先進(jìn)制造方法推動(dòng)高性能光子探測(cè)器技術(shù)進(jìn)步

從高速通信到量子計(jì)算和傳感，光的探測(cè)、傳輸和操控(光子)已經(jīng)徹底改變了現(xiàn)代電子學(xué)。這些系統(tǒng)的核心是光子探測(cè)器，它們能夠探測(cè)和測(cè)量光子。

其中一種值得注意的類型是超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)。SNSPD利用超薄超導(dǎo)導(dǎo)線，當(dāng)光子撞擊時(shí)，這些導(dǎo)線會(huì)迅速從超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">電阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)超快速探測(cè)。

這些探測(cè)器中的導(dǎo)線以皮亞諾弧形分形圖案排列，這種圖案在不同尺度上保持一致。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得探測(cè)器能夠探測(cè)光子，無論其方向或極化(光子電場(chǎng)的方向)如何。由于這些優(yōu)勢(shì)，弧形分形SNSPD(AF SNSPD)在光探測(cè)和測(cè)距、量子計(jì)算和量子通信等應(yīng)用中至關(guān)重要。

在2024年12月25日發(fā)表于《IEEE量子電子學(xué)精選期刊》的一項(xiàng)研究中，中國天津大學(xué)的胡小龍教授和鄒凱博士提供了制造高質(zhì)量AF SNSPD的全面指南。論文概述了構(gòu)建這些探測(cè)器所需的材料和技術(shù)，并解決了與其復(fù)雜分形設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)。

胡教授說：“本文旨在介紹高性能分形SNSPD的納米和微米制造進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)這些設(shè)備成功的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)”。

AF SNSPD由三個(gè)部分組成：用于光子探測(cè)的納米線、用于捕獲光子的光學(xué)微腔，以及容納探測(cè)器并將其與光纖對(duì)齊的鑰匙孔形芯片。

制造過程首先通過離子束輔助沉積(IBD)在硅晶片上涂覆六層或八層交替的二氧化硅(SiO2)和氧化鉭(Ta2O5)來創(chuàng)建光學(xué)微腔，形成底部分布式布拉格反射器，然后添加SiO2缺陷層。

接下來，使用反應(yīng)磁控濺射在缺陷層上沉積9納米厚的氮化鈮鈦(NbTiN)超導(dǎo)薄膜，形成光子敏感表面。然后通過光刻和剝離工藝在該表面上制造鈦-金電極。

使用掃描電子束光刻將納米線圖案化為分形設(shè)計(jì)，然后通過反應(yīng)離子蝕刻轉(zhuǎn)移到NbTiN層。通過對(duì)齊光刻和IBD沉積頂部SiO2缺陷層和額外的Ta2O5/SiO2交替層來完成微腔。使用光刻、電感耦合等離子體蝕刻和博世蝕刻工藝將芯片塑造成鑰匙孔形狀，并進(jìn)行光纖連接封裝。

作者還提供了優(yōu)化納米線、光學(xué)微腔和鑰匙孔形芯片制造工藝的建議。他們的一些建議包括：應(yīng)用5納米硅或3納米SiO2層作為粘附促進(jìn)劑，以提高圖案化為納米線的抗蝕劑與NbTiN材料之間的結(jié)合;使用輔助AF納米線圖案以確保納米線寬度一致;以及精心設(shè)計(jì)光學(xué)微腔的布局和間距，以最小化光刻膠變形。

他們還建議使用精確的對(duì)齊標(biāo)記來制作鑰匙孔形芯片，并在固化過程中逐漸加熱，以增強(qiáng)光刻膠的穩(wěn)定性并最小化蝕刻缺陷。

總之，研究人員能夠開發(fā)出具有令人印象深刻的靈敏度和系統(tǒng)探測(cè)效率的SNSPD。胡教授說：“這些進(jìn)展將有助于簡(jiǎn)化分形SNSPD的制造，從而開發(fā)出具有更多功能的更先進(jìn)設(shè)備。”

SNSPD設(shè)計(jì)和制造的穩(wěn)步改進(jìn)可以為量子計(jì)算、電信和光學(xué)傳感領(lǐng)域的突破鋪平道路。

審核編輯 黃宇