2011 超导纳米线单光子探测器

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.60，No.3(2011)038501*超导纳米线单光子探测器张蜡宝康琳陈健赵清源郏涛许伟伟曹春海金飚兵吴培亨(南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所，南京210093)(2010年5月15日收到;2010年6月6日收到修改稿)利用磁控溅射、电子束光刻和反应离子刻蚀等微加工技术，开展了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的研究.通过对SNSPD的设计和制备工艺参数的优化，成功制备出了高质量的SNSPD.单光子检测实验表明，制备的SNSPD对660nm波长的光信号，系统检测效率可达30%，对1550nm波长光信号，最大系统检测

2、效率为4.2%.在平均暗计数小于10c/s的情况下，系统检测效率大于20%(660nm)和3%(1550nm).关键词:单光子，氮化铌，纳米线，探测器PACS:85.25.Pb，07.57.Kp，85.60.Gz，03.67.Hk目前的SNSPD主要采用3—6nm的高质量1.引言NbN外延薄膜，用微加工手段将薄膜刻蚀成曲折线结构，NbN纳米线宽度一般在100nm左右.SNSPD超导纳米线单光子探测器(Superconducting工作在1.4—4.2K的温度，偏置在略低于临界电流NanowireSinglePhotonDetector，SNSPD)是一种利用的状态.在没有

3、光子入射时，超导纳米条处于超导超导纳米膜条进行光子检测的高灵敏光子探测态，当光子被NbN膜条吸收，吸收光子处形成一个器［1］.与现有商用单光子探测器相比［2—5］，SNSPD短暂的电阻态，器件两端有一个电压脉冲输出.通具有暗计数低、响应频谱宽、重复速度快等特点，因过对这个电压脉冲信号的计数实现对入射光子的［6—11］［12，13］检测.此在量子信息，单光子源表征，集成电路［14］［15］［16］SNSPD芯片的制备工艺复杂，高质量超薄NbN检测，高速光通讯和分子荧光检测等领域薄膜的制备技术是SNSPD的基础.目前能够独立制具有重要的应用价值.［17］备SNSPD芯片的研究

4、组寥寥可数.莫斯科师范大学1990年，Kadin等人提出利用吸收光子后在是最早开展SNSPD实验研究的小组，技术最为成二维超导体上形成的涡旋-反涡旋对(vortex-熟.他们已向多个国家的研究小组提供探测器芯antivortexpairs，VAP)来检测红外光子的思想.基于片.另外还有日本NICT，美国NIST和MIT等.南京［18］这个思想，Gupta等人提出氮化铌(niobium大学超导电子学研究所，从2007年开始SNSPD的nitride，NbN)薄膜条纹的单光子探测器模型.实验研究，已经研制出从可见光到中红外波段的单［19］Semenov等人提出给NbN薄膜条加

5、一个偏置电光子探测器，其探测效率、时间抖动等主要性能指流以辅助超导态的临界转变进而实现对单光子的标达到了国际主流水平.［1］检测.Gol'tsman等人设计了NbN超导纳米条的单本文中，我们介绍利用NbN超薄超导薄膜设计光子探测实验.他们利用宽200nm，长1μm的超导和制备SNSPD的工艺技术，SNSPD器件的筛选方法NbN薄膜条，实现了对波长为810nm的单光子信号和SNSPD的性能评价指标.［20］的检测.该研究小组通过改进器件结构，将纳米2条加工成覆盖20μm面积的曲折线结构，提高了2.器件制备与性能评价SNSPD探测器的光子耦合效率，实现了从可见光到红外光波段的

6、单光子探测.超薄NbN薄膜是制备SNSPD的纳米线最常用*国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00200，2007CB310404)和国家自然科学基金(批准号:10874074)资助的课题.通讯联系人.E-mail:kanglin@nju.edu.cn2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn038501-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.60，No.3(2011)038501［21］的材料.除NbN外，也有一些小组探索Nb，的增加，纳米线之间间距逐渐增加，直至出现纳米［22，

7、23］［24，25］［26］2NbTiN，MgB2，Mo-Re等作为SNSPD的线断条到无法形成线条.我们选择420μC/cm的超导纳米线材料.我们采用直流反应磁控溅射技术曝光剂量制备纳米线.该剂量稍大于能够刻蚀出所在MgO基片上生长了3—6nm厚度的NbN薄膜，设计图形的最小剂量，即能保证获得所需图形，又4nm，5nm和6nm厚的NbN薄膜的超导转变温度不残留光刻胶，可以获得边缘齐整间距适当的纳米分别可达到10.5K，12.0K和14.4K，NbN超导薄线条.对于宽度大于50nm的纳米的线条，曝光条件膜的生长工艺条件请参阅文