[发明专利]一种超导纳米线单光子探测器阵列的设计

说明书

本发明公开了一种超导纳米线单光子探测器阵列的设计，在基底上生成纳米薄膜，在纳米薄膜上生成第一电极和网格状的第二电极，第二电极包括行列电极和顶层电极，在网格中生成纳米线单元，组成探测器阵列；本发明将三维工艺转化为二维工艺，降低了工艺难度，保持了超大像素，行列电极分次生长，降低了读出电路的难度，行列电极有隔离层，分辨能力强，纳米线的宽度合适，均匀性好，器件性能优，成品率高。

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种纳米阵列技术。

背景技术

超导纳米线单光子探测器，简称SNSPD，是一种新型的单光子探测器，具有效率高、暗计数低、探测速度快、响应频谱宽等特点。

超导纳米线单光子探测器的芯片部分由纳米量级厚度的超导材料薄膜构成，例如5～7nm厚度的NbN、MoSi薄膜。

为了提高超导纳米线的光耦合效率，一般将纳米线制作成蜿蜒结构。SNSPD工作在低于4K的温度条件下，外接略小于临界电流的偏置电流。超导纳米线吸收光子后，库珀电子对被破坏，在纳米线上形成热点区域，使得该位置上的纳米线区域从超导态转变为电阻态。

在偏置电流的作用下，失超的纳米线区域产生焦耳热，使得热点区域进一步扩散，最终形成完全的电阻区域。此时，偏置电流流向外部读出电路，检测电路可以产生电压脉冲输出探测信号。

单根纳米线在吸收光子之后存在一段驰豫时间，在这个时间内无法继续吸收光子产生响应。经过一段驰豫时间，热点区域通过向衬底的散热，库珀对重新形成，纳米线恢复超导状态，可以继续吸收光子。

目前国际上主流超导纳米线单光子探测器为单像元器件，不具备光子数分辨能力。由于纳米线面积小，耦合效率不高，限制了响应速度。

超导纳米线单光子探测器阵列器件可以很好的解决上述问题，却存在结构复杂、制备难度高、成品率低等难点。简单复制单元结构，不仅对制备成品率要求更高，而且复杂行列电路需要三维结构布线，对于薄膜厚度只有几纳米厚、线宽只有几十纳米的探测器纳米线，制备工艺要求极高。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种超导纳米线单光子探测器阵列的设计，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

在清洗过的基底上采用磁控溅射技术生成纳米薄膜，在纳米薄膜外圈采用光刻工艺生成第一电极，在纳米薄膜内圈采用电子曝光工艺生成网格状的第二电极，在第二电极的网格中采用等离子刻蚀工艺生成蜿蜒状的纳米线，由纳米线并联电阻组成纳米线单元，数个纳米线单元组成探测器阵列的阵元。

第二电极由交错排布的行电极和列电极组成，在相邻列电极之间设置电极隔离层和空隙，在电极隔离层上采用电子曝光工艺生成顶层电极以连接相邻列电极，行电极从空隙通过。

用丙酮和酒精通过超声5至15min去除基底表面附着的杂质，用去离子水冲洗和氮气吹干，生成5至7nm厚的纳米薄膜。

在纳米薄膜表面旋涂正性光刻胶，采用图案化曝光、显影、定影工艺生成电极形状的光刻胶掩膜，在掩膜上采用lift-off工艺生成第一电极。

在纳米薄膜表面旋涂正性电子曝光胶，采用电子曝光工艺生成电极形状的曝光胶掩膜，在掩膜上采用lift-off工艺生成第二电极。

在纳米薄膜表面旋涂负性电子曝光胶，采用电子曝光、显影、定影、氮气吹扫工艺生成纳米线形状的曝光胶掩膜，在掩膜上采用等离子刻蚀工艺生成纳米线。

在纳米薄膜表面旋涂正性电子曝光胶，采用电子曝光工艺生成电极形状的曝光胶掩膜，在掩膜上采用lift-off工艺生成顶层电极。

第一电极采用100nm厚的金电极，第二电极采用40nm厚的金电极。

基底采用硅或硅化物，纳米薄膜和纳米线采用NbN、WSi或NbTiN。