基于介质超表面的中红外高效率超导探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器及其制备方法。

背景技术

人类探索物种起源的脚步从未停过，随着红外探测技术的发展，人类向太空探索，向微小物种探索。红外探测是天文探测、生物探测以及军事探测中的核心关键技术之一。大气层存在3微米到5微米的大气层窗口，因此中红外探测的研究变得更加迫切和重要。而地基天文探测依赖于极高灵敏度和低暗计数的中红外探测器。超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)是一种21世纪新型的超导单光子探测器，至今发展了20多年，探测器具有暗计数低、探测速度快、响应频谱宽和效率高等特点。之前研究人员主要将超导纳米线单光子探测器应用于1064nm和1550nm的通信波段，并且进行相关性能研究。这两年来，SNSPD在中红外波段的研究受到广泛关注。常规超导纳米线单光子探测器核心部分是一根线宽60-80纳米，厚度为6-8纳米的纳米线构成，以此提高超导探测器的光响应灵敏度。不同波段的光具有的能量不同，波长越长，能量越低，对探测器的响应提出极高的要求。由于纳米线表面与空气存在阻抗不匹配，在纳米线-空气界面会存在明显的光反射和光透射，所以只有20％的光子能量能够被纳米线被纳米线吸收。因此，大部分的光子信息丢失，不能充分发挥SNSPD的优势，迫切需要有新型光学结构增强纳米线吸收。

另外一方面，随着超表面领域和微纳加工技术领域的蓬勃发展，研究人员对光的操控技术更加成熟。超表面多用于操控光的方向，偏振，以及强度等光的特质。介质超表面是一种以介质层材料为基础的人造表面结构，具有高折射率、低损耗、易加工等特点。介质超表面核心部分由一种或多种介质超表面材料，根据具体的设计波段设计结构尺寸。

中红外SNSPD的工作环境温度在1K以下，将SNSPD偏置低于超导转变电流。SNSPD的探测效率由三个部分进行构成：光耦合效率，纳米线吸收效率和量子效率。SNSPD使用低能隙超导材料，并合理设计线宽，能够将本征量子效率接近于1。因此，影响SNSPD系统探测效率的因素主要是光耦合效率和纳米线吸收效率。在生物探测和天文探测中，采用的大空间光耦合，黑体源辐射出的光斑能够覆盖纳米线的光敏面。在该过程中，更多需要考虑纳米线吸收效率。

现有的常规方式是采用F-P腔覆盖纳米线，并在介质层上生长金反射镜，实现了纳米线较高的吸收效率，但是介质层的高度取决于响应波长，在近红外波段(1064nm和1550nm)使用广泛。但是在中红外波段(3μm-5μm)中，意味着该方法的介质层厚度达到了通信波段介质层厚度的2倍以上。这对介质层的生长的均匀性和工艺提出了巨大的挑战。原因是生长介质层的设备通常是分为化学沉积法和物理沉积法，沉积速度过快会导致介质层薄膜品质下降，同时会出现大面积不均匀的情况；沉积速度过慢会导致出现制备时间变长，生产效率下降。另外一个方面，超导薄膜性能比较容易受到环境影响，在实际制备中任何的出错都有可能造成超导薄膜的性能退化，甚至材料不超导。

另外方式是金属天线增强SNSPD吸收。这种方法存在两个问题：一方面是金属材质在中红外波段的损耗明显，导致有一部分的光是被金属天线吸收，意味着超导纳米线只能吸收一部分的光子能力，造成光子信息丢失；另外一方面，金属天线增强纳米线吸收是基于强耦合方式，金属天线是需要完全搭在纳米线的两侧，精度在5纳米以下，对现有多次的电子束曝光技术来说复现困难。如果没有实现完全搭载纳米线两侧，出现了偏移，纳米线的吸收会出现明显的下降。

目前，中红外超导纳米线探测器存在吸收低、制备难度高、成品率低等难点。FP腔集成探测器的步骤复杂，实施难度大，需要长时间的沉积介质层，介质层容易出现不均匀情况，而超导薄膜容易在加工工艺中受到破坏，对整体的制备工艺要求极高。金天线集成探测器的耦合难度大，容易出现偏离纳米线区域的情况。

