[发明专利]可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法有效

专利信息
申请号: 201710257382.X 申请日: 2017-04-19
公开(公告)号: CN108735851B 公开(公告)日: 2019-11-19
发明(设计)人: 张露;尤立星;王镇 申请(专利权)人: 中国科学院上海微系统与信息技术研究所
主分类号: H01L31/09 分类号: H01L31/09;H01L29/16;G01J11/00;B82Y30/00;B82Y40/00
代理公司: 31219 上海光华专利事务所(普通合伙) 代理人: 余明伟<国际申请>=<国际公布>=<进入
地址: 200050 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 超导纳米线 单光子探测器 石墨烯 能量弛豫 恢复 载流子弛豫 超导材料 高热导率 结构结合 能力不足 制作
【说明书】:

发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法,所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括:超导纳米线;石墨烯结构,所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部。本发明通过在超导纳米线单光子探测器件中集成石墨烯结构,由于石墨烯具有高热导率和超快的载流子弛豫过程,克服了以往超导材料能量弛豫能力不足的难题,加速超导纳米线单光子探测器件能量弛豫过程,从而降低了超导纳米线单光子探测器件的恢复时间。

技术领域

本发明属于光探测技术领域,涉及一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector,SNSPD)是一种高效快速的新型单光子探测器件,可以实现从可见光到红外波段范围的单光子探测。它是将3-10nm厚度的超薄超导材料制备成纳米曲折线结构,利用超导纳米线条对单光子辐照的高灵敏度响应来实现单光子探测。目前常用的材料为低温超薄超导薄膜材料,比如NbN、NbTiN、WSi、NbSi等。器件通常在衬底上采用一些防反射膜以及光学腔体结构,现有的超导纳米线单光子探测的具体结构如图1所示,包括:衬底10,所述衬底10包括硅层101及位于硅层101上下表面的氧化硅层102;超导纳米线11,位于所述衬底10表面;光学腔体结构12,位于所述衬底10表面,且完全覆盖所述超导纳米线11;反射镜13,位于所述光学腔体结构12的表面。

SNSPD工作时被偏置在略小于但非常接近其临界电流的位置。纳米线条吸收光子后,造成超导平衡态的局域扰动,出现比超导材料库珀对更高温度的热激发准粒子区域,导致了局域“热点”的形成,热点在焦耳热的作用下不断扩大,形成一个横跨整个纳米线的有阻势垒。随后热电子的能量通过纳米线自身和衬底材料中电声子相互作用传递并弛豫,热点区域消失,纳米线重新回到超导状态,器件就可以接受下一个光子。从热点产生开始到横跨纳米线条的有阻区产生直至最后消失的时间称为准粒子能量弛豫时间。由于超导材料的能量弛豫时间很短,因此当SNSPD接收到单个光子后,就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号,从而实现单光子的探测功能。

对于超薄的超导材料,比如NbN或Nb薄膜,被光子激发准粒子的能量可以在很短的时间内(几十到上百ps)弛豫,使得SNSPD器件计数率原则上可以达到GHz以上。但器件实际工作时,电流的恢复过程(电弛豫时间τe)受限于线条的动态电感Lk以及负载电阻Rload,一般为ns量级。使用并联结构或者串联电阻等方式,可以缩小恢复时间,提高计数率,但提升空间受到电热负反馈效应的限制。另外,当电感效应被抑制后,纳米线能量弛豫过程将成为计数率的另外一个限制因素。目前报道的基于WSi材料的SNSPD计数率最高为25MHz,远低于基于NbN材料的SNSPD计数率625MHz,其原因就在于WSi材料能量弛豫速度慢。如果超导材料能量弛豫能力不足导致热点冷却过慢,器件将Latching到一个直流电阻状态,无法再探测光子。

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可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件及制作方法,用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器件由于超导纳米线能量弛豫能力不足而使得恢复时间受到很大限制的问题。

为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件,所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件包括:超导纳米线;石墨烯结构,所述石墨烯结构结合于所述超导纳米线的底部。

作为本发明的可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案,所述可降低恢复时间的超导纳米线单光子探测器件还包括:衬底;所述石墨烯结构及所述超导纳米线依次叠置于所述衬底的表面;光学腔体结构,位于所述衬底的表面,且完全覆盖所述石墨烯结构及所述超导纳米线;反射镜,位于所述光学腔体结构的表面。

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