具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速snspd及其制備方法
【專利摘要】具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNSPD及其制備方法，該SNSPD基于高折射率入射介質(zhì)和空氣腔結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高超導(dǎo)納米線的光子吸收率，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明用相同材料和厚度的超導(dǎo)超薄膜制成納米線的條件下，用更低的占空比就可以實(shí)現(xiàn)接近于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(duì)于超細(xì)納米線的制備來(lái)說(shuō)更為有利，而SOI襯底的采用則可以同時(shí)保證超導(dǎo)薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)，不影響探測(cè)器的本征量子效率，另外，在保證同樣大的有效探測(cè)面積的條件下，由于需要的納米線的總長(zhǎng)度顯著減小，探測(cè)器的最高計(jì)數(shù)率可以得到提升，制備過(guò)程中發(fā)生缺陷的概率顯著降低。
【專利說(shuō)明】具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNSPD及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于單光子探測(cè)領(lǐng)域，適用于在近紅外波段實(shí)現(xiàn)超快速以及高效率的單光子探測(cè)，涉及一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNsro及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，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(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNsro)，由于其在可見光和紅外波段優(yōu)異的單光子探測(cè)能力、超高計(jì)數(shù)率、低的暗計(jì)數(shù)、很小的時(shí)間抖動(dòng)越來(lái)越受到人們廣泛的關(guān)注，尤其是其在近紅外波段能實(shí)現(xiàn)的量子效率和最高計(jì)數(shù)率均已超過(guò)已有的基于復(fù)合半導(dǎo)體材料的雪崩光電二極管，使得其已經(jīng)成為量子通訊和遠(yuǎn)程光通信等領(lǐng)域最有力的候選探測(cè)器。目前，由最常用的氮化鈮(NbN)超導(dǎo)材料做成的SNSro的本征量子效率可以達(dá)到90%以上，但它有限的光吸收率成了限制SNsro總系統(tǒng)量子效率的一個(gè)瓶頸。由于SNSPD的核心感光區(qū)域是由超薄的納米線構(gòu)成的，所以它對(duì)入射光子的吸收率非常有限，光子會(huì)以相當(dāng)一部分的概率從納米線之間的間隙穿過(guò)，或者直接穿過(guò)薄膜，又或者從超導(dǎo)薄膜反射回去。K.M.Rosfjordet al., “Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity andant1-reflection coating,，，0ptics Express, vol.14, pp.527 - 534, 2006.記載著給SNSPD增加光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)來(lái)顯著提高其光子吸收率的方法。但對(duì)于比較典型的4nm厚、50%占空比的NbN納米線來(lái)說(shuō)，用這種方法只能得到70%左右的吸收率。如果要進(jìn)一步提高吸收率，則需要增加納米線的占空比或者厚度，但前者在樣品制備上提出了更苛刻的要求，而后者會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器本征量子效率的下降。US2012/0077680A1 ^Nanowire-based detector’K.K.Berggren, X.Hu, D.Masciarelli等人提出的基于納米天線增加吸收率的方法可以在4nm厚、50%占空比NbN納米線的條件下，可以實(shí)現(xiàn)接近于100%的吸收率，但這種方案同樣在樣品制備上提出了比較高的要求，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其成品率并不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù) 的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNSro及其制備方法，可在低占空比的條件下實(shí)現(xiàn)高吸收率，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝可控的特點(diǎn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案分別是:
[0005]一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNSPD，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(zhì)材料構(gòu)成的上層諧振腔9，上層諧振腔9下方為超導(dǎo)納米線二 10，超導(dǎo)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。
