基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及制备方法与流程

本发明属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及制备方法。

背景技术：

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是近年发展起来的新型单光子探测器件，可以实现可见光到近红外波段的高效单光子探测。由于其高量子效率、低暗计数、高探测速率、低时间抖动等优势，SNSPD已迅速应用于量子信息技术、激光通信、星地测距、生物荧光探测、深度成像等应用中。

SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN、WSi等。典型厚度约为5-10nm，器件通常采用100nm左右宽度的曲折纳米线结构。SNSPD工作时置于低温环境中(<4K)，器件处于超导态，并加以一定的偏置电流Ib，Ib略小于器件临界电流Ic。当单个光子入射到器件中的纳米线条上时，会拆散库珀对，形成大量的热电子，从而形成局域热点，热点在偏置电流Ib的作用下由于焦耳热进行扩散，最终使得纳米线条局部失超形成有阻区。之后热电子能量通过电声子相互作用传递并弛豫，再重新配对成超导态的库珀对。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当SNSPD接收到单个光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。

现有的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构如图1所示，其包括衬底12、位于所述衬底10表面的二氧化硅层11以及位于所述二氧化硅层11表面的超导纳米线14，这种结构的结构简单，但具有较低的光吸收效率，而且所述衬底10的法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔会对吸收效率有一定影响。

现有的一种背面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构如图2所示，其包括衬底10、位于所述衬底10表面的光学腔体结构12、超导纳米线14、以及反射镜15，其中所述光学腔体结构12包括二氧化硅层11及一氧化硅层13。这种结构具有较高的吸收效率，但仍然要面对器件到背面的耦合损耗，需要解决背面光到NbN纳米线的远距离(所述衬底10厚度)聚焦问题，譬如，在所述传统背面耦合结构下使用长聚焦透镜；而且，所述衬底10的Fabry-Perot腔会对吸收效率有一定影响。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及制备方法，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器吸收效率低、为了解决背面光到NbN纳米线的远距离聚焦需要使用特种长聚焦透镜、且衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器，包括：

SOI基片，所述SOI基片由下至上依次包括背衬底、埋氧层及顶层硅；

第一抗反射层，位于所述顶层硅的表面；

第二抗反射层，位于所述背衬底的表面；

深槽，贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层；

光学腔体结构，位于所述第一抗反射层的表面；

超导纳米线，位于所述第一抗反射层与所述光学腔体结构之间；

反射镜，位于所述光学腔体结构的表面。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述第一抗反射层及所述第二抗反射层的材料为SiO2或SiO；所述光学腔体结构的材料为SiO2或SiO；所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi；所述反射镜的材料为Ag、Au或Al。

本发明还提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括：

提供SOI基片，所述SOI基片由下至上依次包括背衬底、埋氧层及顶层硅；

在所述顶层硅表面形成第一抗反射层，在所述背衬底表面形成第二抗反射层；

在所述第一抗反射层表面形成超导纳米线及光学腔体结构，且所述光学腔体结构包覆所述超导纳米线；

在所述光学腔体结构表面形成反射镜；

采用深硅刻蚀工艺形成贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层的深槽。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，采用深硅刻蚀工艺形成所述深槽包括：

在所述第二抗反射层表面涂覆第一光刻胶层，并在所述第一光刻胶层内形成与所述深槽相对应的开口；

去除与所述开口相对应的所述第二抗反射层；

采用感应耦合等离子体刻蚀工艺去除与所述开口相对应的所述背衬底；

去除所述开口相对应的所述埋氧层。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，在所述第二抗反射层表面涂覆第一光刻胶层之前，还包括在所述反射镜表面形成第二光刻胶层的步骤。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，采用双面套刻与显影工艺在所述第一光刻胶层内形成所述开口。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，采用反应离子刻蚀工艺去除所述第二抗反射层。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为CF4、O2及Ar2，刻蚀功率为80W～120W，刻蚀时间为200秒～300秒。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，采用湿法刻蚀工艺去除所述埋氧层。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，感应耦合等离子体刻蚀工艺中的刻蚀气体为SF6，刻蚀气体流量为450sccm～500sccm；钝化气体为C4F8，钝化气体流量为150sccm～200sccm；射频功率为20W～100W，感应耦合等离子体功率为2000W～2500W；刻蚀速率为5μm/min～10μm/min。

作为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的一种优选方案，所述第一抗反射层及所述第二抗反射层的材料为SiO2或SiO；所述光学腔体结构的材料为SiO2或SiO；所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi；所述反射镜的材料为Ag、Au或Al。

