【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电探测，具体涉及一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器及其制备方法。
技术介绍
1、人类探索物种起源的脚步从未停过，随着红外探测技术的发展，人类向太空探索，向微小物种探索。红外探测是天文探测、生物探测以及军事探测中的核心关键技术之一。大气层存在3微米到5微米的大气层窗口，因此中红外探测的研究变得更加迫切和重要。而地基天文探测依赖于极高灵敏度和低暗计数的中红外探测器。超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single photon detector,snspd)是一种21世纪新型的超导单光子探测器，至今发展了20多年，探测器具有暗计数低、探测速度快、响应频谱宽和效率高等特点。之前研究人员主要将超导纳米线单光子探测器应用于1064nm和1550nm的通信波段，并且进行相关性能研究。这两年来，snspd在中红外波段的研究受到广泛关注。常规超导纳米线单光子探测器核心部分是一根线宽60-80纳米，厚度为6-8纳米的纳米线构成，以此提高超导探测器的光响应灵敏度。不同波段的光具有的能量不同，波长越长，能量越低，对探测器的响应提出极高的要求。由于纳米线表面与空气存在阻抗不匹配，在纳米线-空气界面会存在明显的光反射和光透射，所以只有20％的光子能量能够被纳米线被纳米线吸收。因此，大部分的光子信息丢失，不能充分发挥snspd的优势，迫切需要有新型光学结构增强纳米线吸收。
2、另外一方面，随着超表面领域和微纳加工
的蓬勃发展，研究人员对光的操控技术更加成熟。超表面多用于操控光的
3、中红外snspd的工作环境温度在1k以下，将snspd偏置低于超导转变电流。snspd的探测效率由三个部分进行构成：光耦合效率，纳米线吸收效率和量子效率。snspd使用低能隙超导材料，并合理设计线宽，能够将本征量子效率接近于1。因此，影响snspd系统探测效率的因素主要是光耦合效率和纳米线吸收效率。在生物探测和天文探测中，采用的大空间光耦合，黑体源辐射出的光斑能够覆盖纳米线的光敏面。在该过程中，更多需要考虑纳米线吸收效率。
4、现有的常规方式是采用f-p腔覆盖纳米线，并在介质层上生长金反射镜，实现了纳米线较高的吸收效率，但是介质层的高度取决于响应波长，在近红外波段(1064nm和1550nm)使用广泛。但是在中红外波段(3μm-5μm)中，意味着该方法的介质层厚度达到了通信波段介质层厚度的2倍以上。这对介质层的生长的均匀性和工艺提出了巨大的挑战。原因是生长介质层的设备通常是分为化学沉积法和物理沉积法，沉积速度过快会导致介质层薄膜品质下降，同时会出现大面积不均匀的情况；沉积速度过慢会导致出现制备时间变长，生产效率下降。另外一个方面，超导薄膜性能比较容易受到环境影响，在实际制备中任何的出错都有可能造成超导薄膜的性能退化，甚至材料不超导。
5、另外方式是金属天线增强snspd吸收。这种方法存在两个问题：一方面是金属材质在中红外波段的损耗明显，导致有一部分的光是被金属天线吸收，意味着超导纳米线只能吸收一部分的光子能力，造成光子信息丢失；另外一方面，金属天线增强纳米线吸收是基于强耦合方式，金属天线是需要完全搭在纳米线的两侧，精度在5纳米以下，对现有多次的电子束曝光技术来说复现困难。如果没有实现完全搭载纳米线两侧，出现了偏移，纳米线的吸收会出现明显的下降。
6、目前，中红外超导纳米线探测器存在吸收低、制备难度高、成品率低等难点。fp腔集成探测器的步骤复杂，实施难度大，需要长时间的沉积介质层，介质层容易出现不均匀情况，而超导薄膜容易在加工工艺中受到破坏，对整体的制备工艺要求极高。金天线集成探测器的耦合难度大，容易出现偏离纳米线区域的情况。
7、综上，亟需一种不涉及金属材料结构，实现超导纳米线高吸收实现增强超导纳米线性能的介质超表面结构。介质超表面结构需要符合实际芯片加工流程，成品率高，工艺复杂性较小的特质。介质超表面结构不涉及超高精度的耦合工艺，同时制备的难度大大降低，有利于提高探测器的成品率，潜在降低的整个应用的成本。特地选择的介质材料是易于实验室和生产线大规模批量制造的氟化镁和锗，这两种材料在中红外波段的超低损耗材料，能够实现超导纳米线对光的吸收接近于100％。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提出了一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器及其制备方法，大幅度提高了超导单光子探测器的集成度，降低了工艺制作步骤，从而扩展了应用领域。
