中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
高性能的中長(cháng)波單光子探測器在紅外天文和軍事國防領(lǐng)域具有重要的研究?jì)r(jià)值，也是單光子探測技術(shù)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。超導納米線(xiàn)單光子探測器（superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD）在近紅外波段已經(jīng)展示出優(yōu)異的性能，但如何進(jìn)一步提高器件的探測截止波長(cháng)λc是一個(gè)受到廣泛關(guān)注的話(huà)題。
近日，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院吳培亨教授團隊在《物理學(xué)報》期刊上發(fā)表了題為“5-10微米波段超導單光子探測器設計與研制”的最新論文，他們探討了一種通過(guò)超導無(wú)序調控輔助提高λc的方法，設計并制備出工作波段為5-10μm的超導單光子探測器。實(shí)驗測得方塊電阻Rs~320Ω/□的Mo0.8Si0.2紅外器件在6μm波長(cháng)上可以獲得完全飽和的量子效率。此外，當器件工作在0.9ISW（ISW為納米線(xiàn)超導轉變電流）的偏置電流下時(shí)，在10.2μm波長(cháng)上的量子效率達到53%。
作為諸多現代化高科技裝備的眼睛，先進(jìn)紅外探測器受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在極限靈敏探測領(lǐng)域，SNSPD已在近紅外波段展現了極好的工作性能。理論研究表明，SNSPD的工作波長(cháng)可進(jìn)一步覆蓋中長(cháng)波紅外光譜，實(shí)現高性能中長(cháng)波紅外SNSPD的研制對許多前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應用價(jià)值。
然而，隨著(zhù)探測波長(cháng)的增大，常規SNSPD的量子效率ηinternal呈指數形式下降，如何有效提高SNSPD在中長(cháng)波紅外波段上的ηinternal，成為了其發(fā)展方向上的一個(gè)關(guān)鍵性難點(diǎn)。
探測截止波長(cháng)λc是表征SNSPD量子效率ηinternal能夠達到飽和的最長(cháng)波長(cháng)。當前研究表明，納米線(xiàn)的超導能隙和截面尺寸是影響SNSPD探測截止波長(cháng)λc的兩大因素。在以上兩種技術(shù)途徑之外，本文研究發(fā)現超導薄膜的無(wú)序特性也是影響SNSPD探測截止波長(cháng)λc的一大因素。
由此，在新的技術(shù)途徑中，可以考慮通過(guò)對超導薄膜無(wú)序特性的有效調控來(lái)達到增大SNSPD探測截止波長(cháng)λc和量子效率ηinternal的目的。超導薄膜的方塊電阻Rs是衡量其無(wú)序強度的一個(gè)主要評價(jià)因子，一般認為無(wú)序越強則Rs越大。因此，本文分析了在具有不同結構尺寸的SNSPD中，Rs的大小對λc的影響。理論分析表明，在不同的線(xiàn)寬條件下，Rs增大將同步增大λc，這一理論預測在實(shí)驗中也得到了論證。本文通過(guò)增大Mo0.8Si0.2薄膜的Rs進(jìn)一步將相應SNSPD的λc從低于5μm提高到了6μm，同時(shí)在10.2μm波長(cháng)上測得量子效率ηinternal達到53%。
器件制備
為了進(jìn)一步提高器件的探測截止波長(cháng)，他們適當增大了Mo0.8Si0.2薄膜的無(wú)序強度，將薄膜的方塊電阻Rs進(jìn)一步增大到了320Ω/□，同時(shí)保持線(xiàn)寬w=30nm。探測器的總體結構如圖1（a）所示，主要包含用于信號脈沖展寬的蜿蜒納米線(xiàn)結構和響應紅外光子的窄納米線(xiàn)，這里為避免窄納米線(xiàn)在制備過(guò)程中發(fā)生漂移，在窄納米線(xiàn)上增加了多個(gè)“十字”結構。電子束曝光得到的納米線(xiàn)結構通過(guò)反應離子刻蝕轉移到Mo0.8Si0.2薄膜上，采用SF6作為刻蝕氣體，氣壓流量為40sccm，采用CHF3作為鈍化氣體，氣體流量為20sccm，在4Pa氣壓、80W功率的環(huán)境下刻蝕32s，最終得到目標器件結構。
圖1 紅外SNSPD器件結構及局部SEM圖
器件測試結果
實(shí)驗分別測量了SNSPD在6μm和10.2μm兩個(gè)波長(cháng)上的量子效率，圖2為實(shí)驗中采用的紅外SNSPD測量示意圖。選擇了兩種類(lèi)型的光源，其中采用美國海洋光學(xué)儀器生產(chǎn)的冷紅外黑體源（1500K工作溫度，氮化硅發(fā)光材料）用于輻射6μm波長(cháng)的光信號。采用QCL激光器輻射10.2μm中心波長(cháng)的光信號。
紅外光源輸出的信號光通過(guò)光學(xué)套筒、可調中性密度衰減器、窄帶濾波片、稀釋制冷機的ZnSe光學(xué)窗口以及制冷機內部的固定衰減器（光密度OD=3），最終覆蓋SNSPD的光敏面。SNSPD吸收單光子并將其轉化為一個(gè)電脈沖信號，電脈沖信號通過(guò)外部電路進(jìn)行放大并讀出，從而完成一次光子探測。
圖2 紅外SNSPD測量示意圖
在50mK的溫度下，實(shí)驗首先測量了SNSPD對6μm波長(cháng)的光探測結果，如圖3所示。
圖3 SNSPD在6μm波長(cháng)上的量子效率ηinternal以及背景輻射計數BCR隨歸一化偏置電流IB/ISW的變化關(guān)系
當SNSPD的探測波長(cháng)增大到10.2μm時(shí)，再次測量ηinternal將隨偏置電流的變化關(guān)系，如圖4所示。從實(shí)驗結果中可得當IB/ISW=0.9時(shí)，ηinternal達到53%。
圖4 SNSPD對10.2μm波長(cháng)的量子效率隨歸一化偏置電流的變化關(guān)系
結論
本文從無(wú)序出發(fā)提出了增大SNSPD探測截止波長(cháng)λc的技術(shù)方法，并進(jìn)一步討論了無(wú)序以及尺寸變化對λc的影響。研究表明，超導薄膜方塊電阻Rs的增大將同步增大λc，尤其當納米線(xiàn)寬w較小時(shí)，λc的增大速率更快。本文制備了常溫方塊電阻Rs~320Ω/□且線(xiàn)寬w=30nm的Mo0.8Si0.2紅外SNSPD，將器件工作波段擴展到了5-10μm。在6μm波長(cháng)上SNSPD可以獲得完全飽和的量子效率ηinternal，在10.2μm長(cháng)波紅外上的ηinternal達到53%，當排除超流壓縮的影響時(shí)，ηinternal理論上最高可達到92%。此外，如何平衡器件工作溫度、信噪比二者與λc之間的關(guān)系以及探索最優(yōu)的無(wú)序調控技術(shù)，是中長(cháng)波紅外SNSPD未來(lái)發(fā)展中需要解決的兩大難題。
本研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究與發(fā)展計劃、江蘇省自然科學(xué)基金的支持。
