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

其中一種值得注意的類型是超導納米線單光子探測器(SNSPD)。SNSPD利用超薄超導導線，當光子撞擊時，這些導線會迅速從超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">電阻狀態(tài)，從而實現(xiàn)超快速探測。

這些探測器中的導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。這種獨特的設(shè)計使得探測器能夠探測光子，無論其方向或極化(光子電場的方向)如何。由于這些優(yōu)勢，弧形分形SNSPD(AF SNSPD)在光探測和測距、量子計算和量子通信等應用中至關(guān)重要。

在2024年12月25日發(fā)表于《IEEE量子電子學精選期刊》的一項研究中，中國天津大學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)建這些探測器所需的材料和技術(shù)，并解決了與其復雜分形設(shè)計相關(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展，特別強調(diào)這些設(shè)備成功的關(guān)鍵實驗細節(jié)”。

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

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，使用反應磁控濺射在缺陷層上沉積9納米厚的氮化鈮鈦(NbTiN)超導薄膜，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，然后通過反應離子蝕刻轉(zhuǎn)移到NbTiN層。通過對齊光刻和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，并進行光纖連接封裝。

作者還提供了優(yōu)化納米線、光學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：應用5納米硅或3納米SiO2層作為粘附促進劑，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)計光學微腔的布局和間距，以最小化光刻膠變形。

他們還建議使用精確的對齊標記來制作鑰匙孔形芯片，并在固化過程中逐漸加熱，以增強光刻膠的穩(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)探測效率的SNSPD。胡教授說：“這些進展將有助于簡化分形SNSPD的制造，從而開發(fā)出具有更多功能的更先進設(shè)備。”

SNSPD設(shè)計和制造的穩(wěn)步改進可以為量子計算、電信和光學傳感領(lǐng)域的突破鋪平道路。

審核編輯 黃宇