一种单光子探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种单光子探测器，属于半导体器件技术领域。所述Si衬底上设置有SiO2势垒层，且SiO2势垒层上集成有库伦岛和太赫兹平面天线，所述太赫兹平面天线上设置有Al2O3势垒层和超导光子吸收薄膜。该单光子探测器利用半导体微纳加工技术制备硅基单电子晶体管，实现高灵敏的电荷探测结构，并在单电子晶体管的库伦岛附近实现基于超导隧道节的太赫兹光子‑电荷转换结构的高度集成，将基于超导体的光子‑电荷转换结构与超电荷高灵敏度的单电子晶体管读出电路相结合，实现超高灵敏度的太赫兹单光子探测器，从而推动太赫兹单光子探测器往更低频率和更高灵敏度发展。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子探测器
本专利技术涉及一种单光子探测器，属于半导体器件

技术介绍
太赫兹波频段（0.1-10THz）作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，有着极为丰富的电磁波与物质间相互作用的效应。但太赫兹频段的背景光子率极低，信号的光子能量很小，即便是对于窄隙半导体材料而言，光子能量都小于能带间隙，难以在固体中产生光生载流子。此外，由于单光子入射所产生的电荷变化信号非常微弱，难以从实验上进行准确测定，必须有非常灵敏的探测器读出电路，大大增加了太赫兹单光子探测器的实现难度。目前，为实现太赫兹单光子探测，国际上各研究小组进行了多年的研究，提出了使用单电子晶体管作为读出电路的太赫兹光子探测方案，使用极灵敏的单电子晶体管读取量子点中被入射光子激发并释放的电子实现了双量子点光子探测器。但由于在太赫兹频段，特别是低频段的光子能量太小，不足以激发半导体材料中的载流子，尽管上述器件使用了人工量子能级结构克服了本征能隙限制，但当工作波长进入更低的太赫兹频段时，所需更精细的工艺条件限制了其器件实现。同时该类器件探测结构面积很小，影响光子捕获率，工作环境也需要极低温条件，灵敏度性能较难有进一步的提高。因此，迫切需要工作频率更低、灵敏度更高的太赫兹单光子探测器。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术要解决的技术问题是提供一种单光子探测器。本专利技术的单光子探测器，它包含Si衬底、SiO2势垒层、库伦岛、太赫兹平面天线、Al2O3势垒层和超导光子吸收薄膜，所述Si衬底上设置有SiO2势垒层，且SiO2势垒层上集成有库伦岛和太赫兹平面天线，所述太赫兹平面天线上设置有Al2O3势垒层和超导光子吸收薄膜。优选的，所述库伦岛和太赫兹平面天线采用电子束曝光技术集成在Si衬底上。优选的，所述太赫兹平面天线、Al2O3势垒层和超导光子吸收薄膜构成超导-绝缘体-超导的超导隧穿结构。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：该单光子探测器利用半导体微纳加工技术制备硅基单电子晶体管，实现高灵敏的电荷探测结构，并在单电子晶体管的库伦岛附近实现基于超导隧道节的太赫兹光子-电荷转换结构的高度集成，将基于超导体的光子-电荷转换结构与超电荷高灵敏度的单电子晶体管读出电路相结合，实现超高灵敏度的太赫兹单光子探测器，从而推动太赫兹单光子探测器往更低频率和更高灵敏度发展。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的工作原理图。附图标记：Si衬底1、SiO2势垒层2、库伦岛3、太赫兹平面天线4、Al2O3势垒层5、超导光子吸收薄膜6。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1-图2所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含Si衬底1、SiO2势垒层2、库伦岛3、太赫兹平面天线4、Al2O3势垒层5和超导光子吸收薄膜6，Si衬底1上设置有SiO2势垒层2，且SiO2势垒层2上集成有库伦岛3和太赫兹平面天线4，太赫兹平面天线4上设置有Al2O3势垒层5和超导光子吸收薄膜6，库伦岛3和太赫兹平面天线4采用电子束曝光技术集成在Si衬底1上，使用太赫兹平面天线4实现高效的空间光子耦合。太赫兹平面天线4、Al2O3势垒层5和超导光子吸收薄膜6构成超导-绝缘体-超导的超导隧穿结构，超导隧道结用于光子-电荷转换，可实现低光子能量波段的光子激发，在更低的频段实现单光子探测。采用单电子晶体管作为读出电路的太赫兹光子探测器件，射频单电子晶体管为硅基单电子晶体管，超导隧道结构和射频单电子晶体管集成在同一芯片上，单电子晶体管库仑岛附近集成超导隧道结结构和太赫兹平面天线4，利用太赫兹平面天线4实现高效的空间光子耦合，利用超导隧道结结构完成太赫兹光子-电荷转化与分离，利用高灵敏射频单电子晶体管电荷计实现高速电荷探测，实现太赫兹光子计数、光子检测。当器件工作时，需处在低于其超导转变温度的环境下，并在超导隧道结上施加一个低于超导能隙的偏置电压。此时绝大部分的电子以库伯对的形式存在，因此器件中的电流极弱，只有因热能打破库伯对产生的准粒子形成的暗电流，该暗电流是器件的光子探测器的主要噪声，并随工作温度的降低以指数的形式减小。当一个太赫兹光子被连接有超导隧道结的超导光子吸收薄膜所吸收，其光子能量将打破库伯对，并形成电流脉冲，对该电流脉冲的电荷测量可得到光子能量，当器件探测高光子率的信号时，会形成隧穿电流，利用单电子晶体管作为读出电路，射频单电子晶体管作为高速高灵敏的电荷计，是一种超导光子-电荷转换结构优良的读出结构，将射频单电子晶体管与超导隧道结的集成，可达到了接近量子极限的灵敏度，实现单光子探测器。尽管已经示出和描述了本专利技术的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本专利技术的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利技术的范围由所附权利要求及其等同物限定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子探测器，其特征在于：它包含Si衬底（1）、SiO2势垒层（2）、库伦岛（3）、太赫兹平面天线（4）、Al2O3势垒层（5）和超导光子吸收薄膜（6），所述Si衬底（1）上设置有SiO2势垒层（2），且SiO2势垒层（2）上集成有库伦岛（3）和太赫兹平面天线（4），所述太赫兹平面天线（4）上设置有Al2O3势垒层（5）和超导光子吸收薄膜（6）。

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测器，其特征在于：它包含Si衬底（1）、SiO2势垒层（2）、库伦岛（3）、太赫兹平面天线（4）、Al2O3势垒层（5）和超导光子吸收薄膜（6），所述Si衬底（1）上设置有SiO2势垒层（2），且SiO2势垒层（2）上集成有库伦岛（3）和太赫兹平面天线（4），所述太赫兹平面天线（4）上设置有Al2O3势垒层（...

【专利技术属性】
技术研发人员：任舰，苏丽娜，李文佳，
申请(专利权)人：淮阴师范学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32