[發明專利]一種基于特殊摻雜的超導鈮薄膜材料的納米線單光子探測器的制備方法

有效

• 申請號: 201210406138.2
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN102916083A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 康琳;郟濤;賈小氫;張蠟寶;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;C23C14/35;C23C14/18;C23C14/06;C23C14/54
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 夏雪

技術領域

本發明涉及一種高靈敏的單光子或極微弱光信號檢測器的制備方法，具體涉及一種基于特殊摻雜的超導鈮薄膜材料的納米線單光子探測器的制備方法，可應用于紅外及遠紅外波段的單光子或極微弱光信號的檢測。

背景技術

目前，基于NbN的超導納米線單光子探測器(Superconducting?Nanowire?Single?Photon?Detector，簡稱SNSPD)已經比較成熟，其較高的超導轉變溫度(~12K)，暗計數率低(10c/s)，時間抖動小(60ps)，響應頻譜寬(404nm~1550nm)，重復速度快(>100MHz)等特點，使其在量子密鑰分配，集成電路檢測等領域有廣泛的應用。最近，除了NbN材料以外，許多基于其他超導材料例如MgB₂,NbTiN,NbSi,W_xSi_1-x,Nb等的SNSPD被研究。各種材料的SNSPD研究就是希望能夠提高SNSPD的某些性能，如提高檢測效率和重復速率等等。目前研究的純Nb材料，因其在制備為超薄膜時，超導轉變溫度低，臨界電流密度小，表現出的光響應波長也很短，因此遠遠不能滿足應用的要求。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種基于特殊摻雜的超導鈮薄膜材料的納米線單光子探測器的制備方法，由于超導釘扎的效應，導致該特殊摻雜的超導鈮薄膜材料較之常規的高純Nb材料，具有較高的超導轉變溫度(T_c)和臨界電流密度(J_c)，同時表現出的光響應波長較長，使得其更適合成為制備在紅外波段，甚至遠紅外波段的SNSPD材料。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為一種基于特殊摻雜的超導鈮薄膜材料的納米線單光子探測器的制備方法，包括如下步驟：

(1)將基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去離子水中超聲清洗并吹干(基片在可見光下透明即可，例如MgO基片、SiO基片等)；

(2)將清洗好的MgO基片送入磁控濺射設備的副室，進行Ar離子洗；

(3)將Ar離子洗后的基片送入磁控濺射設備的主室，在磁控濺射設備的主室安裝有特殊摻雜的Nb靶材，該Nb靶材各成分質量百分比分別為Nb：99.6%，Al：0.2%，Fe：0.12%,，Si：0.05%，Ti：0.02%，Cr：0.01%，通過直流磁控濺射的方式生長特殊摻雜的超導Nb薄膜；

(4)在步驟(3)加工后的樣品的表面旋涂電子束抗蝕劑，然后對電子束抗蝕劑進行電子束光刻，在電子束抗蝕劑上繪制出寬度小于或等于100nm的線條圖形；

(5)用反應離子刻蝕的方式進行刻蝕，將所述線條圖形轉移到Nb薄膜上，形成Nb納米線條；

(6)清洗殘留的電子束抗蝕劑，并在樣品的表面旋涂光刻膠，通過深紫外曝光的方式在光刻膠上形成電極圖形；

(7)生長電極。

優選地，所述MgO基片雙面拋光。

優選地，在所述步驟(3)和步驟(4)之間還包括如下步驟：通過交流磁控濺射的方式在Nb薄膜表面生長AlN保護薄膜。

優選地，所述步驟(3)中，直流磁控濺射生長Nb薄膜的條件是：背景氣壓小于2×10^-5Pa，工作氣體是氬氣，氬氣的流量是40sccm，濺射氣壓是0.4Pa，濺射電流是0.4A，濺射電壓為337~340V，濺射時間是5~10s。

優選地，交流磁控濺射生長AlN保護薄膜的條件是：在磁控濺射設備的主室安裝有純度為99.999%的Al靶材，背景氣壓小于2×10^-5Pa，工作氣體是氮氣，氮氣的流量是20sccm，濺射氣壓是0.27Pa，濺射功率是80W，濺射時間是5s。

優選地，所述電子束抗蝕劑為聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為50nm，所述線條圖形的寬度為50nm。

優選地，所述步驟(5)中，進行反應離子刻蝕的刻蝕氣體為SF₆和CHF₃，氣體壓強為4Pa，時間為30s，反應離子刻蝕機的功率為100W，刻蝕速率為2nm/s，SF₆和CHF₃的流量分別為40sccm和10sccm。

優選地，所述步驟(7)中，通過直流磁控濺射的方式先生長Nb薄膜再生長Au薄膜，所述Nb薄膜和Au薄膜作為電極。