[發明專利]超導納米線及超導納米線單光子探測器

有效

• 申請號: 202010837660.0
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111947778B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 李浩;胡鵬;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: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44;B82Y30/00;B82Y15/00
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所(普通合伙) 31233
• 代理人: 宋纓

本發明提供一種超導納米線及超導納米線單光子探測器，包括：依次形成于襯底上的光學結構及超導納米線，超導納米線包括依次交替疊置的n層電隔離層及n+1層超導納米材料層；各超導納米材料層的厚度從下至上依次遞增、寬度從下至上依次遞減，各超導納米材料層的材料相同，具有兩層以上電隔離層時各電隔離層的材料相同，n為大于等于1的自然數。本發明采用疊層結構的納米線提升吸收效率；同時將上層的納米線設置為具有較大的厚度，以補償加工上的缺陷，進一步提升上層納米線的吸收效率，實現高效探測；疊層結構中每層超導納米材料層厚度均比較薄，可以保證每條超導納米線都能較好響應光子；還通過設置反射鏡結構或薄膜覆蓋層得到不同的光譜響應特性。

技術領域

本發明涉及光探測技術領域，特別是涉及一種超導納米線及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)是近十幾年發展起來的新型單光子探測技術，其相對于半導體探測器具有超高的探測效率、極低的暗計數、低時間抖動以及高計數率等優勢。自2001年，莫斯科師范大學Gol’tsman小組首先利用5nm厚的NbN超薄薄膜制備了一條200nm寬的超導納米線，成功實現了可見光到近紅外波段的單光子探測起，歐、美、俄、日等多個國家和研究小組紛紛開展了對SNSPD的研究。經過十余年的發展，SNSPD在暗計數、低時間抖動、高計數率等方面均展現出了優異的性能。目前SNSPD已成為超導電子學和單光子探測領域的研究熱點，并有力的推動了量子信息、激光雷達等領域科技發展。國際上SNSPD領域研究著名機構包括，美國的MIT[3]、JPL、NIST、日本的NICT、俄羅斯的MSPU等。目前光纖通信波段1550nm，探測效率最高的器件為美國NIST采用極低溫超導材料WSi(工作溫度1K)研發，探測效率高達93％，而采用低溫超導材料NbN(工作溫度2K)研發的SNSPD最高探測效率也達到了80％以上。除科研機構外，國際上目前已有6家主要從事SNSPD相關技術產品的公司。

現有的超導納米線單光子探測器中納米線多為單層結構，存在光子響應能力不足、吸收效率低等問題，因此，如何提高超導納米線單光子探測器的納米線吸收效率、同時保證超導納米線光子響應能力已成為本領域技術人員亟待解決的問題之一。此外，在實際納米線加工中經常會面臨納米線條的截面上窄下寬的情況，影響納米線的光吸收。針對該非理想加工的問題，本發明提出了設計上厚下薄的多層納米線結構，以補償實際加工中的問題。

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超導納米線及超導納米線單光子探測器，用于進一步提高超導納米線單光子探測器的納米線吸收效率及光子響應能力。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種超導納米線，所述超導納米線至少包括：

n層電隔離層及n+1層超導納米材料層，所述超導納米材料層與所述電隔離層依次交替疊置；

其中，各超導納米材料層的厚度從下至上依次遞增、寬度從下至上依次遞減，各超導納米材料層的材料相同，具有兩層以上電隔離層時各電隔離層的材料相同，n為大于等于1的自然數。

可選地，各超導納米材料層的材料為低溫超導材料。

可選地，各超導納米材料層的厚度設定為1nm-10nm。

更可選地，各超導納米材料層的厚度從下至上依次遞增0.5nm-1.0nm。

可選地，各超導納米材料層的寬度設定為30nm-120nm。

更可選地，各超導納米材料層的寬度從下至上依次遞減5nm-10nm。

可選地，電隔離層的厚度設定為1nm-5nm。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明還提供一種超導納米線單光子探測器，所述超導納米線單光子探測器至少包括：