[發明專利]大光敏面超導納米線單光子探測器

有效

• 申請號: 201810083509.5
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108365049B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 李浩;尤立星;王鎮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L39/08;B82Y40/00
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 宋纓

本發明提供一種大光敏面超導納米線單光子探測器，包括至少一層超導納米線結構，超導納米線結構包括：若干條平行間隔排布的直線部，包括至少兩條平行間隔排布的超導納米線；若干個第一連接部，將直線部依次首尾連接成蜿蜒狀；若干個第二連接部，位于直線部內，且位于直線部內平行間隔排布的超導納米線之間；位于同一直線部內的若干個第二連接部平行間隔排布；沿平行于所述直線部的方向，超導納米線結構對應于寫場拼接處的部分為第二連接部；沿垂直于直線部的方向，超導納米線結構對應于寫場拼接處的部分為相鄰直線部之間的間隙。本發明可以避免寫場拼接誤差對超導納米線核心區域的影響，從而不可以確保大光敏面超導納米線單光子探測器的性能。

技術領域

本發明屬于光探測技術領域，涉及一種大光敏面超導納米線單光子探測器，特別是涉及一種大光敏面超導納米線單光子探測器。

背景技術

超導納米線單光子探測器(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector，SNSPD) 是近年發展起來的新型單光子探測器，可以實現可見光到近紅外波段的高效單光子探測。由于其高量子效率、低暗計數、高探測速率、低時間抖動等優勢，SNSPD已迅速應用于量子信息技術、激光通信、星地測距、生物熒光探測、深度成像等應用中。

SNSPD主要采用低溫超導超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN、WSi等。典型厚度約為5-10nm，器件通常采用100nm左右寬度的曲折納米線結構。SNSPD工作時置于低溫環境中(4K)，器件處于超導態，并加以一定的偏置電流I_b，I_b略小于器件臨界電流I_c。當單個光子入射到器件中的納米線條上時，會拆散庫珀對，形成大量的熱電子，從而形成局域熱點，熱點在偏置電流I_b的作用下由于焦耳熱進行擴散，最終使得納米線條局部失超形成有阻區。之后熱電子能量通過電聲子相互作用傳遞并弛豫，再重新配對成超導態的庫珀對。由于超導材料的熱弛豫時間很短，因此當SNSPD接收到單個光子后，就會在器件兩端產生一個快速的電脈沖信號，從而實現單光子的探測功能。

大面積單光子探測技術在量子通訊和自由空間耦合技術方面有著廣闊的應用前景，尤其是對有著高探測效率，低暗計數，低時間抖動和高計數率特點的大面超導納米線單光子探測器(SNSPD)。然而由于傳統的超導納米線單光子探測器采用了納米曲折線結構，納米線總長度隨面積平方量級地增長，動態電感迅速增大，器件的計數率大幅下降。如何提高大面積 SNSPD器件速度成為研究中需要解決的重要問題。

電子束曝光工藝(EBL)是超導納米線單光子探測器中超導納米線結構制備的關鍵工藝。而在大光敏面超導納米線單光子探測器的制備過程中，大面積超導納米線結構的制備受限于電子束曝光設備寫場的大小，因而需要通過電子束曝光寫場拼接的辦法實現大面超導納米線結構的制備。但是，對于傳統的超導納米線單光子探測器而言，電子束曝光寫場拼接誤差會達到10納米量級，使得傳統的超導納米線單光子探測器中的超導納米線在寫場拼接處會出現明顯的偏移，這將對超導納米線單光子探測器的性能產生較大的不良影響。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種大光敏面超導納米線單光子探測器，用于解決現有技術中超導納米線單光子探測器中由于采用單根納米曲折線結構，在電子束曝光寫場拼接的辦法制備大面積超導納米線單光子探測器時存在的由于電子束曝光寫場拼接誤差會達到10納米量級，使得傳統的超導納米線單光子探測器中的超導納米線在寫場拼接處會出現明顯的偏移，對超導納米線單光子探測器的性能產生較大的不良影響的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種大光敏面超導納米線單光子探測器，所述大光敏面超導納米線單光子探測器包括至少一層超導納米線結構，所述超導納米線結構基于電子束曝光工藝進行多次寫場拼接曝光而形成，其中，所述超導納米線結構包括：

若干條平行間隔排布的直線部，所述直線部包括至少兩條平行間隔排布的超導納米線；