专利名称：一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高灵敏的单光子或极微弱光信号检测器的制备方法，具体涉及一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，可应用于红外及远红外波段的单光子或极微弱光信号的检测。
背景技术：
目前，基于NbN的超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire SinglePhoton Detector，简称SNSPD)已经比较成熟，其较高的超导转变温度Γ12Κ)，暗计数率低(10c/s)，时间抖动小(60ps)，响应频谱宽(404nnTl550nm)，重复速度快0100MHz)等特点，使其在量子密钥分配，集成电路检测等领域有广泛的应用。最近，除了 NbN材料以外，许多基于其他超导材料例如MgB2, NbTiN, NbSi, WxSih, Nb等的SNSH)被研究。各种材料的SNSH)研究就是希望能够提高SNSPD的某些性能，如提高检测效率和重复速率等等。目前研究的纯Nb材料，因其在制备为超薄膜时，超导转变温度低，临界电流密度小，表现出的光响应波长也很短，因此远远不能满足应用的要求。
发明内容
发明目的针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，由于超导钉扎的效应，导致该特殊掺杂的超导铌薄膜材料较之常规的高纯Nb材料，具有较高的超导转变温度(T。)和临界电流密度(J。)，同时表现出的光响应波长较长，使得其更适合成为制备在红外波段，甚至远红外波段的SNSro材料。技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，包括如下步骤(I)将基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去离子水中超声清洗并吹干(基片在可见光下透明即可，例如MgO基片、SiO基片等)；(2)将清洗好的MgO基片送入磁控溅射设备的副室，进行Ar离子洗；(3)将Ar离子洗后的基片送入磁控溅射设备的主室，在磁控溅射设备的主室安装有特殊掺杂的Nb靶材，该Nb靶材各成分质量百分比分别为Nb 99. 6%，Al :0. 2%，Fe
O.12%,，Si :0. 05%, Ti :0. 02%, Cr :0. 01%，通过直流磁控溅射的方式生长特殊掺杂的超导Nb
薄膜；(4)在步骤(3)加工后的样品的表面旋涂电子束抗蚀剂，然后对电子束抗蚀剂进行电子束光刻，在电子束抗蚀剂上绘制出宽度小于或等于IOOnm的线条图形；(5)用反应离子刻蚀的方式进行刻蚀，将所述线条图形转移到Nb薄膜上，形成Nb纳米线条；(6)清洗残留的电子束抗蚀剂，并在样品的表面旋涂光刻胶，通过深紫外曝光的方式在光刻胶上形成电极图形；(7)生长电极。优选地,所述MgO基片双面抛光。优选地，在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括如下步骤通过交流磁控溅射的方式在Nb薄膜表面生长AlN保护薄膜。优选地，所述步骤(3)中，直流磁控溅射生长Nb薄膜的条件是背景气压小于2 X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 4Pa，溅射电流是O. 4A，溅射电压为337 340V，溅射时间是5 10s。优选地，交流磁控溅射生长AlN保护薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度为99. 999%的Al靶材，背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氮气，氮气的流量是20sccm,溅射气压是O. 27Pa，溅射功率是80W，溅射时间是5s。优选地，所述电子束抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为50nm，所述线条图形的宽度为50nm。优选地，所述步骤(5)中，进行反应离子刻蚀的刻蚀气体为SF6和CHF3，气体压强为4Pa，时间为30s，反应离子刻蚀机的功率为100W，刻蚀速率为2nm/s，SF6和CHF3的流量分别为 40sccm 和 lOsccm。优选地，所述步骤(7)中，通过直流磁控溅射的方式先生长Nb薄膜再生长Au薄膜，所述Nb薄膜和Au薄膜作为电极。更优选地，所述步骤(7)中，生长Nb薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度不低于99. 6%的Nb靶材，背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 4Pa，溅射电流是O. 4A，溅射电压为337 340V，溅射时间是200s。这里Nb薄膜的厚度为180nm。更优选地，所述步骤(7)中，生长Au薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度为99. 999%的Au靶材，背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 8Pa，溅射功率是80W，溅射时间是100s。这里Au薄膜的厚度为IOOnm0有益效果本发明使用的特殊掺杂的Nb材料，制备了基于MgO基片的SNSPD，其表面覆盖了 AlN薄膜，很好的保护了 Nb薄膜的超导特性，测量了 Nb-SNSH)的电阻-温度曲线(R-T曲线)，电流-电压曲线(I-V曲线)，制备的Nb薄膜厚度为4. 5nm-8. 5nm,制备的纳米线条厚度为IOOnm或50nm，测得在8. 5nm的薄膜厚度，IOOnm的线条宽度时，具有6. 75K的超导转变温度和I. 03 X 10nA/m2的临界电流密度，并对404nm-750nm的单光子具有响应，而测得在工艺更优化的情况下，4. 5nm的薄膜厚度，50nm的线条宽度时超导转变温度能达到
4.76K，也具有很高的临界电流密度，达到7. 24X IOkiAAi2,探测到Nb-SNSTO的单光子响应的响应波长到达2010nm。