2、技术方案：本专利技术所述的一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，包括介质超表面阵列、电极、超导纳米线、衬底及对准标记；所述超导纳米线结合于介质超表面阵列下，衬底结合于超导纳米线下；所述介质超表面阵列由若干介质超表面单元周期性排布组成；所述电极铺设在超导纳米线两侧，位于衬底上，和超导纳米线相连；所述对准标记使介质超表面阵列耦合在超导纳米线上。
3、进一步地，所述介质超表面阵列的面积大于超导纳米线区域的面积；所述阵列间隔周期为1.8微米至2.5微米。
4、进一步地，所述超导纳米线结构由单像元纳米线构成，呈蜿蜒的光栅形式，线条宽度为60～80纳米，厚度为5～10纳米。
5、进一步地，所述衬底的材料为低折射率红外透明材料。
6、进一步地，所述超导纳米线的顶端和介质超表面单元的底端直接接触。
7、进一步地，所述介质超表面单元的半径为0.3微米至0.8微米；所述高度为0.2微米至1微米。
8、基于相同的专利技术构思，本专利技术所述的一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器的制备方法，包括以下步骤：
9、(1)采用磁控溅射的方法在衬底上生长出超导薄膜层，并将超导薄膜制备成超导纳米线；
10、(2)采用电子束蒸发的方法，在超导纳米线表面依次生长出包括氟化镁层和锗层的介质层；
11、(3)用对准标记找到纳米线区域，再利用刻蚀方法在纳米线的介质层刻蚀制备出介质超表面阵列。
12、进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：
13、在超导薄膜层表面旋涂正性电子束抗蚀胶pmma4；定制设计版图；电子束曝光机对正性电子束抗蚀胶进行图案化曝光；显影、定影处理，得到具有纳米线形状的正性光刻胶掩膜；利用反应离子刻蚀对多余的薄膜刻蚀并去掉多余的残胶。
14、进一步地，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
15、在超导纳米线表面覆盖正性光刻胶，厚度为3微米左右；
16、紫外光刻机对正性光刻胶进行指定区域曝光，指定区域为超导纳米线区域上方，曝光时间为6秒到10秒；
17、显影处理，得到相应正性光刻胶掩膜；
18、在掩膜上利用电子束蒸发缓速沉积得到介质本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述探测器包括介质超表面阵列、电极、超导纳米线、衬底及对准标记；所述超导纳米线结合于介质超表面阵列下，衬底结合于超导纳米线下；所述介质超表面阵列由若干介质超表面单元周期性排布组成；所述电极铺设在超导纳米线两侧，位于衬底上，和超导纳米线相连；所述对准标记使介质超表面阵列耦合在超导纳米线上。
2.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述介质超表面阵列的面积大于超导纳米线区域的面积；所述阵列间隔周期为1.8微米至2.5微米。
3.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述超导纳米线结构由单像元纳米线构成，呈蜿蜒的光栅形式，线条宽度为60～80纳米，厚度为5～10纳米。
4.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述衬底的材料为低折射率红外透明材料。
5.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述超导纳米线的顶端和介质超表面单元的底端直接接触。<...
【技术特征摘要】
1.一种基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述探测器包括介质超表面阵列、电极、超导纳米线、衬底及对准标记；所述超导纳米线结合于介质超表面阵列下，衬底结合于超导纳米线下；所述介质超表面阵列由若干介质超表面单元周期性排布组成；所述电极铺设在超导纳米线两侧，位于衬底上，和超导纳米线相连；所述对准标记使介质超表面阵列耦合在超导纳米线上。
2.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述介质超表面阵列的面积大于超导纳米线区域的面积；所述阵列间隔周期为1.8微米至2.5微米。
3.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述超导纳米线结构由单像元纳米线构成，呈蜿蜒的光栅形式，线条宽度为60～80纳米，厚度为5～10纳米。
4.根据权利要求1所述的基于介质超表面的中红外高效率超导探测器，其特征在于，所述衬底的材料为...
【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，戴越，范克彬，朱凤捷，涂学凑，康琳，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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