先进制造方法推动高性能光子探测器技术进步

从高速通信到量子计算和传感，光的探测、传输和操控（光子）已经彻底改变了现代电子学。这些系统的核心是光子探测器，它们能够探测和测量光子。

其中一种值得注意的类型是超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SNSPD利用超薄超导导线，当光子撞击时，这些导线会迅速从超导状态转变为电阻状态，从而实现超快速探测。

这些探测器中的导线以皮亚诺弧形分形图案排列，这种图案在不同尺度上保持一致。这种独特的设计使得探测器能够探测光子，无论其方向或极化（光子电场的方向）如何。由于这些优势，弧形分形SNSPD（AF SNSPD）在光探测和测距、量子计算和量子通信等应用中至关重要。

在2024年12月25日发表于《IEEE量子电子学精选期刊》的一项研究中，中国天津大学的胡小龙教授和邹凯博士提供了制造高质量AF SNSPD的全面指南。论文概述了构建这些探测器所需的材料和技术，并解决了与其复杂分形设计相关的挑战。

胡教授说：“本文旨在介绍高性能分形SNSPD的纳米和微米制造进展，特别强调这些设备成功的关键实验细节”。

AF SNSPD由三个部分组成：用于光子探测的纳米线、用于捕获光子的光学微腔，以及容纳探测器并将其与光纤对齐的钥匙孔形芯片。

制造过程首先通过离子束辅助沉积（IBD）在硅晶片上涂覆六层或八层交替的二氧化硅（SiO2）和氧化钽（Ta2O5）来创建光学微腔，形成底部分布式布拉格反射器，然后添加SiO2缺陷层。

接下来，使用反应磁控溅射在缺陷层上沉积9纳米厚的氮化铌钛（NbTiN）超导薄膜，形成光子敏感表面。然后通过光刻和剥离工艺在该表面上制造钛-金电极。

使用扫描电子束光刻将纳米线图案化为分形设计，然后通过反应离子蚀刻转移到NbTiN层。通过对齐光刻和IBD沉积顶部SiO2缺陷层和额外的Ta2O5/SiO2交替层来完成微腔。使用光刻、电感耦合等离子体蚀刻和博世蚀刻工艺将芯片塑造成钥匙孔形状，并进行光纤连接封装。

作者还提供了优化纳米线、光学微腔和钥匙孔形芯片制造工艺的建议。他们的一些建议包括：应用5纳米硅或3纳米SiO2层作为粘附促进剂，以提高图案化为纳米线的抗蚀剂与NbTiN材料之间的结合；使用辅助AF纳米线图案以确保纳米线宽度一致；以及精心设计光学微腔的布局和间距，以最小化光刻胶变形。

他们还建议使用精确的对齐标记来制作钥匙孔形芯片，并在固化过程中逐渐加热，以增强光刻胶的稳定性并最小化蚀刻缺陷。

总之，研究人员能够开发出具有令人印象深刻的灵敏度和系统探测效率的SNSPD。胡教授说：“这些进展将有助于简化分形SNSPD的制造，从而开发出具有更多功能的更先进设备。”

SNSPD设计和制造的稳步改进可以为量子计算、电信和光学传感领域的突破铺平道路。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1109/JSTQE.2024.3522176