图I是本发明的制备流程图；图2是4. 5nm厚Nb薄膜的电阻-温度曲线(R-T曲线)和Nb-SNSTO的电阻-温度曲线(R-T曲线)，图中“薄膜”指Nb薄膜，“器件”指Nb-SNSH)，即基于Nb的超导纳米线单光子探测器；图3是Nb-SNSH)在2. 85K下的电流-电压关系曲线(I-V曲线)；图4显示了一个被放大了 20dB的Nb-SNSH)的脉冲响应；图5是Nb-SNSH)的计数率和重复频率的关系图；图6是Nb-SNSH)对几个不同波长的单光子探测效率和偏置电流的关系图；图7是普通Nb材料制备的SNSH)对不同波长的单光子探测效率和归一化偏置电流的关系图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明的具体微加工制造步骤是I.首先将双面抛光的MgO基片(简称“基片”)放入丙酮溶液中超声清洗:Γ5分钟，然后将基片放入酒精溶液中超声清洗3飞分钟，最后用去离子水超声清洗3飞分钟，用氮气将基片吹干，在显微镜下查看其表面的洁净度，观察到表面光滑，无明显灰尘杂质，备用；2.将清洗好的基片粘上托盘，并送入磁控溅射设备的副室，进行Ar离子洗，Ar离子洗的目的是清除掉基片表面分子级别的杂质，条件见表I所示；表IAr离子洗条件
权利要求
1.一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，包括如下步骤(1)将基片依次放入丙酮溶液、酒精溶液和去离子水中超声清洗并吹干；(2)将清洗好的基片送入磁控溅射设备的副室，进行Ar离子洗；(3)将Ar离子洗后的基片送入磁控溅射设备的主室，在磁控溅射设备的主室安装有特殊掺杂的Nb靶材，该Nb靶材各成分质量百分比分别为Nb 99. 6%, Al :0. 2%, Fe :0. 12%, ,Si O. 05%，Ti :0. 02%, Cr :0. 01%，通过直流磁控溅射的方式生长特殊掺杂的超导Nb薄膜；(4)在步骤(3)加工后的样品的表面旋涂电子束抗蚀剂，然后对电子束抗蚀剂进行电子束光刻，在电子束抗蚀剂上绘制出宽度小于或等于IOOnm的线条图形；(5)用反应离子刻蚀的方式进行刻蚀，将所述线条图形转移到Nb薄膜上，形成Nb纳米线条；(6)清洗残留的电子束抗蚀剂，并在样品的表面旋涂光刻胶，通过深紫外曝光的方式在光刻胶上形成电极图形；(7)生长电极。
2.根据权利要求I所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述基片双面抛光。
3.根据权利要求I所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括如下步骤通过交流磁控溅射的方式在Nb薄膜表面生长AlN保护薄膜。
4.根据权利要求I所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，直流磁控溅射生长Nb薄膜的条件是背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 4Pa，溅射电流是O. 4A，溅射电压为337 340V，溅射时间是5 10s。
5.根据权利要求3所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于交流磁控溅射生长AlN保护薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度为99. 999%的Al靶材，背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氮气，氮气的流量是20SCCm，溅射气压是O. 27Pa，溅射功率是80W，溅射时间是5s。
6.根据权利要求I所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述电子束抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为50nm，所述线条图形的宽度为50nm。
7.根据权利要求I所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中，进行反应离子刻蚀的刻蚀气体为SFf^P CHF3，气体压强为4Pa，时间为30s，反应离子刻蚀机的功率为100W，刻蚀速率为2nm/s，SF6和CHF3的流量分别为40sccm和lOsccm。
8.根据权利要求3所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述步骤(7)中，通过直流磁控溅射的方式先生长Nb薄膜再生长Au薄膜，所述Nb薄膜和Au薄膜作为电极。
9.根据权利要求8所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述步骤(7)中，生长Nb薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度不低于99. 6%的Nb靶材，背景气压小于2 X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 4Pa，溅射电流是O. 4A，溅射电压为337 340V，溅射时间是200s。
10.根据权利要求8所述一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于所述步骤(7)中，生长Au薄膜的条件是在磁控溅射设备的主室安装有纯度为99. 999%的Au靶材，背景气压小于2X 10_5Pa，工作气体是氩气，氩气的流量是40SCCm，溅射气压是O. 8Pa，溅射功率是80W，溅射时间是100s。
全文摘要
本发明公开了一种基于特殊掺杂的超导铌薄膜材料的纳米线单光子探测器的制备方法，包括如下步骤将基片超声清洗并吹干；进行Ar离子洗；通过直流磁控溅射的方式生长特殊掺杂的超导Nb薄膜；旋涂电子束抗蚀剂，然后对电子束抗蚀剂进行电子束光刻，在电子束抗蚀剂上绘制出宽度小于或等于100nm的线条图形；用反应离子刻蚀的方式进行刻蚀，将线条图形转移到Nb薄膜上，形成Nb纳米线条；清洗残留的电子束抗蚀剂，并在样品的表面旋涂光刻胶，通过深紫外曝光的方式在光刻胶上形成电极图形；生长电极。本发明克服了现有的Nb材料制备的SNSPD超导转变温度低，临界电流密度低，光响应波长短的难题。
文档编号C23C14/35GK102916083SQ201210406138
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者康琳, 郏涛, 贾小氢, 张蜡宝, 吴培亨 申请人:南京大学