如上所述，本发明提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及其制备方法，所述基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器包括：SOI基片，所述SOI基片由下至上依次包括背衬底、埋氧层及顶层硅；第一抗反射层，位于所述顶层硅的表面；第二抗反射层，位于所述背衬底的表面；深槽，贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层；光学腔体结构，位于所述第一抗反射层的表面；超导纳米线，位于所述第一抗反射层与所述光学腔体结构之间；反射镜，位于所述光学结构的表面。本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及其制备方法通过形成贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层的深槽，拉近了耦合光纤与器件的距离，避免了传统背面耦合结构导纳米线单光子探测器件中长聚焦透镜的使用，便于光纤MU头与器件的近距离对准耦合；可以避免光学腔体结构中远距离聚焦的问题，进而避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响，且对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构的结构示意图。

图2显示为现有技术中的一种背面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构的结构示意图。

图3显示为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

图4显示为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的流程图。

图5至图14显示为本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法的结构示意图。

元件标号说明

10 衬底

11 SiO2层

12 光学腔体结构

13 SiO层

14 超导纳米线

15 反射镜

21 SOI基片

211 背衬底

212 埋氧层

213 顶层硅

22 第一抗反射层

23 第二抗反射层

24 深槽

25 光学腔体结构

26 超导纳米线

27 反射镜

28 第一光刻胶层

281 开口

29 第二光刻胶层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

请参阅图3，本实施例提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器，包括：

SOI基片21，所述SOI基片21由下至上依次包括背衬底211、埋氧层212及顶层硅213；

第一抗反射层22，位于所述顶层硅213的表面；

第二抗反射层23，位于所述背衬底211的表面；

深槽24，贯穿所述第二抗反射层23、所述背衬底211及所述埋氧层212；

光学腔体结构25，位于所述第一抗反射层22的表面；

超导纳米线26，位于所述第一抗反射层22与所述光学腔体结构25之间；

反射镜27，位于所述光学腔体结构25的表面。

作为示例，所述第一抗反射层22及所述第二抗反射层23的材料可以为SiO2或SiO；优选地，本实施例中，所述第一抗反射层22及所述第二抗反射层23的材料为SiO2。

作为示例，所述深槽24通过感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀形成，所述深槽24的底部与所述顶层硅213的表面相平齐。本发明通过形成贯穿所述第二抗反射层23、所述背衬底211及所述埋氧层212的深槽24，拉近了耦合光纤与器件的距离，避免了传统背面耦合结构导纳米线单光子探测器件中长聚焦透镜的使用，便于光纤MU头与器件的近距离对准耦合；可以避免光学腔体结构25中远距离聚焦的问题，进而避免了衬底(即SOI基片21)Fabry-Perot腔对吸收效率的影响，且对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率。

作为示例，所述光学腔体结构25的厚度等于入射光在其内的等效波长的1/4。

作为示例，所述光学腔体结构25的材料可以为SiO2或SiO；优选地，本实施例中，所述光学腔体结构25的材料为SiO。

作为示例，所述超导纳米线26为周期性曲折蜿蜒形状。所述超导纳米线26的材料包括NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。所述超导纳米线26的宽度为50纳米～150纳米，所述超导纳米线26的厚度为5纳米～10纳米。优选地，本实施例中，所述超导纳米线26的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200纳米，并且，所述超导纳米线26呈周期性曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米线26的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。

作为示例，所述呈周期性曲折蜿蜒结构的超导纳米线26的每个折弯处均为直角或U形拐角。

作为示例，所述反射镜27的材料可以为Ag、Au或Al。优选地，本实施例中，所述反射镜27的材料为Ag。

实施例2

请参阅图4至图14，本实施例还提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法，所述基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器的制备方法包括：

S1：提供SOI基片21，所述SOI基片21由下至上依次包括背衬底211、埋氧层212及顶层硅213；

S2：在所述顶层硅213表面形成第一抗反射层22，在所述背衬底211表面形成第二抗反射层23；

S3：在所述第一抗反射层22表面形成超导纳米线26及光学腔体结构25，且所述光学腔体结构25包覆所述超导纳米线26；

S4：在所述光学腔体结构25表面形成反射镜27；

S5：采用深硅刻蚀工艺形成贯穿所述第二抗反射层23、所述背衬底211及所述埋氧层212的深槽24。

请参阅图4中的S1步骤及图5，提供SOI基片21，所述SOI基片21由下至上依次包括背衬底211、埋氧层212及顶层硅213。

作为示例，所述SOI基片21的厚度可以根据实际进行设定，优选地，本实施例中，所述SOI基片21的厚度为400μm。

作为示例，所述SOI基片21为现有半导体领域中所使用的SOI基片，为本领域人员所述熟知，此处不再累述。

请参阅图4中的S2步骤及图6，在所述顶层硅213表面形成第一抗反射层22，在所述背衬底211表面形成第二抗反射层23。

作为示例，可以采用物理气相沉积法或化学气相沉积法分别在所述顶层硅213表面形成第一抗反射层22及所述背衬底211表面形成所述第二抗反射层23。

作为示例，所述第一抗反射层22及所述第二抗反射层23的材料可以为SiO2或SiO；优选地，本实施例中，所述第一抗反射层22及所述第二抗反射层23的材料为SiO2。

