具有強吸收結構的高速snspd及其製備方法
2023-10-06 13:36:04
專利名稱：具有強吸收結構的高速snspd及其製備方法
技術領域：
本發明屬於單光子探測領域，適用於在近紅外波段實現超快速以及高效率的單光子探測，涉及一種具有強吸收結構的高速SNsro及其製備方法。
背景技術：
近年來，G.N. Gol，tsman et al. , 「Picosecond superconducting single-photonoptical detector,，，Applied Physics Letter, vol. 79, pp. 705 - 707, 2001.記載的超導納米線單光子探測器(SNsro)，由於其在可見光和紅外波段優異的單光子探測能力、超高計數率、低的暗計數、很小的時間抖動越來越受到人們廣泛的關注，尤其是其在近紅外波段能實現的量子效率和最高計數率均已超過已有的基於複合半導體材料的雪崩光電二極體，使得其已經成為量子通訊和遠程光通信等領域最有力的候選探測器。目前，由最常用的氮 化鈮(NbN)超導材料做成的SNSPD的本徵量子效率可以達到90%以上，但它有限的光吸收率成了限制SNSH)總系統量子效率的一個瓶頸。由於SNSPD的核心感光區域是由超薄的納米線構成的，所以它對入射光子的吸收率非常有限，光子會以相當一部分的概率從納米線之間的間隙穿過，或者直接穿過薄膜，又或者從超導薄膜反射回去。K.M. Rosfjord etal. , 「Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity andanti-reflection coating,，，0ptics Express, vol. 14, pp. 527 - 534, 2006.記載著給 SNSPD增加光學諧振腔結構來顯著提高其光子吸收率的方法。但對於比較典型的4nm厚、50%佔空比的NbN納米線來說，用這種方法只能得到70%左右的吸收率。如果要進一步提高吸收率，則需要增加納米線的佔空比或者厚度，但前者在樣品製備上提出了更苛刻的要求，而後者會導致探測器本徵量子效率的下降。US 2012/0077680ΑΓ<Nanowire-based detector』K.K. Berggren, X. Hu, D. Masciarelli等人提出的基於納米天線增加吸收率的方法可以在4nm厚、50%佔空比NbN納米線的條件下，可以實現接近於100%的吸收率，但這種方案同樣在樣品製備上提出了比較高的要求，最終實驗結果表明其成品率並不高。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種具有強吸收結構的高速SNSro及其製備方法，可在低佔空比的條件下實現高吸收率，具有結構簡單、工藝可控的特點。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案分別是一種具有強吸收結構的高速SNSPD，包括底層Si襯底一 1，在底層Si襯底一 I沉積有多層Si/Si02周期排布構成的布拉格反射鏡2，布拉格反射鏡2頂端設置有外延單晶Si形成的底層諧振腔一 3，在底層諧振腔一 3上方有超導納米線一 4，超導納米線一 4上有上層空氣諧振腔5，上層空氣諧振腔5上方有Si片6，Si片6上有防反射膜一 7。所述布拉格反射鏡2由多層Si/Si02間隔周期排列而成，周期數在3以上，每一層的厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一，最下方的一層SiO2在Si襯底一 I上。
所述超導納米線的厚度一般在4-6nm之間，寬度一般在20_200nm之間，採用的超導材料為 NbN、NbTiN, TaN, NbSi、Nb 或者 WxSi1^所述底層諧振腔一 3由SOI襯底的外延單晶Si層擔當，厚度需要事先通過仿真來優化，優化值為入射光在該介質內等效波長的二分之一左右，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。所述上層空氣諧振腔5由Au-Au鍵合工藝完成，，厚度需要事先通過仿真來優化，優化值為入射光波長的四分之一左右，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。所述防反射膜一 7折射率在I. 7-2. O之間，厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一，可以用Al2O3等材料。本發明同時提供了製備權利上述結構高速SNSPD的方法，包括如下步驟