[0006]所述透明介質(zhì)材料為SiO2,上層諧振腔9厚度需要事先通過(guò)仿真來(lái)優(yōu)化，優(yōu)化值為入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的四分之一左右，但會(huì)根據(jù)超導(dǎo)納米線的材料、厚度及占空比不同有稍微的差異。
[0007]所述金屬薄膜反射鏡8由60nm以上厚度的Au膜構(gòu)成，與構(gòu)成上層諧振腔9的介質(zhì)材料之間有l(wèi)_2nm厚度的Ti作為粘附層。
[0008]所述底層諧振腔二 13由外延單晶Si層11和空氣層構(gòu)成，空氣層的厚度為入射光波長(zhǎng)的四分之一，外延單晶Si層11的厚度需要事先通過(guò)仿真來(lái)優(yōu)化，優(yōu)化值為入射光波長(zhǎng)的二分之一左右，但會(huì)根據(jù)超導(dǎo)納米線的材料、厚度及占空比不同有稍微的差異。
[0009]制備上述高速SNSPD的方法，包括如下步驟:
[0010](a)準(zhǔn)備一個(gè)雙面拋光的Si片，在其中一面刻出凹槽；
[0011](b)準(zhǔn)備SOI襯底，事先通過(guò)仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機(jī)械減薄背面的Si層，用S1-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；
[0012](c)用KOH腐蝕液腐蝕SOI襯底的背Si層，再用氫氟酸緩沖腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層；
[0013](d)在單晶Si層上濺射生長(zhǎng)超導(dǎo)薄膜，并用電子束曝光以及反應(yīng)離子刻蝕形成超導(dǎo)納米線；襯底的另一面用制備Al2O3薄膜作為防反射膜；
[0014](e)在超導(dǎo)納米線上制作Au/Ti圖形，作為探測(cè)器的共面波導(dǎo)讀出電路；最后制作上層諧振腔和反射鏡。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0016]基于聞?wù)凵渎嗜肷浣橘|(zhì)和空氣腔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提聞超導(dǎo)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(jié)果表明，用這兩種方案，僅用25%左右的納米線占空比，就可以達(dá)到接近于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(duì)于超細(xì)納米線(寬度在50nm以下)的制備來(lái)說(shuō)更為有利。而SOI襯底的采用則可以同時(shí)保證超導(dǎo)薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)，不影響探測(cè)器的本征量子效率。另外，在保證同樣大的有效探測(cè)面積的條件下，由于我們需要的納米線的總長(zhǎng)度顯著減小，探測(cè)器的最高計(jì)數(shù)率可以得到提升，制備過(guò)程中發(fā)生缺陷的概率顯著降低。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明第二種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro制備流程圖。
[0020]圖4為本發(fā)明第二種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro制備流程圖。
[0021]圖5為本發(fā)明第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro光子吸收率隨納米線占空比的變化仿真結(jié)果。
[0022]圖6為本發(fā)明第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro光子反射率和透射率隨納米線占空比的變化仿真結(jié)果。
[0023]圖7為本發(fā)明兩種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSro光子吸收率與現(xiàn)有其它技術(shù)的比較?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明提供一種對(duì)比SNSPD，稱為“第一種結(jié)構(gòu)”，本發(fā)明SNSH)稱為“第二種結(jié)構(gòu)”。
[0026]如圖1所示為第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，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(gòu)成的布拉格反射鏡2,布拉格反射鏡2頂端設(shè)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(dǎo)納米線一 4，超導(dǎo)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。
[0027]由多層Si/Si02周期排布的布拉格反射鏡2，當(dāng)它的周期數(shù)較大時(shí)(大于6)，在相當(dāng)大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有極高的反射率，反射率大于99%。并且由于空氣和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(gè)很好的反射面。當(dāng)上層的空氣諧振腔和底層的Si諧振腔厚度正好合適的時(shí)候，入射光正好在兩個(gè)反射面之間形成駐波，超導(dǎo)納米線則正好處于光強(qiáng)最大的波腹位置，因此該結(jié)構(gòu)可以顯著地增加納米線的光子吸收率。
[0028]如圖3所示，其制備過(guò)程包括如下步驟:
[0029](a)準(zhǔn)備SOI襯底，事先通過(guò)仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機(jī)械減薄背面的Si層。
