一种带相位光栅的超导单光子探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种带相位光栅的超导单光子探测器及其制备方法。该带相位光栅的超导单光子探测器在常规基于基于氮化铌的超导单光子探测器的纳米线区上设置有相位光栅。相位光栅的栅高为入射光波长π相位对应的厚度的奇数倍。在纳米线区上的相位光栅对光束产生干涉聚焦效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，从而提高了氮化铌纳米线对光子的吸收效率。仿真结果表明，该带相位光栅的超导纳米线单光子探测器，在可见光和红外的多个频率段，均具有很高的探测效率，在850nm波长，光子的吸收效率高达72%。
【专利说明】一种带相位光栅的超导单光子探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高灵敏的单光子或极微弱光信号检测器，特别涉及基于氮化铌的超导单光子探测器，可应用于可见光和近红外波段的单光子或极微弱光信号的检测。
【背景技术】
[0002]超导纳米线单光子探测器是目前国际上研究最为热门的单光子探测器结构，它利用很薄的超导薄膜(通常厚度为4nm到8nm)，制备成宽SOnm的纳米线，在超导临界温度以下，通以低于超导临界电流的偏置电流，当光子打在纳米线上被纳米线吸收形成热岛，使得纳米线上电流密度大于超导电流密度，从而失超，产生一个电压脉冲，被读出电路获得，得到一个光子的响应。目前用来做纳米线的超导材料主要是氮化铌和铌钛氮两种，随着超导材料的研究，更多的材料例如硅化钨，硅化铌等被应用到制备超导单光子器件上来。但是目前由于氮化铌薄膜本身对光的吸收效率并不高，导致超导单光子探测器的系统探测效率低下。同时由于超导纳米线单光子探测器的探测速率与纳米线的动态电感有关，动态电感越大，探测速率越低，而动态电感与纳米线长度成线性关系，考虑到探测速率和降低动态电感，对纳米线长度，即有效探测面积有所要求，所以大面积的超导单光子探测器难制备。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的问题是提高纳米线吸收光子的效率，提高探测器的灵敏度。
[0004]为解决上述问题，本发明采用的方案如下:
[0005]一种带相位光栅的超导单光子探测器，在超导单光子探测器的纳米线区上设置有相位光栅；所述相位光栅的栅高为入射光波长31相位对应的厚度的奇数倍。
[0006]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，该超导单光子探测器基于氮化铌。
[0007]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，包括高阻硅衬底、反射层、氮化铌纳米线和相位光栅；所述氮化铌纳米线铺设在反射层上，形成纳米线区；所述放射层由透明材料制成，铺设在高阻硅衬底上，位于氮化铌纳米线与高阻硅衬底之间；所述氮化铌纳米线的两端设置有电极；所述相位光栅设置于氮化铌纳米线上，由透明材料制成。
[0008]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，所述反射层和相位光栅由二氧化硅材料制成。
[0009]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，所述相位光栅的厚度为
(2/7-ιμ
^其中，λ为入射光波长，II1为相位光栅材料折射率，η为正整数。
[0010]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，所述反射层的厚度为(2/?-1)λ
~其中，λ为入射光波长，Ii1为反射层材料折射率，η为正整数。
[0011]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器，所述相位光栅的栅高为 ηλ
2(/7| _/7 )其中，λ为入射光波长,Ii1为相位光栅材料折射率，η2为相位光栅外介质的折射率，η为正整数。
[0012]进一步，根据本发明的带相位光栅的超导单光子探测器的制备方法，包括如下步骤:
[0013]S1:在高阻硅衬底上生长二氧化硅放射层；
[0014]S2:在二氧化硅放射层上采用磁控溅射的工艺生长氮化铌薄膜；
[0015]S3:在氮化铌薄膜上采用光刻工艺制备金薄膜电极；
[0016]S4:采用电子束曝光套刻并使用反应离子刻蚀机刻蚀制备氮化铌纳米线；
[0017]S5:在氮化铌纳米线上生长二氧化硅相位光栅层；
[0018]S6:在二氧化娃相位光栅层上光刻并用刻蚀的方法制备出相位光栅。
[0019]本发明的技术效果如下:本发明的带相位光栅的超导单光子探测器在纳米线区上的相位光栅对光束产生干涉聚焦效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，从而提高了氮化铌纳米线对光子的吸收效率。仿真结果表明，该带相位光栅的超导纳米线单光子探测器，在可见光和红外的多个频率段，均具有很高的探测效率，在850nm波长，光子的吸收效率高达72%，在 684nm, 732nm, 924nm, 1256nm和 1426nm吸收效率分别达到 70%，60.73% , 61.7% ,41.2%，and46.5%。。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的超导单光子探测器的结构示意图。
[0021]图2是本发明的超导单光子探测器的去除相位光栅后的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。
