发布时间 : 星期一 文章2014 超导纳米线单光子探测器研究新进展 - 图文更新完毕开始阅读
第50卷 第3期
2014年5月
JOURNALOFNANJINGUNIVERSITY
()NATURALSCIENCES
南京大学学报(自然科学)
Vol.50,No.3
,Ma2014y
:/DOI10.13232.cnki.nu.2014.03.002jjj
超导纳米线单光子探测器研究新进展
()南京大学超导电子学研究所,南京,210093
摘 要:现代科学技术已经发展到利用单个光子的量子态载运信息和进行计算.因此,高效、灵敏地探测单个光子是一种新型单光子检测器,具有暗计数低、探测速率高、检测频谱宽等优点,在众多领域存在潜在应用.本文概述了超导单光子探测器的工作机制和理论模型,重点介绍了兼容4i如器件nch硅工艺的SNSPD器件的关键技术工艺,设计、材料结构、制备工艺和封装技术等.研制的超导单光子探测器,在1系统的单光子检测效率最高550nm波段,进行光子数分辨的研究,以及将其应用于光时域反射仪(中,进行长距离光纤状态的分析和检测研究.OTDR)关键词:单光子,超导体,纳米线,系统效率
,达到7暗计数小于1与国际最好水平相当.在不断提高S还开展了利用S5%,00csNSPD性能研究的同时,NSPDp是量子计量、量子通信、非线性光学等量子信息科学研究中最基础的技术之一.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)
张蜡宝,康 琳,陈 健,吴培亨*
Develomentofsuerconductornanowiresinlephotondetectorppg
,,,ZhanabaoKaninChenJianWuPeihengLgLg
,,fabricationprocesswith4incheswafercomatiblewithstandardsiliconprocesssuchasdevicedesinmaterialspgefficiencto75%in1550nmbandanddarkcountlessthan100cs.Wealsocarriedouttheresearchofresolvinyuppg(hotonnumberandthealicationofSNSPDtotheoticaldomainreflectmeterOTDR).pppp:,,,Keordssinlephotonsuerconductornanowiresstemefficiencgpyyyw
,deositionfabricationprocessandpackainechnolo.HihperformanceSNSPDwasfabricatedwithsstempggtgygy
countrate.ThisarticleanalzedtheworkinechanismandtheoreticalmodelsofSNSPD.Weoutlinedtheygm
:AbstractSuerconductornanowiresinlehotondetector(SNSPD)isanewsinlehotondetectorwithlowdarkpgpgp--
(,,,,)ResearchInstituteofSuerconductorElectronicsofNaninniversitNaninniversitNanin210093ChinapjgUyjgUyjg
电磁波)粒(光子)二象性,光子 光具有波(
是传递电磁相互作用的基本粒子.在量子通信技术中,信息的基本载体就是单光子.因此,单
()61101012
光子精密定量检测的实现,不仅可以加深人类对量子微观世界的认识,而且也是实现实用化的量子通信技术的保证.单光子探测技术
,,基金项目:国家重大科研仪器设备研制专项(国家重点基础研究发展计划(国家自然科学基金11227904)2011CBA00202)收稿日期:20140401
:*通讯联系人,E-mailhwu@nu.edu.cnpj
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张蜡宝等:超导纳米线单光子探测器研究新进展
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(是在光子尺度对光信号进行探测、分析SPD)
和处理的关键技术,是光电检测技术领域的研究前沿.
单光子探测器性能指标主要有:工作波段、
2]
,人员的广泛重视[一些商业公司也参与到
SNSPD研发.SNSPD的快速发展对于基础研
究、工业应用和军事技术等都具有极大的推动作用.
本文首先概述了S介NSPD理论研究进展,
系统效率、暗计数、时间抖动和重复速率.工作波系统效率是指一个光子入射到探测器上被检测到的概率.实际中,SPD系统效率和入射光子的波长相关.因此,通常将系统效率和工作波段这段是指该SPD能够探测到的光子的波长范围.绍了器件结构、材料、制备和封装等,在4inch硅基片上成功制备具有谐振腔结构的SNSPD样品.然后,给出了用于器件筛选和性能分析的测量系统,获得了我们研制的SNSPD的性能参数.两个性能参数联系在一起6在没有输入入射光子情况下50nm波段的系统效率可达.如,硅基单光子探测器在,6由于器件5%.
、电
路和其他一切因素导致的光子计数被称为暗计数.暗计数反应了SPD工作时的噪声情况探测器探测响应和光子入射的时间差存在一定波.动布.由于该波动有一定的随机性,服从高斯分(F.因此,其分布的宽度常采用半高宽
WHM)
来定量描述,即器件的时间抖动复速率是反应器件探测光子的最大速度.重目前常用的单光子探测器有:光电倍.