(a)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層；(b)氧化SOI襯底，過程中控制SiO2的厚度；(c)用CVD方法生長多晶Si層，並部分氧化Si層，得到SiO2層，如此反覆η次，得到η+1個周期的Si/Si02布拉格反射鏡；(d)用Si-Si鍵合的方法，把上述襯底和另一個Si片鍵合在一起，作為新的襯底；Ce)分別用氫氟酸緩衝腐蝕液和KOH腐蝕液依次腐蝕SOI襯底背面的SiO2和Si層，再用氫氟酸緩衝腐蝕液去掉單晶Si層底部的SiO2埋層，露出單晶Si層；(f)在單晶Si層上生長超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕形成超導納米線；(g)在超導納米線上方製作Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路，同時為後續的Au-Au鍵合做準備；(h)再準備一個雙面拋光的Si片，先在其中一面用ALD或者濺射等方法製備Al2O3薄膜，在另一面，製作Au/Ti圖形；(i)通過Au-Au鍵合的方法，最終形成上層空氣諧振腔，上層空氣諧振腔的厚度通過控制兩邊Au/Ti層的厚度決定。本發明一種具有強吸收結構的高速SNSPD的第二種結構，包括金屬薄膜反射鏡8，金屬薄膜反射鏡8下方有透明介質材料構成的上層諧振腔9，上層諧振腔9下方為超導納米線二 10，超導納米線二 10下方為外延單晶Si層11，外延單晶Si層11下方為Si襯底二12，Si襯底二 12朝向外延單晶Si層11開有底層諧振腔二 13，Si襯底二 12下方有防反射
膜二 14。所述透明介質材料為SiO2,上層諧振腔9厚度需要事先通過仿真來優化，優化值為入射光在該介質內等效波長的四分之一左右，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。所述金屬薄膜反射鏡8由60nm以上厚度的Au膜構成，與構成上層諧振腔9的介質材料之間有l_2nm厚度的Ti作為粘附層。所述底層諧振腔二 13由外延單晶Si層11和空氣層構成，空氣層的厚度為入射光波長的四分之一，外延單晶Si層11的厚度需要事先通過仿真來優化，優化值為入射光波長的二分之一左右，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。製備上述第二種結構高速SNSPD的方法，包括如下步驟(a)準備一個雙面拋光的Si片，在其中一面刻出凹槽；(b)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層，用Si-Si鍵合的方法，把SOI襯底和上述帶有凹槽的Si片鍵合在一起；(c)用KOH腐蝕液腐蝕SOI襯底的背Si層，再用氫氟酸緩衝腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層；(d)在單晶Si層上濺射生長超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕形成超導納米線；襯底的另一面用製備Al2O3薄膜作為防反射膜；(e)在超導納米線上製作Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路；最後製作 上層諧振腔和反射鏡。 與現有技術相比，本發明的有益效果是基於聞折射率入射介質和空氣腔結構進一步提聞超導納米線光子的吸收率，同樣，在4nm厚的NbN納米線條件下，仿真結果表明，用這兩種方案，僅用25%左右的納米線佔空比，就可以達到接近於100%的吸收率，這使得電子束曝光步驟的難度大大降低，這尤其對於超細納米線(寬度在50nm以下)的製備來說更為有利。而SOI襯底的採用則可以同時保證超導薄膜的高質量生長，不影響探測器的本徵量子效率。另外，在保證同樣大的有效探測面積的條件下，由於我們需要的納米線的總長度顯著減小，探測器的最高計數率可以得到提升，製備過程中發生缺陷的概率顯著降低。
圖I為所述第一種具有強吸收結構的SNSro結構示意圖。圖2為所述第二種具有強吸收結構的SNSH)結構示意圖。圖3為所述第一種具有強吸收結構的SNSH)製備流程圖。圖4為所述第二種具有強吸收結構的SNSH)製備流程圖。圖5為所述第一種具有強吸收結構的SNSH)光子吸收率隨納米線佔空比的變化仿真結果。圖6為所述第一種具有強吸收結構的SNSH)光子反射率和透射率隨納米線佔空比的變化仿真結果。圖7為所述兩種具有強吸收結構的SNSH)光子吸收率與現有其它技術的比較。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖I所示為本發明第一種具有強吸收結構的超導納米線單光子探測器，包括底層Si襯底一 1，在底層Si襯底一 I沉積有多層Si/Si02周期排布構成的布拉格反射鏡2，布拉格反射鏡2頂端設置有外延單晶Si形成的底層諧振腔一 3，在底層諧振腔一 3上方有超導納米線一 4，超導納米線一 4上有上層空氣諧振腔5，上層空氣諧振腔5上方有Si片6，Si片6上有防反射膜一 7。