本發(fā)明涉及一種單光子探測(cè)器，尤其涉及一種非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

背景技術(shù)：

1、超導(dǎo)光子探測(cè)器主要包括超導(dǎo)臨界溫度躍遷單光子探測(cè)器(transition?edgesensor,tes)，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(superconducting?nanowires?single?photondetector,snspd)。這兩種探測(cè)器都是利用超導(dǎo)材料從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅瑢?dǎo)態(tài)的過(guò)程進(jìn)行單個(gè)光子的探測(cè)。其中，tes通常由超薄的超導(dǎo)膜構(gòu)成，在光子被吸收后會(huì)產(chǎn)生微小的溫度變化，導(dǎo)致超導(dǎo)膜電阻發(fā)生變化。利用超導(dǎo)量子干涉儀將這一微小的信號(hào)放大以實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子的信號(hào)讀出，利用這種電阻變化，可以檢測(cè)到光子的存在，從而實(shí)現(xiàn)單光子的探測(cè)。tes可以在可見(jiàn)光到近紅外波段實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)效率，但是其極低的工作溫度(<10mk)無(wú)疑給制冷技術(shù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

2、相較于tes苛刻的運(yùn)行條件，snspd無(wú)需極低的工作溫度就可以實(shí)現(xiàn)紫外波段到中遠(yuǎn)紅外波段的單光子探測(cè)。snspd的主體是由超薄超導(dǎo)薄膜制備而來(lái)的超導(dǎo)納米線，工作原理是利用單個(gè)光子的能量對(duì)于超導(dǎo)納米線中庫(kù)珀對(duì)進(jìn)行拆對(duì)，從而在納米線上形成一個(gè)非超導(dǎo)態(tài)的熱點(diǎn)區(qū)域，待到該熱點(diǎn)區(qū)域的熱量通過(guò)電子-聲子作用弛豫到襯底之后，納米線會(huì)恢復(fù)初始的超導(dǎo)態(tài)，通過(guò)對(duì)該轉(zhuǎn)變?cè)诩{米線兩端產(chǎn)生的電壓脈沖的檢測(cè)和甄別可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)單個(gè)光子的探測(cè)。

3、snspd具有高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、低時(shí)間抖動(dòng)、寬響應(yīng)頻譜的優(yōu)勢(shì)，因此，它已經(jīng)在量子信息、天文探測(cè)、激光雷達(dá)和國(guó)防軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為目前最主流的單光子探測(cè)器之一。snspd的探測(cè)機(jī)理決定了納米線的超導(dǎo)能隙對(duì)可探測(cè)波段有著根本性影響，因此，目前針對(duì)中遠(yuǎn)紅外波段snspd的研制主要采用的是mosi和wsi這類低能隙材料。

4、然而這兩種材料的穩(wěn)定性較差，這就導(dǎo)致基于這類非晶硅化物納米線的snspd制備工藝較為復(fù)雜，且在使用過(guò)程中納米線會(huì)難以避免的退化，這就導(dǎo)致探測(cè)器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。綜上，探索一種低超導(dǎo)能隙且穩(wěn)定性更好的超導(dǎo)納米線以用于snspd的制備，對(duì)拓寬中遠(yuǎn)紅外波段的單光子探測(cè)有著十分重要的研究?jī)r(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種低超導(dǎo)能隙且穩(wěn)定性更好的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，包括光敏部件，所述光敏部件為非晶鎢超導(dǎo)納米線；所述非晶鎢超導(dǎo)納米線通過(guò)以下步驟制備得到：

3、(1)在襯底上生長(zhǎng)非晶鎢薄膜；

4、(2)利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法將非晶鎢膜刻蝕成迂回納米線結(jié)構(gòu)，得到非晶鎢超導(dǎo)納米線。

5、進(jìn)一步的，步驟(1)中，將襯底在丙酮、乙醇、去離子水中分別超聲清洗的時(shí)間為10min以上，以去除襯底表面的雜質(zhì)。所述襯底優(yōu)選為si/sio2襯底。采用磁控濺射在預(yù)處理過(guò)的si/sio2襯底上生長(zhǎng)納米級(jí)厚度的非晶鎢膜。

6、進(jìn)一步的，所述非晶鎢膜的生長(zhǎng)方法為磁控濺射法，磁控濺射的工藝參數(shù)為：磁控濺射靶為金屬鎢；濺射氣體為ar/n2混合氣體氛圍，氬氣的流速為40-60sccm，氮?dú)獾牧魉贋?-5sccm；磁控濺射直流靶位功率為40w-180w；工作氣壓為4.9-6.1mtorr，直流電源的電流為150-200ma，沉積速率為0.3-0.4nm/s，生長(zhǎng)時(shí)間為20s以上。所述非晶鎢膜厚度為2-20nm，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為1-10k，方塊電阻為400ω/□-40ω/□。