综上，亟需一种不涉及金属材料结构，实现超导纳米线高吸收实现增强超导纳米线性能的介质超表面结构。介质超表面结构需要符合实际芯片加工流程，成品率高，工艺复杂性较小的特质。介质超表面结构不涉及超高精度的耦合工艺，同时制备的难度大大降低，有利于提高探测器的成品率，潜在降低的整个应用的成本。特地选择的介质材料是易于实验室和生产线大规模批量制造的氟化镁和锗，这两种材料在中红外波段的超低损耗材料，能够实现超导纳米线对光的吸收接近于100％。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器及其制备方法，大幅度提高了超导单光子探测器的集成度，降低了工艺制作步骤，从而扩展了应用领域。

技术方案：本发明所述的一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，包括介质超表面阵列、电极、超导纳米线、衬底及对准标记；所述超导纳米线结合于介质超表面阵列下，衬底结合于超导纳米线下；所述介质超表面阵列由若干介质超表面单元周期性排布组成；所述电极铺设在超导纳米线两侧，位于衬底上，和超导纳米线相连；所述对准标记使介质超表面阵列耦合在超导纳米线上。

进一步地，所述介质超表面阵列的面积大于超导纳米线区域的面积；所述阵列间隔周期为1.8微米至2.5微米。

进一步地，所述超导纳米线结构由单像元纳米线构成，呈蜿蜒的光栅形式，线条宽度为60～80纳米，厚度为5～10纳米。

进一步地，所述衬底的材料为低折射率红外透明材料。

进一步地，所述超导纳米线的顶端和介质超表面单元的底端直接接触。

进一步地，所述介质超表面单元的半径为0.3微米至0.8微米；所述高度为0.2微米至1微米。

基于相同的发明构思，本发明所述的一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用磁控溅射的方法在衬底上生长出超导薄膜层，并将超导薄膜制备成超导纳米线；

(2)采用电子束蒸发的方法，在超导纳米线表面依次生长出包括氟化镁层和锗层的介质层；

(3)用对准标记找到纳米线区域，再利用刻蚀方法在纳米线的介质层刻蚀制备出介质超表面阵列。

进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：

在超导薄膜层表面旋涂正性电子束抗蚀胶PMMA4；定制设计版图；电子束曝光机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；显影、定影处理，得到具有纳米线形状的正性光刻胶掩膜；利用反应离子刻蚀对多余的薄膜刻蚀并去掉多余的残胶。

进一步地，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：

在超导纳米线表面覆盖正性光刻胶，厚度为3微米左右；

紫外光刻机对正性光刻胶进行指定区域曝光，指定区域为超导纳米线区域上方，曝光时间为6秒到10秒；

显影处理，得到相应正性光刻胶掩膜；

在掩膜上利用电子束蒸发缓速沉积得到介质层，控制速度在0.1纳米-1纳米生长，沉积厚度为0.2微米-1微米；

采用丙酮浸泡样品工艺，剥离掉多余的介质层，制备得到目标区域的介质层。

进一步地，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：

在介质层表面覆盖一层正性电子束抗蚀胶ZEP250；

利用对准标记，电子束曝光机在纳米线正上方进行曝光；

使用乙酸戊酯显影80s到120s、使用异丙醇定影10s到30s处理，得到具有圆形的正性光刻胶掩膜；

利用等离子体刻蚀对多余的介质层刻蚀并去掉多余的残胶，使用的反应气体是SF

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明提供的介质超表面超导纳米线单光子探测器，具有纳米线吸收效率高，本征量子效率高的特点，可应用于对高效率且集成度高的中红外应用领域；2、和传统的FP腔超导单光子探测器相比，本发明具有工艺制备简单，介质层厚度薄，极低损耗操控光，可以实现纳米线的完全吸收；3、与一般的超导单光子探测器相比，本发明解决了光到达超导纳米线单光子探测器端面的阻抗不匹配问题，从根本上降低了光子信息损耗的可能性；4、本发明采用的等离子体刻蚀方式能够有效制备出了符合设计尺寸的介质超表面阵列，介质表面沉积均匀。

附图说明

图1是介质超表面超导纳米线单光子探测器三维结构示意图；

图2是介质超表面单元覆盖超导纳米线单光子探测器中间区域二维截面示意图；

图3是若干介质超表面单元覆盖超导纳米线单光子探测器的扫描电镜三维图；

图4是若干介质超表面单元覆盖介质超表面超导纳米线单光子探测器的扫描电镜俯视图；

图5是介质超表面超导纳米线单光子探测器在波长为2.5微米到4微米的范围内的吸收率数值计算图；

图6是不规则衬底介质超表面超导纳米线单光子探测器三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图6所示，本发明提出一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，括介质超表面阵列、电极2、超导纳米线3、衬底4对准标记5。如图2所示，超导纳米线3结合于介质超表面阵列下，衬底4结合于超导纳米线3下；介质超表面阵列由若干介质超表面单元1周期性排布组成；电极2铺设在超导纳米线3两侧，位于衬底4上；超导纳米线3是一根连续的线条，线条的两个端点分别会接一个电极2；对准标记5在超导纳米线3的四周区域，建立一套坐标系，让介质超表面阵列顺利耦合在超导纳米线3上。