增管(PMT)、雪崩二极管(等作在14APD).Si-APD主要工此55外0n0,m0~1,超I导nG1单a0A0n光s-Am,子P探DG工作在e-APD工作在测器(90800~n种新型单光子检测器anowiresing
lephotondSu0,pe~r1co7n00ndum.是一ctor,兼具有灵敏度高和低噪etectorSNSPD)声的优点,在众多领域存在潜在应用,是超导电子学领域的研究热点1990年,Kadin等.
[1]
首次提出利用吸收光子后在二维超导体上形成的涡旋—反涡旋对
(子vo(.r基tex于-an这tiv个or,来检测红外光思tex想p,aiGrustVAP)[]
探测器模Niobium型Ni.tSriedme,enNpa等2提出氮化铌超导纳米线的单光子obvN)
等[3]
提出给NbN超导纳米线加一个偏置电流以辅助超导态的临界转变进而实现对单光子的检测’sman等[4]
实验上制备出世界上第一个超导单
.2001年,Gol
光子探测器近年来.
,到超导电子学SNSPD的实验研究发展迅速,
受、光电探测、量子信息等领域研究
最后,介绍了该应用方面取得的进展SNSP.
D在光子数分辨和OTDR
理论模型
SNSPD的单光子探测过程可分为如下步:超导纳米线被冷却到超导转变温度以下,并3
偏置在稍低超导临界电流的状态;当一个光子被超导纳米线吸收后,在纳米线上形成一个电阻态区域;通过检测这个电阻态即可以检测到入射光子;检测完后,器件自动恢复到初始状态,准备检测下一个入射光子目前,SNSPD中超导纳米线与光子相互作
.
用的物理机制尚存在较大争论[3]
根据meV量级,远小于光子能量.BCS理
论,超导能隙在温度大于绝对零度,超导纳米线在有电流偏置.在的情况下,超导能隙进一步减小单个入射光子可以破坏大量超.因此,理论上导库伯对S材料缺陷.在
导N致SP、边界和表面效应等因素超D中,
导纳米线与光子相互作用的过程极为复杂.
热点模型[4~6]
是用于解释制的一个主要理论模型SNSPD工作机
产生热点.如果光子能量足够高.超导纳米线吸收光子,产生的热点足够大,热点就会阻断超导纳米线,在器件上形成电阻态,通过检测这个电阻态即可以探测到入射光子检测概率的关系.热点模型可以定性的分析光子能量与,即光子能量越大,破坏纳米线超导态的概率越高,检测概率越大磁通模型[7~9]
是解释SNSPD.
工作机制的
另一个常用理论模型.当超导纳米线偏置在略低于其临界电流时,超导纳米线中存在大量高
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南京大学学报(自然科学)
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速移动的v光子探测时,入ortexantivortex对.-射光子拆散这些v能量耗ortexantivortex对,-散在纳米线上,导致部分纳米线温度升高,形成电阻态.磁通模型被认为可能是SNSPD在红
]9外波段光子探测和形成暗计数的主要机制[.
用,保证了超过90%的光子能够入射到NbN
超导纳米线的覆盖区域.并且,由于SiOx介质层和A光子在Nu层构成一个反射腔,bN纳米线处叠加增强,大大提高了NbN对光子的吸收效率.这里,我们设计的器件主要针对1550线与Au膜之间的SiOx介质层厚度250nm
2 芯片与制备
2.1 芯片结构 SNSPD器件的核心是超导纳
米线.文献[报道的首个S10]NSPD的检测区基片正反面减反增透层均为Snm波段.iO2
/,层,厚度2超导纳米70nm(λ4,n=1.44)SiO2(/,这λ4,n.55)Au薄膜厚度120nm.SiOx=1
域由一根长纳米线构成1.为了提高光子耦合效率.2mm,宽200nm的N,bN超导
等[11
]提出了具有蜿蜒结构(SPDm探ea测nd区er-
Vtyer域包peev)ki超n导纳米线的器件.该SN含多条顺次首尾相连超导纳米线,增加了纳米线覆盖面积,提高了光子耦合效率和系统效率而,制备大面积器件的难度会随面积增大呈几.然何级数增长,所以多数材料性能和0微μ加m×工1工0SNSPD器件的探测面积限制在1本研究组通过提高艺μm.
,将提高到SNSPD探测区域
[2条纳米线覆盖面积最大的30μm×30μm1
]
,这也是迄今为止单由于SNSPD超导薄膜SN的SP光D.