7、進(jìn)一步的，步驟(2)具體包括以下過(guò)程：

8、(2.1)在非晶鎢膜表面旋涂光刻膠，利用電子束曝光對(duì)光刻膠進(jìn)行納米線圖案化曝光；

9、(2.2)曝光后進(jìn)行顯影、定影處理，得到具有納米線形狀的非晶鎢膜；

10、(2.3)利用反應(yīng)離子束刻蝕法對(duì)非晶鎢膜進(jìn)行刻蝕，去除殘余的光刻膠，獲得非晶鎢納米線。

11、進(jìn)一步的，步驟(2.1)中，旋涂光刻膠時(shí)轉(zhuǎn)速為3000-4000rpm，加速度為1000-1500rpm/s，勻膠時(shí)間為60-90s；所述光刻膠的材料為pmma和/或hsq。

12、進(jìn)一步的，步驟(2.1)中，所述電子束曝光劑量設(shè)置為200-400μc/cm2，所述電子束曝光采用圖像矯正和劑量矯正以保證納米線寬度均勻。

13、進(jìn)一步的，步驟(2.2)中，顯影的時(shí)間為10-30s，在水中定影10-25s。

14、進(jìn)一步的，步驟(2.2)中，顯影、定影處理后，曝光的地方經(jīng)過(guò)顯影過(guò)程會(huì)暴露出非晶鎢膜，而沒(méi)有曝光的區(qū)域則會(huì)被pmma保護(hù)，由此便得到了光刻膠的的納米線圖案。

15、進(jìn)一步的，步驟(2.3)中，反應(yīng)離子束刻蝕的工作參數(shù)為：刻蝕氣體優(yōu)選為chf3；刻蝕氣體流速為10-25sccm；工作氣壓為0.2-0.6pa；加速電壓為180-260v，陽(yáng)極電流為4.5-6.2a，刻蝕時(shí)間為1-5min。

16、進(jìn)一步的，步驟(2.3)中，將非晶鎢膜在有機(jī)溶劑中浸泡，去除殘余的光刻膠；所述有機(jī)溶劑優(yōu)選為丙酮和/或乙醇。

17、進(jìn)一步的，步驟(2.3)中，反應(yīng)離子束刻蝕之后，曝光后裸露出非晶鎢薄膜的區(qū)域被刻蝕干凈，而未被曝光的地方由于上面存在光刻膠的保護(hù)而使得非晶鎢薄膜保存下來(lái)。

18、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，取得如下顯著效果：(1)本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了非晶鎢超導(dǎo)納米線的單光子探測(cè)，為snspd探測(cè)器提供了一種全新的材料，彌補(bǔ)了目前snspd所用低能隙材料穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，采用穩(wěn)定性好的鎢納米線作為snspd的主體材料，提高了snspd制備工藝的魯棒性，延長(zhǎng)了snspd器件的實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命。(2)本發(fā)明非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)1064nm和1550nm波段的單光子探測(cè)，在0.3k至1k的溫度范圍內(nèi)，單光子探測(cè)的量子探測(cè)效率達(dá)到100％，這為中外紅外波段snspd的開(kāi)發(fā)提供了一種優(yōu)異的材料。

技術(shù)特征：

1.一種非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，包括光敏部件，其特征在于，所述光敏部件為非晶鎢超導(dǎo)納米線；所述非晶鎢超導(dǎo)納米線通過(guò)以下步驟制備得到：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(2)具體包括以下過(guò)程：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(2.1)中，所述電子束曝光劑量設(shè)置為200-400μc/cm2，采用圖像矯正和劑量矯正以保證納米線寬度均勻。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器其特征在于，步驟(2.3)中，反應(yīng)離子束刻蝕的工作參數(shù)為：刻蝕氣體流速為10-25sccm；工作氣壓為0.2-0.6pa。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(2.3)中，反應(yīng)離子束刻蝕時(shí)，加速電壓為180-260v，陽(yáng)極電流為4.5-6.2a，刻蝕時(shí)間為1-5min。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(2.1)中，所述光刻膠的材料為pmma和/或hsq。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(1)中，采用磁控濺射在si/sio2襯底上生長(zhǎng)納米級(jí)厚度的非晶鎢膜。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，磁控濺射直流靶位功率為40w-180w。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(2.3)中，將非晶鎢膜在有機(jī)溶劑中浸泡，去除殘余的光刻膠。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，其特征在于，步驟(1)中，所述非晶鎢膜厚度為2-20nm，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為1-10k，方塊電阻為400ω/□-40ω/□。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種非晶鎢超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，包括光敏部件，光敏部件為非晶鎢超導(dǎo)納米線；非晶鎢超導(dǎo)納米線非晶鎢超導(dǎo)納米線通過(guò)以下步驟制備得到：(1)在襯底上生長(zhǎng)非晶鎢薄膜；(2)利用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法將非晶鎢膜刻蝕成迂回納米線結(jié)構(gòu)，得到非晶鎢超導(dǎo)納米線。本發(fā)明采用穩(wěn)定性好的鎢納米線作為SNSPD的主體材料，提高了SNSPD制備工藝的魯棒性，延長(zhǎng)了SNSPD器件的實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：張蠟寶,馬良,王昊,陳奇,管焰秋,魏晨,楊焯林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28