请参阅图4中的S3步骤及图7，在所述第一抗反射层22表面形成超导纳米线26及光学腔体结构25，且所述光学腔体结构25包覆所述超导纳米线26。

作为示例，所述超导纳米线26为周期性曲折蜿蜒形状。所述超导纳米线26的材料包括NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。所述超导纳米线26的宽度为50纳米～150纳米，所述超导纳米线26的厚度为5纳米～10纳米。优选地，本实施例中，所述超导纳米线26的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200纳米，并且，所述超导纳米线26呈周期性曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米线26的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。

作为示例，所述呈周期性曲折蜿蜒结构的超导纳米线26的每个折弯处均为直角或U形拐角。

作为示例，所述光学腔体结构25的厚度等于入射光在其内的等效波长的1/4。

作为示例，所述光学腔体结构25的材料可以为SiO2或SiO；优选地，本实施例中，所述光学腔体结构25的材料为SiO。

请参阅图4中的S4步骤及图8，在所述光学腔体结构25表面形成反射镜27。

作为示例，所述反射镜27的材料可以为Ag、Au或Al。优选地，本实施例中，所述反射镜27的材料为Ag。

请参阅图4中的S5步骤及图9至图14，采用深硅刻蚀工艺形成贯穿所述第二抗反射层23、所述背衬底211及所述埋氧层212的深槽24。

作为示例，采用深硅刻蚀工艺形成所述深槽24包括：

S51：在所述第二抗反射层23表面涂覆第一光刻胶层28，所述第一光刻胶层28为AZ4620类型的光刻胶，如图10所示，旋涂所述第一光刻胶层28的速率为1800转，旋涂所述光刻胶的时间为30秒，形成的所述第一光刻胶层28的厚度为10μm；采用双面套刻与显影工艺在所述第一光刻胶层28内,形成与所述深槽24相对应的开口281，曝光可以使用MA6紫外光刻机进行双面套刻，显影液的主要成分为TMAH(四甲基氢氧化铵)。

S52：采用RIE(反应离子刻蚀)工艺去除与所述开口281相对应的所述第二抗反射层23，如图11所示；反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为CF4、O2及Ar2，刻蚀功率为80W～120W，刻蚀时间为200秒～300秒；优选地，本实施例中，刻蚀功率为100W，刻蚀时间为240秒，以确保所述第二抗反射层23被完全刻蚀去除。

S53：采用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺去除与所述开口281相对应的所述背衬底211，如图12；感应耦合等离子体刻蚀工艺中的刻蚀气体为SF6，刻蚀气体流量为450sccm～500sccm；钝化气体为C4F8，钝化气体流量为150sccm～200sccm；射频功率为20W～100W，感应耦合等离子体功率为2000W～2500W；刻蚀速率为5μm/min～10μm/min；优选地，本实施例中，刻蚀气体流量为480sccm，钝化气体流量为190sccm，射频功率为,50W，感应耦合等离子体功率为2300W，刻蚀速率为,8.50μm/min。

S54：采用湿法刻蚀工艺去除所述开281口相对应的所述埋氧层212，如图13所示；优选地，本实施例中，利用氢氟酸(HF)去除所述埋氧层212，采用湿法工艺可以得到较平整的刻蚀表面，防止光在表面上的散射。

作为示例，在所述第二抗反射层23表面涂覆第一光刻胶层28之前，还包括在所述反射镜27表面形成第二光刻胶层29的步骤。

作为示例，在采用ICP(感应耦合等离子体刻蚀)工艺去除与所述开口281相对应的所述背衬底211的过程中，为了防止过度刻蚀氧化截止层(即埋氧层212)，可以在接近估算刻蚀结束时间时，每隔30秒进行间隔检测一次。

作为示例，在执行步骤S54之后，还包括去除所述第一光刻胶层28及所述第二光刻胶层29，以得到所需的超导纳米线单光子探测器的步骤，如图14所示。

如上所述，本发明提供一种基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及制备方法，所述基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器包括：SOI基片，所述SOI基片由下至上依次包括背衬底、埋氧层及顶层硅；第一抗反射层，位于所述顶层硅的表面；第二抗反射层，位于所述背衬底的表面；深槽，贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层；光学腔体结构，位于所述第一抗反射层的表面；超导纳米线，位于所述第一抗反射层与所述光学腔体结构之间；反射镜，位于所述光学腔体结构的表面。本发明的基于深硅刻蚀工艺的超导纳米线单光子探测器及其制备方法通过形成贯穿所述第二抗反射层、所述背衬底及所述埋氧层的深槽，拉近了耦合光纤与器件的距离，避免了传统背面耦合结构导纳米线单光子探测器件中长聚焦透镜的使用，便于光纤MU头与器件的近距离对准耦合；可以避免光学腔体结构中远距离聚焦的问题，进而避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响，且对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。