光子探测器技术领域。
附图说明
图1到图5是本发明的简易制备流程的剖面示意图；
图6到图10是本发明的简易制备流程的俯视图；
图11是实施例1中的超导纳米线版图结构示意图；
图12是实施例1中制备的超导纳米线结构的SEM图。
图中标记为：10-衬底基片；20-纳米线台阶结构；30-超导纳米线结构；40-掩膜板A；41- 金属电极接触层；50-掩膜板B；51-绝缘保护层。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合图1-4和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底基片10(如图1和图6)上制备纳米线台阶结构20；如图2和图7所示，所述纳米线台阶结构采用光刻与离子刻蚀技术；
(2)在所述具有纳米线台阶结构20的基片上采用分子束外延、磁控溅射等方法制备超导材料形成超导纳米线结构30，如图3和图8所示；
(3)采用掩膜板A 40采用电子束蒸发或者热蒸发方法在所述超导纳米线结构31的两端制备金属电极接触层41，如图4和图9所示；
(4)采用掩膜板B 50采用电子束蒸发在所述超导纳米线结构30和金属电极接触层41上制备绝缘保护层51，如图5和图10所示。
步骤(1)中的衬底基片10包括钛酸锶、硅、氧化硅、砷化镓、蓝宝石中的任意一种。
步骤(1)中的纳米线台阶结构20采用光刻与离子刻蚀工艺制备。
纳米线台阶结构20由中心的蜿蜒纳米线和两端的电极接触面构成。
蜿蜒纳米线区域的面积为50μm2～500μm2，纳米线线宽为50～300nm，间距为 80～300nm；纳米线两端与电极接触面相连，每个电极接触面的面积为 60×60μm2～200×200μm2；纳米线台阶结构的高度为50～500nm，侧壁与基片的夹角为 70°～90°。
步骤(2)中的超导材料包括氮化铌、铌钛氮、硅化钨、二硼化镁、铁基超导、铜基超导中的任意一种。
步骤(2)中的超导材料采用分子束外延或磁控溅射方法制备，超导材料厚度为5～20nm。
步骤(2)中超导纳米线结构30由超导材料覆盖在纳米线台阶结构20上而得；超导纳米线结构30与纳米线台阶结构20形状一致。
步骤(3)中制备金属电极接触层41时，将掩膜板A40与基片接触，遮挡中心的蜿蜒纳米线区域，露出两端的电极接触面，制备的金属电极触层41完全覆盖两端的电极接触面；金属电极接触层41采用电子束蒸发或者热蒸发方法制备，金属电极接触层材料为金、钛、铝、镍、铬中的任意一种或至少两种的合金制成，厚度为50～400nm。
步骤(4)中制备绝缘保护层51时，将掩膜板B50与基片接触，遮挡部分电极接触面区域，露出中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面区域，制备的绝缘保护层51覆盖中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面；绝缘保护层材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种，采用电子束蒸发方法制备，绝缘保护层厚度为50～300nm。
实施例1
如图1所示，一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择STO(钛酸锶)基片为器件衬底基片，STO衬底基片的厚度为500μm，清洗STO基片表面去除沾污，并对STO基片在200℃下进行烘烤，烘烤时间30分钟，除去表面的水汽，如图1所示；
(2)采用光刻与离子刻蚀技术对衬底基片进行刻蚀，电子束曝光版图，如图11所示，采用Ar进行离子刻蚀，刻蚀深度为60nm，如图2所示，蜿蜒纳米线区域的面积为 15×15μm2，纳米线线宽为150nm，间距为150nm。侧壁与基片的夹角为85°，刻蚀后纳米线 SEN结构，如图12所示；
(3)采用分子束外延技术在纳米线台阶上外延生长铁基超导材料，铁基超导材料的厚度为2nm，如图3所示；
(4)将掩模板A与STO衬底基片接触，遮挡中心的蜿蜒纳米线区域，露出两端的电极接触面，采用电子束蒸发的方法制备一层Au电极，Au电极的大小为200×300μm2，Au的厚度为100nm，如图4所示；
(5)将掩模板B与基片接触，遮挡部分电极接触面区域，露出中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面区域，采用电子束蒸发的方法制备一层氧化硅保护层，氧化硅的厚度为250nm，如图5所示。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种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：
(1)在衬底基片(10)上制备纳米线台阶结构(20)；
(2)在具有所述纳米线台阶结构(20)的基片上制备超导材料形成超导纳米线结构(30)；
(3)采用掩膜板A(40)在所述超导纳米线结构(30)的两端制备金属电极接触层(41)；
(4)采用掩膜板B(50)在所述超导纳米线结构(30)和金属电极接触层(41)上制备绝缘保护层(51)；
步骤(3)中制备金属电极接触层(41)时，将掩膜板A(40)与基片接触，遮挡中心的蜿蜒纳米线区域，露出两端的电极接触面，制备的金属电极触层(41)完全覆盖两端的电极接触面；金属电极接触层(41)采用电子束蒸发或者热蒸发方法制备，金属电极接触层材料为金、钛、铝、镍、铬中的任意一种或至少两种的合金制成，厚度为50～400nm；
步骤(4)中制备绝缘保护层(51)时，将掩膜板B(50)与基片接触，遮挡部分电极接触面区域，露出中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面区域，制备的绝缘保护层(51)覆盖中心的蜿蜒纳米线和部分电极接触面；绝缘保护层材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种，采用电子束蒸发方法制备，绝缘保护层厚度为50～300nm。
2.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的衬底基片(10)包括钛酸锶、硅、氧化硅、砷化镓、蓝宝石中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的纳米线台阶结构(20)采用光刻与离子刻蚀工艺制备。
4.根据权利要求1或3所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，所述纳米线台阶结构(20)由中心的蜿蜒纳米线和两端的电极接触面构成。
5.根据权利要求4所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，蜿蜒纳米线区域的面积为50μm2～500μm2，纳米线线宽为50～300nm，间距为80～300nm；纳米线两端与电极接触面相连，每个电极接触面的面积为60×60μm2～200×200μm2；纳米线台阶结构的高度为50～500nm，侧壁与基片的夹角为70°～90°。
6.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的超导材料包括氮化铌、铌钛氮、硅化钨、二硼化镁、铁基超导、铜基超导中的任意一种。
7.根据权利要求1或6所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的超导材料采用分子束外延或磁控溅射方法制备，超导材料厚度为5～20nm。
8.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中超导纳米线结构(30)由超导材料覆盖在纳米线台阶结构(20)上而得；超导纳米线结构(30)与纳米线台阶结构(20)形状一致。
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