吸收率极低,
严重限制了SNSPD的系统效率制备光学谐振腔是提高光电探测器效率的常用方法.,也是
提高我们研制的具备谐振腔的SNSPD效率的主要方法[13]
.
图1给出了意图.
SNSPD器件结构示图1 具备光学谐振腔的SNSPD器件结构图Fig.1 DevicestructureofSNSPDwithopticalcavity
如图反两面是1所示,该器件衬底为硅bN超导纳SiO在正面米线SiOx介质SiO.在硅基片正
2层,2层上面顺次是
层和光子由于SiOAu层通过背面入射,增.2层的减反和透作
里,我们拟制备125.2μ m和超导30薄μ膜m×2种探测面积的器件, 3高0μ质m.15μm×量超导薄膜是器件的基础的高质量氮化铌.目前,多数(NiobiuSmNSNPitD采用ride,Nb3SN~N)6nSP外延mD
薄膜0.NbN呈氯化钠晶体结构,晶格常数
其化学稳定性高,是一种优良的超导薄膜材料.446nm.,在超导电子学领域被广泛采用们通过反应磁控溅射,在.我
4nm厚NbN薄膜,其TMc最g
O衬底上生长的高达到[4]
这里,为了减少反射损耗,提高光子吸11收K1效率.,我们优化了在硅热氧化层生长艺条件,制备了NbN薄膜的工Tc>
75n.8K.m厚的除基于Nb[15],NbTiN[16~20NNbN薄膜,
其超导转变温度文献报道了]b,N外,MoRe23
等材料的SNSPDW器件Si[21],[]
MgB2
[22]
,2.3 芯片制备备SNSPD器件 制备高质量超导纳米线是制
.
的关键100nm纳米线,线条间距.
这里,制备了宽度为1实验中,首先借助电子束曝光在光刻胶上获得超导纳米线00nm.
图形,如图工技术将纳米线图形转移到超导薄膜上2A.然后通过反应离子刻蚀等微加,获得超导薄膜的纳米结构图形,如图宽度均匀,边沿陡峭的超导纳米线2B为了获得,电子束曝光
.和反应离子刻蚀工艺的工艺参数经过严格优化较薄.为了提高电子束曝光的分辨率,这里采用了PMMA495电子束光刻胶,厚度仅与此同时,我们通过图形校正的方法改善电子
60nm.束曝光过程中临近效应的影响,我们制备的超导纳米线边缘.图整2齐A和,表B表明面平整,宽度均匀.
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图2 通过电子束曝光获得的纳米线图形(和反应离子刻蚀制备的NA)bN纳米线(B)
((Fi.2 SEMimaesofpatternednanowiresonA)resistandB)NbNfilmsgg
测区域可近似视为平面.这里SiOx层通过
PECVD制备,Au薄膜层通过电子束蒸发制
射层.由于纳米线的薄膜厚度仅5n因此探m,
/然后,在探测区域上制备λ4介质层和反
2.4 芯片封装 为了对SNSPD芯片进行光子
探测,需将光子信号耦合到芯片的探测区域上.对光系统配备了1000倍长工作距离光学镜头和近红外C可实时透过硅片监测光束与器件CD,探测区域的位置.如图4给出了封装后的器件的光学照片.对于带谐振腔的器件必须通过背面对光,因此需要将入射光从器件背面聚焦到器件探测区域.采用带尾纤的聚焦透镜汇聚光束到探测区域.这里采用几何光学近似设计聚焦光路和光斑,定制并实验验证聚焦光斑大小,获得了在的聚焦光斑.对2mm远处约10μm(@13.5%)光过程中,将聚焦透镜固定在样品座上,在对光系统的辅助下,通过微调芯片位置实现聚焦光斑精确对准器件探测区域.
我们自行研制了对光系统和样品封装盒.该
量生产.
备.为了不影响超导纳米线的结构和NbN薄
膜质量,PECVD生长过程中温度设置在100℃,Au薄膜生长时基片不加热.
另外,为了便于测量和对光,实验中通过预先设计好的工艺和图形,结合光学曝光和电子束蒸发,在样品上制备了具有5050共面波导结构的电极图形.这些Au电极既可以实现射频信号的低损耗传输,还可以帮助封装过程中调整入射光束对准到器件探测区域.
如图3给出了制备样品的光学照片.图中
样品是基于标准4i各项工艺和nch硅片制备,现有微电子工艺兼容,因此在将来可应用于批
图3 制备样品光学照片
Fi.3 OticalimaeoffabricatedSNSPDsamleon4gpgpinchwafer
图4 封装后的SNSPD探测器的光学照片Fi.4 OticalimaeofpackaeddeviceofSNSPDgpgg