[0030](b)氧化SOI襯底，需要精確控制SiO2的厚度。
[0031](c)用CVD方法生長(zhǎng)多晶Si層，并部分氧化Si層，得到SiO2層，如此反復(fù)n(n≤3)次，得到n+1個(gè)周期的Si/Si02布拉格反射鏡，需要精確控制每一層的厚度。
[0032](d)用S1-Si鍵合的方法，把上述襯底和另一個(gè)Si片鍵合在一起，作為新的襯底。
[0033](e)分別用氫氟酸(HF)緩 沖腐蝕液和KOH腐蝕液依次腐蝕SOI襯底背面的SiO2和Si層，再用氫氟酸(HF)緩沖腐蝕液去掉單晶Si層底部的SiO2埋層，露出單晶Si層，單晶Si層構(gòu)成底層諧振腔一，底層諧振腔一厚度近似于入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的二分之一，但會(huì)根據(jù)超導(dǎo)納米線的材料、厚度及占空比不同有稍微的差異。
[0034](f)在單晶Si層上用磁控濺射等方法生長(zhǎng)高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜，并用電子束曝光以及反應(yīng)離子刻蝕(RIE)形成超導(dǎo)納米線。超導(dǎo)納米線的厚度一般在4-6nm之間，寬度一般在20-200nm之間，采用的超導(dǎo)材料為NbN、NbTiN, TaN, NbS1、Nb、WxSi^或者其它材料。
[0035](g)通過(guò)光學(xué)曝光、濺射(或者電子束蒸發(fā))、剝離等步驟形成Au/Ti圖形，作為探測(cè)器的共面波導(dǎo)讀出電路，同時(shí)為后續(xù)的Au-Au鍵合做準(zhǔn)備。
[0036](h)再準(zhǔn)備一個(gè)雙面拋光的Si片，先在其中一面用ALD或者濺射等方法制備Al2O3薄膜，折射率需要在1.7-2.0之間，厚度等于入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的四分之一，需要精確控制。在另一面，通過(guò)光學(xué)曝光、濺射(或者電子束蒸發(fā))、剝離等步驟形成Au/Ti圖形。
[0037](i)通過(guò)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(guò)控制兩邊Au/Ti層的厚度決定，近似于入射光波長(zhǎng)的四分之一，根據(jù)超導(dǎo)納米線的材料、厚度及占空比不同有稍微的差異。但需要事先考慮Au-Au鍵合前后厚度的變化。
[0038]如圖2所示為第二種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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(zhì)材料構(gòu)成的上層諧振腔9，上層諧振腔9下方為超導(dǎo)納米線二 10，超導(dǎo)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。[0039]第二種結(jié)構(gòu)和第一種結(jié)構(gòu)提高光子吸收率的原理完全一樣，只是在超導(dǎo)納米線和光的入射介質(zhì)之間，第二種結(jié)構(gòu)比第一種結(jié)構(gòu)多了一個(gè)諧振腔，而且反射鏡由金屬薄膜而不是布拉格反射鏡構(gòu)成，但仿真結(jié)果顯示，如果不考慮入射光在金屬薄膜內(nèi)的損耗，兩種結(jié)構(gòu)的吸收率完全相同。
[0040]如圖4所示，第二種結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程包括如下步驟:
[0041](a)準(zhǔn)備一個(gè)雙面拋光的Si片，在其中一面用光學(xué)曝光、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法(或者用傳統(tǒng)的體硅腐蝕的方法)刻出凹槽，凹槽的厚度需要精確控制。
[0042](b)準(zhǔn)備SOI襯底，事先通過(guò)仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機(jī)械減薄背面的Si層，用S1-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。
[0043](c)用KOH腐蝕液腐蝕SOI襯底的背Si層，再用氫氟酸(HF)緩沖腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層。SiO2構(gòu)成上層諧振腔二，上層諧振腔二的厚度需要事先通過(guò)仿真來(lái)優(yōu)化，優(yōu)化值近似于入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的四分之一，但會(huì)根據(jù)超導(dǎo)納米線的材料、厚度及占空比不同有稍微的差異。
[0044](d)在單晶Si層上用磁控濺射等方法生長(zhǎng)高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜，并用電子束曝光以及反應(yīng)離子刻蝕(RIE)形成超導(dǎo)納米線；襯底的另一面用原子層淀積(ALD)或者濺射等方法制備Al2O3薄膜作為防反射膜，折射率需要在1.7-2.0之間，厚度等于入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的四分之一，需要精確控制。
[0045](e)通過(guò)光學(xué)曝光、濺射(或者電子束蒸發(fā))、剝離等步驟形成Au/Ti圖形，作為探測(cè)器的共面波導(dǎo)讀出電路；通過(guò)光學(xué)曝光、依次濺射(或者電子束蒸發(fā))SiO2, T1、Au以及剝離等步驟形成上層諧振腔和反射鏡，SiO2介質(zhì)層的厚度需要精確控制。
