一種帶相位光柵的超導單光子探測器及其製備方法

2023-06-14 07:53:26

一種帶相位光柵的超導單光子探測器及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶相位光柵的超導單光子探測器及其製備方法。該帶相位光柵的超導單光子探測器在常規基於基於氮化鈮的超導單光子探測器的納米線區上設置有相位光柵。相位光柵的柵高為入射光波長π相位對應的厚度的奇數倍。在納米線區上的相位光柵對光束產生幹涉聚焦效果，氮化鈮納米線位於焦點位置，從而提高了氮化鈮納米線對光子的吸收效率。仿真結果表明，該帶相位光柵的超導納米線單光子探測器，在可見光和紅外的多個頻率段，均具有很高的探測效率，在850nm波長，光子的吸收效率高達72%。
【專利說明】一種帶相位光柵的超導單光子探測器及其製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高靈敏的單光子或極微弱光信號檢測器，特別涉及基於氮化鈮的超導單光子探測器，可應用於可見光和近紅外波段的單光子或極微弱光信號的檢測。

【背景技術】
[0002]超導納米線單光子探測器是目前國際上研究最為熱門的單光子探測器結構，它利用很薄的超導薄膜(通常厚度為4nm到8nm)，製備成寬SOnm的納米線，在超導臨界溫度以下，通以低於超導臨界電流的偏置電流，當光子打在納米線上被納米線吸收形成熱島，使得納米線上電流密度大於超導電流密度，從而失超，產生一個電壓脈衝，被讀出電路獲得，得到一個光子的響應。目前用來做納米線的超導材料主要是氮化鈮和鈮鈦氮兩種，隨著超導材料的研究，更多的材料例如矽化鎢，矽化鈮等被應用到製備超導單光子器件上來。但是目前由於氮化鈮薄膜本身對光的吸收效率並不高，導致超導單光子探測器的系統探測效率低下。同時由於超導納米線單光子探測器的探測速率與納米線的動態電感有關，動態電感越大，探測速率越低，而動態電感與納米線長度成線性關係，考慮到探測速率和降低動態電感，對納米線長度，即有效探測面積有所要求，所以大面積的超導單光子探測器難製備。


【發明內容】

[0003]本發明所要解決的問題是提高納米線吸收光子的效率，提高探測器的靈敏度。
[0004]為解決上述問題，本發明採用的方案如下:
[0005]一種帶相位光柵的超導單光子探測器，在超導單光子探測器的納米線區上設置有相位光柵；所述相位光柵的柵高為入射光波長31相位對應的厚度的奇數倍。
[0006]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，該超導單光子探測器基於氮化鈮。
[0007]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，包括高阻矽襯底、反射層、氮化鈮納米線和相位光柵；所述氮化鈮納米線鋪設在反射層上，形成納米線區；所述放射層由透明材料製成，鋪設在高阻矽襯底上，位於氮化鈮納米線與高阻矽襯底之間；所述氮化鈮納米線的兩端設置有電極；所述相位光柵設置於氮化鈮納米線上，由透明材料製成。
[0008]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，所述反射層和相位光柵由二氧化矽材料製成。
[0009]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，所述相位光柵的厚度為
(2/7-ιμ
^其中，λ為入射光波長，II1為相位光柵材料折射率，η為正整數。
[0010]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，所述反射層的厚度為(2/?-1)λ
~其中，λ為入射光波長，Ii1為反射層材料折射率，η為正整數。
[0011]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，所述相位光柵的柵高為 ηλ
2(/7| _/7 )其中，λ為入射光波長,Ii1為相位光柵材料折射率，η2為相位光柵外介質的折射率，η為正整數。
[0012]進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器的製備方法，包括如下步驟:
[0013]S1:在高阻矽襯底上生長二氧化矽放射層；
[0014]S2:在二氧化矽放射層上採用磁控濺射的工藝生長氮化鈮薄膜；
[0015]S3:在氮化鈮薄膜上採用光刻工藝製備金薄膜電極；
[0016]S4:採用電子束曝光套刻並使用反應離子刻蝕機刻蝕製備氮化鈮納米線；
[0017]S5:在氮化鈮納米線上生長二氧化矽相位光柵層；
[0018]S6:在二氧化娃相位光柵層上光刻並用刻蝕的方法製備出相位光柵。
[0019]本發明的技術效果如下:本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器在納米線區上的相位光柵對光束產生幹涉聚焦效果，氮化鈮納米線位於焦點位置，從而提高了氮化鈮納米線對光子的吸收效率。仿真結果表明，該帶相位光柵的超導納米線單光子探測器，在可見光和紅外的多個頻率段，均具有很高的探測效率，在850nm波長，光子的吸收效率高達72%，在 684nm, 732nm, 924nm, 1256nm和 1426nm吸收效率分別達到 70%，60.73% , 61.7% ,41.2%，and46.5%。。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的超導單光子探測器的結構示意圖。
[0021]圖2是本發明的超導單光子探測器的去除相位光柵後的立體結構示意圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合說明書附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0023]一、帶相位光柵的超導單光子探測器的結構
[0024]如圖1、圖2所示，一種帶相位光柵的超導單光子探測器，包括高阻矽襯底1、反射層2、氮化鈮納米線3和相位光柵5。氮化鈮納米線3鋪設在反射層2上，形成納米線區。放射層2由透明材料製成，具體來說為二氧化矽。放射層2鋪設在高阻矽襯底I上，位於氮化