由多層Si/Si02周期排布的布拉格反射鏡2，當它的周期數較大時(大於6)，在相當大的波長範圍內具有極高的反射率，反射率大於99%。並且由於空氣和Si材料的折射率差異較大，空氣諧振腔和上層Si片之間的界面也能形成一個很好的反射面。當上層的空氣諧振腔和底層的Si諧振腔厚度正好合適的時候，入射光正好在兩個反射面之間形成駐波，超導納米線則正好處於光強最大的波腹位置，因此該結構可以顯著地增加納米線的光子吸收率。如圖3所示，其製備過程包括如下步驟(a)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層。(b)氧化SOI襯底，需要精確控制SiO2的厚度。(c)用CVD方法生長多晶Si層，並部分氧化Si層，得到SiO2層，如此反覆n(n彡3)次，得到η+1個周期的Si/Si02布拉格反射鏡，需要精確控制每一層的厚度。
(d)用Si-Si鍵合的方法，把上述襯底和另一個Si片鍵合在一起，作為新的襯底。(e)分別用氫氟酸(HF)緩衝腐蝕液和KOH腐蝕液依次腐蝕SOI襯底背面的SiO2和Si層，再用氫氟酸(HF)緩衝腐蝕液去掉單晶Si層底部的SiO2埋層，露出單晶Si層，單晶Si層構成底層諧振腔一，底層諧振腔一厚度近似於入射光在該介質內等效波長的二分之一，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。(f)在單晶Si層上用磁控濺射等方法生長高質量的超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕(RIE)形成超導納米線。超導納米線的厚度一般在4-6nm之間，寬度一般在20-200nm之間，採用的超導材料為NbN、NbTiN, TaN, NbSi、Nb、WxSi^或者其它材料。(g)通過光學曝光、濺射(或者電子束蒸發)、剝離等步驟形成Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路，同時為後續的Au-Au鍵合做準備。(h)再準備一個雙面拋光的Si片，先在其中一面用ALD或者濺射等方法製備Al2O3薄膜，折射率需要在I. 7-2. O之間，厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一，需要精確控制。在另一面，通過光學曝光、濺射(或者電子束蒸發)、剝離等步驟形成Au/Ti圖形。(i)通過Au-Au鍵合的方法，最終形成上層空氣諧振腔，上層空氣諧振腔的厚度可以通過控制兩邊Au/Ti層的厚度決定，近似於入射光波長的四分之一，根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。但需要事先考慮Au-Au鍵合前後厚度的變化。如圖2所示為本發明第二種具有強吸收結構的超導納米線單光子探測器，包括金屬薄膜反射鏡8，金屬薄膜反射鏡8下方有透明介質材料構成的上層諧振腔9，上層諧振腔9下方為超導納米線二 10，超導納米線二 10下方為外延單晶Si層11，外延單晶Si層11下方為Si襯底二 12，Si襯底二 12朝向外延單晶Si層11開有底層諧振腔二 13，Si襯底二12下方有防反射膜二 14。第二種結構和第一種結構提高光子吸收率的原理完全一樣，只是在超導納米線和光的入射介質之間，第二種結構比第一種結構多了一個諧振腔，而且反射鏡由金屬薄膜而不是布拉格反射鏡構成，但仿真結果顯示，如果不考慮入射光在金屬薄膜內的損耗，兩種結構的吸收率完全相同。如圖4所示，第二種結構的製備過程包括如下步驟(a)準備一個雙面拋光的Si片，在其中一面用光學曝光、反應離子刻蝕(RIE)的方法(或者用傳統的體矽腐蝕的方法)刻出凹槽，凹槽的厚度需要精確控制。
(b)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層，用Si-Si鍵合的方法，把SOI襯底和上述帶有凹槽的Si片鍵合在一起。(c)用KOH腐蝕液腐蝕SOI襯底的背Si層，再用氫氟酸(HF)緩衝腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層。SiO2構成上層諧振腔二，上層諧振腔二的厚度需要事先通過仿真來優化，優化值近似於入射光在該介質內等效波長的四分之一，但會根據超導納米線的材料、厚度及佔空比不同有稍微的差異。(d)在單晶Si層上用磁控濺射等方法生長高質量的超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕(RIE)形成超導納米線；襯底的另一面用原子層澱積(ALD)或者濺射等方法製備Al2O3薄膜作為防反射膜，折射率需要在I. 