衬底4为石英，氟化镁，氟化钙等低折射率红外透明材料。介质超表面阵列面积大于超导纳米线3区域的面积；阵列间隔周期为1.8微米至2.5微米。超导纳米线3由单像元纳米线构成，呈蜿蜒的光栅形式，线条宽度为60～80纳米，厚度为5～10纳米。超导纳米线3的两端设置金属电极2，可与外部电路进行连接。金属电极2铺设在超导纳米线3两侧，位置由纳米线位置决定。介质超表面单元1的底端和超导纳米线3的顶端直接接触。介质超表面单元1的半径为0.3微米至0.8微米和高度0.2微米至1微米，使纳米线的吸收效率提高。

超导纳米线3为NbN超导材料，其周期为310纳米，纳米线宽60纳米。介质超表面阵列为锗材料，其周期为1.8微米，半径为590纳米。探测器的吸收率仿真结果如图5所示，波长为3.1微米到3.5微米的范围内，纳米线的吸收效率在3.33微米达到98％以上。

本发明还提供了一种基于介质超表面的中红外高效率超导单光子探测器制备方法，关键在于制造出符合设计值的介质表面和超导纳米线，并且不会脱落。首先对衬底4上生长出超导薄膜并且制备好超导纳米线3；其次，在超导纳米线3表面依次生长出氟化镁层和锗层；最后，用对准标记5找到纳米线区域，再利用刻蚀方法在纳米线的介质层刻蚀制备出介质超表面阵列。具体包括以下步骤：

步骤1：使用中红外波段制备石英衬底，对石英衬底进行清洗后沉积超导材料薄膜，得到约8nm极薄膜层。

分别使用丙酮和无水乙醇低功率超声除去石英衬底表面的杂质和灰尘，保证石英衬底的高洁净度并用氮气吹干。利用磁控溅射的方法在石英衬底沉积超导薄膜。

步骤2：制备电极和对准标记。

纳米薄膜沉积在衬底上，在衬底上制备电极。在超导薄膜层表面旋涂正性光刻胶AZ1500；紫外光刻机对正性光刻胶进行曝光；显影处理，得到具有电极形状和对准标记的正性光刻胶掩膜；在掩膜上沉积得到金属层；采用lift-off工艺制备得到电极和对准标记。

步骤3：采用电子束曝光的方法，制备超导纳米线。

在超导薄膜层表面旋涂正性电子束抗蚀胶PMMA4；定制设计版图；电子束曝光机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；显影、定影处理，得到具有纳米线形状的正性光刻胶掩膜；利用反应离子刻蚀对多余的薄膜刻蚀并去掉多余的残胶。

步骤4：采用电子束蒸发的方法，制备包括氟化镁层和锗层的介质层。

在超导纳米线表面覆盖正性光刻胶，厚度为3微米左右；紫外光刻机对正性光刻胶进行指定区域曝光，指定区域为超导纳米线区域上方，曝光时间为6秒到10秒；显影处理，得到相应正性光刻胶掩膜；在掩膜上利用电子束蒸发缓速沉积得到介质层，控制速度在0.1纳米-1纳米生长，沉积厚度为0.2微米-1微米；采用丙酮浸泡样品工艺，剥离掉多余的介质层，制备得到目标区域的介质层。

步骤5：采用电子束曝光和等离子体刻蚀的方法，制备介质超表面阵列。

制备介质层，之后通过电子束光刻的方式进行图形转移，ICP刻蚀等步骤才能够制备出介质超表面。

在介质层表面覆盖一层正性电子束抗蚀胶ZEP250；利用对准标记，电子束曝光机在纳米线正上方进行曝光；使用乙酸戊酯显影80s到120s、使用异丙醇定影10s到30s处理，得到具有圆形的正性光刻胶掩膜；利用等离子体刻蚀对多余的介质层刻蚀并去掉多余的残胶，使用的反应气体是SF

本发明通过创新性介质超表面阵列设计在超导纳米线单光子探测器端面，并结合微纳加工工艺，可制备得到中红外波段响应、高效率的介质超表面超导纳米线单光子探测器。