(2/7-1)/.鈮納米線3與高阻矽襯底I之間。放射層2的厚度L滿足^~其中，λ為入射光波

碼 ，
長，Ii1為反射層材料折射率，η為正整數。在氮化鈮納米線3的兩端設置有電極4。電極4由金(Au)製成。相位光柵5設置於氮化鈮納米線2上，由透明材料製成，具體來說由二氧


(2/7-1)Λ
化矽製成。相位光柵5的厚度D滿足 2ff| 其中，λ為入射光波長，II1為反射層材料折射率，η為正整數。相位光柵5上設有柵臺51。柵臺51的高H，即柵高，為入射光波長π相ηλ
位對應的厚度的奇數倍，具體來說_2in -tu)其中，λ為入射光波長，ηι為相位光柵材

H= ^ 1 ；
料折射率，n2為相位光柵外介質的折射率，η為正整數。
[0025]本實施例中的相位光柵和反射層由二氧化矽製成，本領域技術人員理解，也可以採用其透明材料製成。此外，本實施例是基於氮化鈮的超導單光子探測器，本領域技術人員理解，也可以採用基於鈮鈦氮等其他材料的超導單光子探測器。
[0026]本發明的原理如下，當光波從上表面入射經過相位光柵5時，由於柵臺51的存在，使一束光分為兩束存在η相位的光，相互幹涉，形成明暗相間的條紋，對入射光波產生會聚效果，氮化鈮納米線位於焦點位置，光經過納米線部分被吸收，其他部分透過納米線繼續前行，到二氧化矽與矽界面，由於兩層二氧化矽厚度剛好是半波長的整數倍，絕大部分光子被反射回，光子將局域在二氧化矽層光學腔中，直到全部被氮化鈮納米線吸收。
[0027]二、帶相位光柵的超導單光子探測器的製備方法
[0028]上述實施例中帶相位光柵的超導單光子探測器的製備方法包括如下步驟:
[0029]S1:在高阻矽(Si)襯底I上採用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)工藝製備二氧化矽(S12)反射層2，二氧化矽反射層2作為光學諧振腔的一部分並且作為氮化鈮(NbN)薄膜生長的襯底。
[0030]S2:在二氧化矽反射層2上採用直流磁控濺射工藝生長8nm厚的氮化鈮薄膜。
[0031]S3:在氮化鈮薄膜上採用光刻和射頻磁控濺射生長金薄膜，再通過剝離製備出金電極4。
[0032]S4:通過電子束曝光系統套刻和反應離子刻蝕(RIE)製備蜿蜒的氮化鈮納米線3。
[0033]S5:使用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)生長二氧化矽光柵層。
[0034]S6:使用光刻和反應離子刻蝕(RIE)刻蝕溝槽，製備出相位光柵5。
【權利要求】
1.一種帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，在超導單光子探測器的納米線區上設置有相位光柵；所述相位光柵的柵高為入射光波長H相位對應的厚度的奇數倍。
2.如權利要求1所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，該超導單光子探測器基於氮化鈮。
3.如權利要求1所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，包括高阻矽襯底、反射層、氮化鈮納米線和相位光柵；所述氮化鈮納米線鋪設在反射層上，形成納米線區；所述放射層由透明材料製成，鋪設在高阻矽襯底上，位於氮化鈮納米線與高阻矽襯底之間；所述氮化鈮納米線的兩端設置有電極；所述相位光柵設置於氮化鈮納米線上，由透明材料製成。
4.如權利要求3所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，所述反射層由二氧化矽材料製成。
5.如權利要求3所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，所述相位光柵由二氧化矽材料製成。
6.如權利要求3所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，所述相位光柵
(2/7 - ιμ的厚度為2/?1 其中，λ為入射光波長，I為相位光柵材料折射率，η為正整數。
7.如權利要求3所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，所述反射層的 (2/7 - \ )λ厚度為~其中，λ為入射光波長，H1為反射層材料折射率，η為正整數。

?
8.如權利要求3所述的帶相位光柵的超導單光子探測器，其特徵在於，所述相位光柵
ηλ的柵高為2(λ 其中，λ為入射光波長,II1為相位光柵材料折射率，η2為相位光柵外介質的折射率，η為正整數。
9.如權利要求3至8中任一項所述的帶相位光柵的超導單光子探測器的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 51:在高阻矽襯底上生長二氧化矽放射層； 52:在二氧化矽放射層上採用磁控濺射的工藝生長氮化鈮薄膜； 53:在氮化鈮薄膜上採用光刻工藝製備金薄膜電極； 54:採用電子束曝光套刻並使用反應離子刻蝕機刻蝕製備氮化鈮納米線； 55:在氮化鈮納米線上生長二氧化矽相位光柵層； 56:在二氧化娃相位光柵層上光刻並用刻蝕的方法製備出相位光柵。
【文檔編號】H01L31/18GK104167452SQ201410395986
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】康琳, 顧敏, 張蠟寶, 吳培亨 申請人:南京大學