[發明專利]一種帶相位光柵的超導單光子探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410395986.7
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104167452A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 康琳;顧敏;張蠟寶;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/09;H01L31/18;G01J11/00
• 代理公司: 江蘇銀創律師事務所 32242
• 代理人: 孫計良

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，特別涉及基于氮化鈮的超導單光子探測器，可應用于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

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)，制備成寬80nm的納米線，在超導臨界溫度以下，通以低于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于超導電流密度，從而失超，產生一個電壓脈沖，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，更多的材料例如硅化鎢，硅化鈮等被應用到制備超導單光子器件上來。但是目前由于氮化鈮薄膜本身對光的吸收效率并不高，導致超導單光子探測器的系統探測效率低下。同時由于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系，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制備。

發明內容

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。

為解決上述問題，本發明采用的方案如下：

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π相位對應的厚度的奇數倍。

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于氮化鈮。

進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器，包括高阻硅襯底、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制成，鋪設在高阻硅襯底上，位于氮化鈮納米線與高阻硅襯底之間；所述氮化鈮納米線的兩端設置有電極；所述相位光柵設置于氮化鈮納米線上，由透明材料制成。

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硅材料制成。

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其中，λ為入射光波長，n₁為相位光柵材料折射率，n為正整數。

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其中，λ為入射光波長，n₁為反射層材料折射率，n為正整數。

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其中，λ為入射光波長，n₁為相位光柵材料折射率，n₂為相位光柵外介質的折射率，n為正整數。

進一步，根據本發明的帶相位光柵的超導單光子探測器的制備方法，包括如下步驟：

S1：在高阻硅襯底上生長二氧化硅放射層；

S2：在二氧化硅放射層上采用磁控濺射的工藝生長氮化鈮薄膜；

S3：在氮化鈮薄膜上采用光刻工藝制備金薄膜電極；

S4：采用電子束曝光套刻并使用反應離子刻蝕機刻蝕制備氮化鈮納米線；

S5：在氮化鈮納米線上生長二氧化硅相位光柵層；

S6：在二氧化硅相位光柵層上光刻并用刻蝕的方法制備出相位光柵。

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干涉聚焦效果，氮化鈮納米線位于焦點位置，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％。。

附圖說明

圖1是本發明的超導單光子探測器的結構示意圖。

圖2是本發明的超導單光子探測器的去除相位光柵后的立體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發明做進一步詳細說明。

一、帶相位光柵的超導單光子探測器的結構