7-2. O之間，厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一，需要精確控制。(e)通過光學曝光、濺射(或者電子束蒸發)、剝離等步驟形成Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路；通過光學曝光、依次濺射(或者電子束蒸發)SiO2, Ti、Au以及剝離 等步驟形成上層諧振腔和反射鏡，SiO2介質層的厚度需要精確控制。如圖5所示，隨著布拉格反射鏡的周期數P的增加，上述第一種具有強吸收結構的SNSPD光子吸收率得到顯著的提高。當P等於4時，仿真結果顯示其吸收率已非常接近採用完全理想的反射層情況(P=⑴)，所以在實際製備的過程中，布拉格反射鏡的周期數取為4或者其以上較為合適。如圖6所示的反射率和透射率仿真結果也表明，隨著周期數P的增力口，布拉格反射鏡的反射率確實得到增加，越接近理想的反射面，從而減少整個結構的透射率，最終納米線的吸收率得到提高。圖7為上述兩種具有強吸收結構的SNSH)光子吸收率與現有其它技術的比較。圖中曲線「 I」代表上述兩種結構；曲線「2」代表E. A. Daul er et al. , 「Superconductingnanowire single photon detectors,，，IEEE Photonics Conference (PHO), 2011.記載的結構；曲線 「3」 代表 B. Baek et al. , 「Superconducting nanowire single-photondetector in an optical cavity for front-side illumination,，』Appled PhysicsLetters, vol. 95, p. 191110 2009.所記載的結構;曲線 「4」 代表 K. M. Rosfjord etal., 「Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity andanti-reflection coating,，，0ptics Express, vol. 14, pp. 527 - 534, 2006.記載的結構；曲線「5」和「6」分別代表不帶任何附加結構的NbN納米線在背照光和前照光條件下得到的吸收率，採用的襯底均為最常用的藍寶石襯底。在仿真過程中，未考慮光在Au金屬反射鏡內的損耗(小於4%)，如果要消除這部分的損耗，可以用周期數較高的布拉格反射鏡代替金屬薄膜。圖5-7所有的仿真及優化只針對最常用的1550nm通信波長，採用的超導材料為NbN，入射光垂直入射於納米線，並且電場偏振方向平行於納米線的方向。NbN納米線的厚度為4nm，且仿真結果顯示，吸收率只和NbN納米線的佔空比有關，而和納米線本身的寬度無關。從仿真結果的比較可以清楚地看到，在同樣的佔空比條件下，本發明提出的兩種結構吸收率顯著高於目前現有的所有技術，可以用非常低的納米線佔空比(25%左右)就可以實現接近於100%的光子吸收率，這使得納米線製備過程中電子束曝光步驟的難度大大降低，這尤其對於超細納米線(寬度在50nm以下)的製備來說更為有利。另外，在保證同樣大的有效探測器面積的條件下，由於我們需要的納米線的總長度只有50%佔空比時候的一半，所以探測器的最高計數率可以提升一倍，製備過程中發生缺陷的概率降低 為一半。
權利要求
1.一種具有強吸收結構的高速SNSPD，其特徵在於，包括底層Si襯底一(I)，在底層Si襯底一(I)沉積有多層Si/Si02周期排布構成的布拉格反射鏡(2),布拉格反射鏡(2)頂端設置有外延單晶Si形成的底層諧振腔一(3)，在底層諧振腔一(3)上方有超導納米線一(4)，超導納米線一(4)上有上層空氣諧振腔(5)，上層空氣諧振腔(5)上方有Si片(6)，Si片(6)上有防反射膜一(7)。
2.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述布拉格反射鏡(2)由多層Si/Si02間隔周期排列而成，周期數在3以上，每一層的厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一，最下方的一層SiO2在Si襯底一(I)上。
3.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述超導納米線一(4)的厚度在4-6nm之間，寬度在20_200nm之間，採用的超導材料為NbN、NbTiN, TaN, NbSi、Nb或者WxSiw
4.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述底層諧振腔一(3)厚度為入射光在該介質內等效波長的二分之一。