[0023]一、带相位光栅的超导单光子探测器的结构
[0024]如图1、图2所示，一种带相位光栅的超导单光子探测器，包括高阻硅衬底1、反射层2、氮化铌纳米线3和相位光栅5。氮化铌纳米线3铺设在反射层2上，形成纳米线区。放射层2由透明材料制成，具体来说为二氧化硅。放射层2铺设在高阻硅衬底I上，位于氮化
(2/7-1)/.铌纳米线3与高阻硅衬底I之间。放射层2的厚度L满足^~其中，λ为入射光波
碼 ，
长，Ii1为反射层材料折射率，η为正整数。在氮化铌纳米线3的两端设置有电极4。电极4由金(Au)制成。相位光栅5设置于氮化铌纳米线2上，由透明材料制成，具体来说由二氧
(2/7-1)Λ
化硅制成。相位光栅5的厚度D满足 2ff| 其中，λ为入射光波长，II1为反射层材料折射率，η为正整数。相位光栅5上设有栅台51。栅台51的高H，即栅高，为入射光波长π相ηλ
位对应的厚度的奇数倍，具体来说_2in -tu)其中，λ为入射光波长，ηι为相位光栅材
H= ^ 1 ；
料折射率，n2为相位光栅外介质的折射率，η为正整数。
[0025]本实施例中的相位光栅和反射层由二氧化硅制成，本领域技术人员理解，也可以采用其透明材料制成。此外，本实施例是基于氮化铌的超导单光子探测器，本领域技术人员理解，也可以采用基于铌钛氮等其他材料的超导单光子探测器。
[0026]本发明的原理如下，当光波从上表面入射经过相位光栅5时，由于栅台51的存在，使一束光分为两束存在η相位的光，相互干涉，形成明暗相间的条纹，对入射光波产生会聚效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，光经过纳米线部分被吸收，其他部分透过纳米线继续前行，到二氧化硅与硅界面，由于两层二氧化硅厚度刚好是半波长的整数倍，绝大部分光子被反射回，光子将局域在二氧化硅层光学腔中，直到全部被氮化铌纳米线吸收。
[0027]二、带相位光栅的超导单光子探测器的制备方法
[0028]上述实施例中带相位光栅的超导单光子探测器的制备方法包括如下步骤:
[0029]S1:在高阻硅(Si)衬底I上采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺制备二氧化硅(S12)反射层2，二氧化硅反射层2作为光学谐振腔的一部分并且作为氮化铌(NbN)薄膜生长的衬底。
[0030]S2:在二氧化硅反射层2上采用直流磁控溅射工艺生长8nm厚的氮化铌薄膜。
[0031]S3:在氮化铌薄膜上采用光刻和射频磁控溅射生长金薄膜，再通过剥离制备出金电极4。
[0032]S4:通过电子束曝光系统套刻和反应离子刻蚀(RIE)制备蜿蜒的氮化铌纳米线3。
[0033]S5:使用等离子增强化学气相沉积(PECVD)生长二氧化硅光栅层。
[0034]S6:使用光刻和反应离子刻蚀(RIE)刻蚀沟槽，制备出相位光栅5。
【权利要求】
1.一种带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，在超导单光子探测器的纳米线区上设置有相位光栅；所述相位光栅的栅高为入射光波长H相位对应的厚度的奇数倍。
2.如权利要求1所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，该超导单光子探测器基于氮化铌。
3.如权利要求1所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，包括高阻硅衬底、反射层、氮化铌纳米线和相位光栅；所述氮化铌纳米线铺设在反射层上，形成纳米线区；所述放射层由透明材料制成，铺设在高阻硅衬底上，位于氮化铌纳米线与高阻硅衬底之间；所述氮化铌纳米线的两端设置有电极；所述相位光栅设置于氮化铌纳米线上，由透明材料制成。
4.如权利要求3所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，所述反射层由二氧化硅材料制成。
5.如权利要求3所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，所述相位光栅由二氧化硅材料制成。
6.如权利要求3所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，所述相位光栅
(2/7 - ιμ的厚度为2/?1 其中，λ为入射光波长，I为相位光栅材料折射率，η为正整数。
7.如权利要求3所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，所述反射层的 (2/7 - \ )λ厚度为~其中，λ为入射光波长，H1为反射层材料折射率，η为正整数。
?
8.如权利要求3所述的带相位光栅的超导单光子探测器，其特征在于，所述相位光栅
ηλ的栅高为2(λ 其中，λ为入射光波长,II1为相位光栅材料折射率，η2为相位光栅外介质的折射率，η为正整数。
9.如权利要求3至8中任一项所述的带相位光栅的超导单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 51:在高阻硅衬底上生长二氧化硅放射层； 52:在二氧化硅放射层上采用磁控溅射的工艺生长氮化铌薄膜； 53:在氮化铌薄膜上采用光刻工艺制备金薄膜电极； 54:采用电子束曝光套刻并使用反应离子刻蚀机刻蚀制备氮化铌纳米线； 55:在氮化铌纳米线上生长二氧化硅相位光栅层； 56:在二氧化娃相位光栅层上光刻并用刻蚀的方法制备出相位光栅。
【文档编号】H01L31/18GK104167452SQ201410395986
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】康琳, 顾敏, 张蜡宝, 吴培亨 申请人:南京大学