[發明專利]一種超導納米單光子探測芯片及其制備工藝

無效

• 申請號: 201310301942.9
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103367516A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 張蠟寶;徐睿瑩;康琳;陳健;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L31/0256;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 繆友菊

技術領域

本發明涉及一種探測芯片，具體涉及一種超導納米單光子探測芯片。?

背景技術

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質；而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態，但單個光子沒有確定的動量或偏振態。?

光電探測器是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象。當超導薄膜遠低于臨界溫度時，超導體處于超導態，如果給該薄膜通過上電流，當電流高于某一值時，超導態就會被破壞而轉變為正常態。這個電流就稱為臨界電流，單位截面上通過的電流就成為臨界電流密度，如果將超導薄膜加工成納米條置于遠低于其臨界溫度環境，并通上略低于臨界電流的電流時，該超導納米條對入射的光子就非常敏感，利用這一原理人們發明了超導單光子檢測器.。?

超導單光子檢測是一種基于超導薄膜的單光子檢測技術，和常見的單光子檢測器如處于蓋格模式的雪崩二極管和光電倍增管等相比具有顯著的優點。通常半導體的單光子檢測器檢測到一個光子后恢復到初始狀態的時間很長，通常在微秒量級，因此通常限制其檢測光子的速度在kHz量級。而超導單光子檢測器的恢復時間通常在納秒量級，比半導體的檢測器高了三個數量級，并且理論上超導單光子探測器的檢測速率還可以進一步提高。暗計數方面，超導單光子探測器幾乎沒有暗計數，而半導體檢測器的暗計數非常高，能夠到幾萬甚至更高。另外，由于半導體材料制備的探測器，其光譜相應范圍都很窄，而超導單光子探測器很容易就能夠覆蓋可見光到紅外區域。超導單光子探測器還具有電流抖動小，信噪比高，檢測電路簡單等等優點。?

除了上面這些優點外，超導單光子檢測器具有一些還待解決問題，最主要的問題就是檢測效率低。由于超導單光子探測器使用的是超薄薄膜，薄膜的厚度約4納米，該薄膜對于光的吸收十分有限，在1550納米波段光的吸收30-40%。與此同時，超導單光子探測器主要是將超導薄膜刻蝕獲得的蜿蜒納米線，納米線之間是空隙，因此超導超薄薄膜的覆蓋率僅50%，因此探測區域對光子的吸收概率更低。這些因素導致了超導單光子探測器的系統效率普遍較低。為了提高超導納米線單光子探測器的系統效率，MIT等研究人員提出通過諧振腔的方式提高光子的吸收效率，并證明該方法可以大幅度提高器件效率。但與此同時，由于超導諧振腔的波長選擇性，該方法只能工作在特定的波段，作為一種寬帶探測器，由于其諧振腔，降低了其工作波段，限制了在光譜分析等方面的應用。?

發明內容

發明目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種效率高、工作波段寬、應用范圍廣的超導納米單光子探測芯片。?

同時，本發明還提供一種解決上述問題的超導納米單光子探測芯片的制備工藝。?

技術方案：本發明所述的一種超導納米單光子探測芯片，包括基底，還包括活性層、絕緣層和光子吸收層，所述活性層為至少兩根超導納米線，呈蜿蜒結構設置于所述基底的上表面；所述光子吸收層為厚度大于10納米的碳納米管層，設置于所述活性層上方；所述絕緣層填充于至少兩根超導納米線之間，同時，填充于所述超導納米線與所述光子吸收層之間。采用碳納米管層作為光子吸收層可大幅度提高探測器芯片的光子吸收概率，將可吸收的光子波段提高到紫外-可見-紅外；同時采用絕緣層將超導納米線之間及與光子吸收層之間隔離，保護蜿蜒結構的超導納米線的電路。?

本發明技術方案的進一步限定為，所述基底為MgO片或者Si片。?

進一步地，所述超導納米線為經電子束曝光的NbN薄膜。?

進一步地，所述超導納米線的厚度為4nm，寬度為100nm。?

進一步地，所述絕緣層為Al2O3絕緣層。?

本發明提供的另一技術方案為：一種超導納米單光子探測芯片的制備工藝，按如下步驟進行：?

S1、在選定的基底上表面將NbN薄膜經電子束曝光形成至少兩根超導納米線，至少兩根超導納米線呈蜿蜒結構設置；

S2、采用單原子層沉積的方法在超導納米線之間及其上方沉積Al2O3絕緣層；