5.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述上層空氣諧振腔(5)由Au-Au鍵合工藝完成，厚度為入射光波長的四分之一。
6.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述防反射膜一(7)折射率在I.7-2. O之間，厚度等於入射光在該介質內等效波長的四分之一。
7.根據權利要求I所述高速SNSPD，其特徵在於，所述防反射膜一(7)用Al2O3材料。
8.製備權利要求I所述高速SNSPD的方法，其特徵在於，包括如下步驟 (a)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層； (b)氧化SOI襯底，過程中控制SiO2的厚度； (c)用CVD方法生長多晶Si層，並部分氧化Si層，得到SiO2層，如此反覆η次，得到η+1個周期的Si/Si02布拉格反射鏡； Cd)用Si-Si鍵合的方法，把上述襯底和另一個Si片鍵合在一起，作為新的襯底； (e)分別用氫氟酸緩衝腐蝕液和KOH腐蝕液依次腐蝕SOI襯底背面的SiO2和Si層，再用氫氟酸緩衝腐蝕液去掉單晶Si層底部的SiO2埋層，露出單晶Si層； Cf)在單晶Si層上生長超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕形成超導納米線.-^4 ， (g)在超導納米線上方製作Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路，同時為後續的Au-Au鍵合做準備； (h)再準備一個雙面拋光的Si片，先在其中一面用ALD或者濺射等方法製備Al2O3薄膜，在另一面，製作Au/Ti圖形； (i)通過Au-Au鍵合的方法，最終形成上層空氣諧振腔，上層空氣諧振腔的厚度通過控制兩邊Au/Ti層的厚度決定。
9.一種具有強吸收結構的高速SNSPD，其特徵在於，包括金屬薄膜反射鏡(8)，金屬薄膜反射鏡(8)下方有透明介質材料構成的上層諧振腔(9)，上層諧振腔(9)下方為超導納米線二(10)，超導納米線二(10)下方為外延單晶Si層(11)，外延單晶Si層(11)下方為Si襯底二(12)，Si襯底二(12)朝向外延單晶Si層(11)開有底層諧振腔二(13)，Si襯底二(12)下方有防反射膜二(14)。
10.根據權利要求9所述高速SNSPD，其特徵在於，所述透明介質材料為SiO2，上層諧振腔(9)厚度為入射光在該介質內等效波長的四分之一。
11.根據權利要求9所述高速SNSPD，其特徵在於，所述金屬薄膜反射鏡(8)由60nm以上厚度的Au膜構成，與構成上層諧振腔(9)的介質材料之間有l_2nm厚度的Ti作為粘附層。
12.根據權利要求9所述高速SNSPD，其特徵在於，所述底層諧振腔二(13)由外延單晶Si層(11)和空氣層構成，空氣層的厚度為入射光波長的四分之一，外延單晶Si層(11)的厚度為入射光波長的二分之一。
13.製備權利要求9所述高速SNSro的方法，其特徵在於，包括如下步驟 Ca)準備一個雙面拋光的Si片，在其中一面刻出凹槽； (b)準備SOI襯底，事先通過仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機械減薄背面的Si層，用Si-Si鍵合的方法，把SOI襯底和上述帶有凹槽的Si片鍵合在一起； (c)用KOH腐蝕液腐蝕SOI襯底的背Si層，再用氫氟酸緩衝腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層； (d)在單晶Si層上濺射生長超導薄膜，並用電子束曝光以及反應離子刻蝕形成超導納米線；襯底的另一面用製備Al2O3薄膜作為防反射膜； (e)在超導納米線上製作Au/Ti圖形，作為探測器的共面波導讀出電路；最後製作上層諧振腔和反射鏡。
全文摘要
具有強吸收結構的高速SNSPD及其製備方法，該SNSPD基於高折射率入射介質和空氣腔結構，可以進一步提高超導納米線的光子吸收率，與現有技術相比，本發明用相同材料和厚度的超導超薄膜製成納米線的條件下，用更低的佔空比就可以實現接近於100％的吸收率，這使得電子束曝光步驟的難度大大降低，這尤其對於超細納米線的製備來說更為有利，而SOI襯底的採用則可以同時保證超導薄膜的高質量生長，不影響探測器的本徵量子效率，另外，在保證同樣大的有效探測面積的條件下，由於需要的納米線的總長度顯著減小，探測器的最高計數率可以得到提升，製備過程中發生缺陷的概率顯著降低。
文檔編號G01J11/00GK102829884SQ20121033366
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者成日盛, 劉建設, 李鐵夫, 陳煒 申請人:清華大學