[发明专利]一种中红外波段的宽谱高效率探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种中红外波段的宽谱高效率探测器，自下而上依次包括硅片、反射层和介质层，介质层的表面设置U型超导纳米线，U型超导纳米线的开口端分别与金电极一、金电极二相连，U型超导纳米线的两侧对称设置金天线，金电极一与恒压源相连，金电极二接地。本发明还公开了一种中红外波段的宽谱高效率探测器的制备方法。本发明的基于金天线增强的超导纳米线单光子探测器，具有场增益高、光敏面积大、纳米线吸收效率高、本征量子效率高、极低填充率等特点，能够高效率的应用于中红外波段探测应用领域；与传统的光学腔超导单光子探测器相比，具有工艺制备可行性高、与平面工艺兼容性高、具备场增益等优点，可以探测更宽波段的中红外光信号。

技术领域

本发明属于探测器及其制法，具体为一种中红外波段的宽谱高效率探测器及其制备方法。

背景技术

随着各类中红外波段探测器技术的蓬勃发展，人类探寻宇宙深处的步伐越来越快。宇宙大爆炸的原因、物种起源的秘密、宜居星球的寻找等诸多科学问题都依赖于高性能光电探测器。而中红外波段(3～5μm)作为大气窗口之一，可以在地球上实现对外太空探索和观测。一方面，相较于太空望远镜，地面上的中红外探测器能够满足一部分的需求，并且成本更低、地面可控性更好、结构更紧凑。另外一方面，物种起源的关键分子谱线的吸收峰主要分布在中红外波段，宇宙深处中传输到地球上的光信号极其微弱，因此对中红外波段的探测器提出了更高的要求。

为了评价各类中红外波段探测的性能，1959年Jones提出了“归一化探测率”的概念，归一化探测率和探测面积与响应带宽成正比，和等效噪声功率成反比。因此，对于同时具备大探测面积，宽响应范围，低等效噪声功率的中红外探测器需求十分迫切。相较于可见光和近红外波段，中红外波段的光信号更加微弱，探测难度更大，因此对探测器的灵敏度提出了更高的要求。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是21世纪的新型高性能单光子探测器，其具有高探测效率，宽频谱响应，低暗计数，极低的等效噪声功率和极低的时间抖动等特点。SNSPD的核心在于一根线宽小于100nm的超导线条，通常是用厚度小于10nm的超导薄膜的超导材料刻蚀而成。SNSPD放置在低温环境下，当单个光子被纳米线吸收后，由于纳米线内部的库珀电子对的相互作用受到影响，形成了成百上千个准粒子，并在纳米线局部形成热点扩散效应。由于纳米线局部形成电阻态，将纳米线上的电流转移到外接电阻上，通过探测器的读出电路可以实现光信号转化为电信号。

SNSPD本质是一个微纳结构，要实现大探测面积(厘米级)，对薄膜生长均匀性、电子束曝光掩膜和反应刻蚀条件具有极高的要求。首先，通常采用磁控溅射生长超导薄膜，磁控溅射成膜会受到衬底表面缺陷的影响，导致大面积的薄膜生长均匀性很难控制。其次，电子束曝光是制备纳米线的关键步骤之一，电子束曝光设备长时间工作在高电压下，会出现电子束流的不稳定现象，导致电子束抗刻蚀胶受到高能电子曝光不一致。另外，反应刻蚀的过程为通入特定的反应气体，和裸露的超导薄膜进行反应，产生气体产物，并抽除腔体内多余气体。因此可将多余的薄膜刻蚀干净，实现单根线条的最后制备。在这个过程中，气体环境浓度受空间限制，反应区域不宜太大。

目前，研究人员已经证明SNSPD在近红外波段到十微米波段具有单光子响应，因此SNSPD具备宽响应范围的特性。但是在不同波段下，纳米线的吸收效率会受到光学腔的限制，在窄带范围高吸收，宽谱吸收还有待优化。低等效噪声功率和SNSPD的暗计数以及探测效率有关。由于SNSPD工作于低温环境下，低温环境屏蔽了许多噪声信息，SNSPD的暗计数可以保持在很低水平(100cps)。而SNSPD的探测效率由三部分构成：光耦合效率、吸收效率和量子效率。光耦合效率在天文探测方面主要与探测面积有关，中红外光源需要和探测器进行准直，才能够保证高耦合效率。对于SNSPD器件性质，吸收效率和量子效率是芯片的关键性能。目前SNSPD已经被证明具备高量子效率，但是低吸收效率限制了SNSPD应用于天文探测。