[0046]如圖5所示，隨著布拉格反射鏡的周期數(shù)P的增加，上述第一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSPD光子吸收率得到顯著的提高。當(dāng)P等于4時(shí)，仿真結(jié)果顯示其吸收率已非常接近采用完全理想的反射層情況(P=⑴)，所以在實(shí)際制備的過(guò)程中，布拉格反射鏡的周期數(shù)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(jié)果也表明，隨著周期數(shù)P的增力口，布拉格反射鏡的反射率確實(shí)得到增加，越接近理想的反射面，從而減少整個(gè)結(jié)構(gòu)的透射率，最終納米線的吸收率得到提高。
[0047]圖7為上述兩種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的SNSH)光子吸收率與現(xiàn)有其它技術(shù)的比較。圖中曲線“ I”代表上述兩種結(jié)構(gòu)；曲線“2”代表E.A.Dauler et al., “Superconductingnanowire single photon detectors,，，IEEE Photonics Conference (PHO), 2011.記載的結(jié)構(gòu)；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.1911102009.所記載的結(jié)構(gòu)；曲線 “4” 代表 K.M.Rosfjord etal., “Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity andant1-reflection coating,，，0ptics Express, vol.14, pp.527 - 534, 2006.記載的結(jié)構(gòu)；曲線“5”和“6”分別代表不帶任何附加結(jié)構(gòu)的NbN納米線在背照光和前照光條件下得到的吸收率，采用的襯底均為最常用的藍(lán)寶石襯底。在仿真過(guò)程中，未考慮光在Au金屬反射鏡內(nèi)的損耗(小于4%)，如果要消除這部分的損耗，可以用周期數(shù)較高的布拉格反射鏡代替金屬薄膜。
[0048]圖5-7所有的仿真及優(yōu)化只針對(duì)最常用的1550nm通信波長(zhǎng)，采用的超導(dǎo)材料為NbN，入射光垂直入射于納米線，并且電場(chǎng)偏振方向平行于納米線的方向。NbN納米線的厚度為4nm，且仿真結(jié)果顯示，吸收率只和NbN納米線的占空比有關(guān)，而和納米線本身的寬度無(wú)關(guān)。從仿真結(jié)果的比較可以清楚地看到，在同樣的占空比條件下，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)吸收率顯著高于目前現(xiàn)有的所有技術(shù)，可以用非常低的納米線占空比(25%左右)就可以實(shí)現(xiàn)接近于100%的光子吸收率，這使得納米線制備過(guò)程中電子束曝光步驟的難度大大降低，這尤其對(duì)于超細(xì)納米線(寬度在50nm以下)的制備來(lái)說(shuō)更為有利。另外，在保證同樣大的有效探測(cè)器面積的條件下，由于我們需要的納米線的總長(zhǎng)度只有50%占空比時(shí)候的一半，所以探測(cè)器的最高計(jì)數(shù)率可以提升一倍，制備過(guò)程中發(fā)生缺陷的概率降低為一半。
【權(quán)利要求】
1.一種具有強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)的高速SNSPD，其特征在于，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(zhì)材料構(gòu)成的上層諧振腔(9)，上層諧振腔(9)下方為超導(dǎo)納米線二(10)，超導(dǎo)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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求9所述高速SNSPD，其特征在于，所述透明介質(zhì)材料為SiO2，上層諧振腔(9)厚度為入射光在該介質(zhì)內(nèi)等效波長(zhǎng)的四分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求9所述高速SNSPD，其特征在于，所述金屬薄膜反射鏡(8)由60nm以上厚度的Au膜構(gòu)成，與構(gòu)成上層諧振腔(9)的介質(zhì)材料之間有l(wèi)-2nm厚度的Ti作為粘附層。
4.根據(jù)權(quán)利要求9所述高速SNSPD，其特征在于，所述底層諧振腔二(13)由外延單晶Si層(11)和空氣層構(gòu)成，空氣層的厚度為入射光波長(zhǎng)的四分之一，外延單晶Si層(11)的厚度為入射光波長(zhǎng)的二分之一。
5.制備權(quán)利要求9所述高速SNSro的方法，其特征在于，包括如下步驟: (a)準(zhǔn)備一個(gè)雙面拋光的Si片，在其中一面刻出凹槽； (b)準(zhǔn)備SOI襯底，事先通過(guò)仿真得到所需要的外延單晶Si層的精確厚度，機(jī)械減薄背面的Si層，用S1-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，再用氫氟酸緩沖腐蝕液去掉SiO2埋層，露出單晶Si層； (d)在單晶Si層上濺射生長(zhǎng)超導(dǎo)薄膜，并用電子束曝光以及反應(yīng)離子刻蝕形成超導(dǎo)納米線；襯底的另一面用制備Al2O3薄膜作為防反射膜； (e)在超導(dǎo)納米線上制作Au/Ti圖形，作為探測(cè)器的共面波導(dǎo)讀出電路；最后制作上層諧振腔和反射鏡。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103579405SQ201310596327
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月10日
【發(fā)明者】成日盛, 劉建設(shè), 李鐵夫, 陳煒 申請(qǐng)人:清華大學(xué)