[发明专利]一种集成超导器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种集成超导器件及其制备方法，该集成超导器件包括衬底及位于衬底上的超导纳米线单光子探测器与超导单磁通量子电路，其中，超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，电感层及电阻层均与约瑟夫森结电连接，且电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。本发明将两种超导器件集成到同一个芯片上，无需进行跨芯片的信号传输，从而消减了噪声和系统复杂性，同时也为使用两种器件的片上系统(SOC)的构建提供了方便。

技术领域

本发明属于集成电路工艺与设计技术领域，涉及一种集成超导器件及其制备方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single-photondetector，简称SNSPD)是由超导薄膜(如NbN等)经过工艺加工构成的曲折纳米线结构，工作温度远低于超导临界温度，偏置电流稍微小于超导临界电流。一个近红外光子比NbN材料超导能隙高出2到3个数量级，当纳米线吸收一个光子时，大量库伯对被破坏，形成大量热电子，从而形成一个热点。热点使得局部超导电性被破环，电流从热点两边流过，使得电流密度增加，当电流密度超过超导临界电流时，纳米线会因为失超而产生电阻，偏置电流会在此电阻两端产生电压脉冲。通过读出电路来将这个电压脉冲捕捉到，就可以通过观测这个电压脉冲来观测光子信息。SNSPD具有高计数率、低暗计数、宽响应波段等优势。可用于量子密钥分发(QKD)、光谱测量等领域。

超导单磁通量子电路(Single Flux Quantum，SFQ)是利用超导量子干涉仪(SQUID)中的磁通量子的有无来表示逻辑“1”和“0”的新一代超导电路技术。这种电路具有高的工作频率(最高可达770GHz)、低功耗等优点，可用于高速计算和数模/模数转换器等。SFQ的关键工艺是制备约瑟夫森结，一般是由三层膜结构组成，两块超导体由一层薄绝缘体隔开，超导电子波函数之间存在干涉，从而产生超导电流。

SFQ电路与SNSPD都是工作在极低温度下，用SFQ电路读出SNSPD脉冲并处理是一个很好的选择。传统的读出电路使用了低温低噪声放大器(LNA)，然后通过同轴电缆将信号从制冷机里面引出来，通过CMOS电路进行捕捉处理，使用示波器观测。这种读出电路的实现，一是电路系统复杂，在多个器件的连接中可能会引入额外噪声，而且最重要的是在当今阵列式SNSPD越来越成为一个重要的研究方向的情况下，传统多个SNSPD阵列的读出会因为需要很多引线从低温制冷机里面引出，难以避免的会为制冷系统引入了热负载。

SFQ电路读出SNSPD信号则不会有这些问题。首先，SFQ读出电路工作频率远高于SNSPD脉冲，可以将阵列信号通过空间上压缩(并转串等技术)，从而使读出电路只需要很少的引线就可以输出完整的信号；二是数据处理，信号放大等大部分的功能都由SFQ电路实现，外界测试系统只需要读取SFQ的输出就可以得到SNSPD输出信号信息。但已有的SFQ+SNSPD的读出电路实现中，都是使用SFQ电路与SNSPD两块芯片分别置于低温环境下，然后通过同轴线将两者连接起来传递信号。这不仅会因为芯片引脚连线的暴露和同轴线的阻抗失配引入噪声，而且不利于做成一个具有完整功能的集成化片上系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成超导器件及其制备方法，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器与读取电路之间失配、噪声大以及难以集成的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成超导器件的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

形成超导纳米线单光子探测器于所述衬底上，所述超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；

形成超导单磁通量子电路于所述衬底上，所述超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，所述电感层及所述电阻层均与所述约瑟夫森结电连接，且所述电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。