用于超导纳米线单光子探测器的NbN薄膜及纳米线的均匀性分析
发布时间：2021-01-24 20:49
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）因其在探测效率、暗计数、探测速度、时间抖动以及响应频谱等性能方面的优异表现,成为目前综合性能最佳的单光子探测器,在量子通信、高速深空通讯、激光测距、生物荧光检测等领域有诸多应用。不断增长的应用需求要求SNSPD进一步提高其性能,需要器件具有更高探测效率、更大探测面积、更大阵列规模和光子数分辨功能等。大阵列和大尺寸的SNSPD器件相比传统小尺寸器件而言,制备工艺难度急剧提高,器件性能一致性和成品率也随之下降,这都制约着SNSPD器件的进一步发展和应用。NbN材料是最早也是最成熟的用于制备超导纳米单光子探测器（SNSPD）的材料之一,当前制备高性能NbN超导薄膜主要有常温制备和衬底加热制备两种方式。具有超大长宽比的超导纳米线条是SNSPD器件制备的核心组成部分,其均匀性直接影响了器件的探测效率、暗计数、时间抖动等关键参数,也是影响器件一致性和成品率的重要因素。目前对纳米线均匀性的研究大多是研究纳米线形状和缺陷等对器件的影响,而关于薄膜本身均匀性及刻蚀工艺带来的不均匀性讨论的较少。本文采用磁控溅射技术,通过实验对4英寸和8英寸Nb靶分别比较了不同气体配比、...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超导单光子探测器结构原理图
大长宽比的超导纳米线蜿蜒结构是其核心部分。一般地，薄膜厚度在３？８?ｎｍ之??间，宽度在５０￣２００ｎｍ之间。其工作原理通常使用热岛（ｈｏｔｓｐｏｔ）模型［９］分析，??如图２所示。在满足条件的环境温度下，纳米线处于超导态，使用大小接近于超??导临界电流Ｉｅ的偏置电流ｌｂ使其偏置，当光子信号照射到纳米线上时，被照射部??分吸收光子能量使得库珀对被破坏变为准粒子，准粒子继而将能量传递给周边的??其他库珀对和基片，形成热点。热点区域的电阻大于其他正常超导区域，导致纳??米线上的电流无法从此处通过，被迫绕热点周围流动，电流密度随之增大直至超??过超导临界电流密度，使得整段纳米线失超变化为有电阻状态，产生一个电压脉??冲信号被读出电路捕捉。当热点将产生的焦耳热传递到基片后，纳米线整体恢复??１??
场作为改进手段，辉光放电产生的带电粒子（二次电子）受到磁靶材表面附近的等离子体区域中做螺旋式运动，从而增加稀有气）的电离提高等离子体轰击靶材的几率产生更多地二次电子。二次程中损失能量，最终在电场作用下从阴极（靶材）加速冲向阳极与性粒子碰撞沉积形成薄膜。这样的改进使得磁控溅射的沉积速率底之间的附着力增强。??磁控濺射使用的溅射电源分为直流磁控溅射与射频磁控溅射两种。一般用于制备导体薄膜，如ＮｂＮ，ＮｂＴｉＮ，?Ｎｂ，ＮｂＴｉ等；射频磁几乎没有要求，与直流不同，它可用于绝缘材料和导电性差的非金，如Ｎｂ５Ｎ６，?ＡＩＮ等。此外，在溅射过程中，为得到某种特定的化合气体中掺入特定比例的活性气体，如０２、Ｎ２、ＮＨ３、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ等磁控鹏射。本文中制备的ＮｂＮ薄膜就是利用Ｎｂ靶在直流磁控溅Ｎ２和Ａｒ混合气从而反应生成的氮化物薄膜。??Ｙｊｊ／／／ｙｊ７７７Ｔ？７１７７７／７／７１／７２２２
【参考文献】：
期刊论文
[1]A High-Efficiency Broadband Superconducting Nanowire Single-Photon Detector with a Composite Optical Structure[J]. 顾敏,康琳,张蜡宝,赵清源,郏涛,万超,徐睿莹,杨小忠,吴培亨. Chinese Physics Letters. 2015 (03)
本文编号：2997907
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超导单光子探测器结构原理图
大长宽比的超导纳米线蜿蜒结构是其核心部分。一般地，薄膜厚度在３？８?ｎｍ之??间，宽度在５０￣２００ｎｍ之间。其工作原理通常使用热岛（ｈｏｔｓｐｏｔ）模型［９］分析，??如图２所示。在满足条件的环境温度下，纳米线处于超导态，使用大小接近于超??导临界电流Ｉｅ的偏置电流ｌｂ使其偏置，当光子信号照射到纳米线上时，被照射部??分吸收光子能量使得库珀对被破坏变为准粒子，准粒子继而将能量传递给周边的??其他库珀对和基片，形成热点。热点区域的电阻大于其他正常超导区域，导致纳??米线上的电流无法从此处通过，被迫绕热点周围流动，电流密度随之增大直至超??过超导临界电流密度，使得整段纳米线失超变化为有电阻状态，产生一个电压脉??冲信号被读出电路捕捉。当热点将产生的焦耳热传递到基片后，纳米线整体恢复??１??
场作为改进手段，辉光放电产生的带电粒子（二次电子）受到磁靶材表面附近的等离子体区域中做螺旋式运动，从而增加稀有气）的电离提高等离子体轰击靶材的几率产生更多地二次电子。二次程中损失能量，最终在电场作用下从阴极（靶材）加速冲向阳极与性粒子碰撞沉积形成薄膜。这样的改进使得磁控溅射的沉积速率底之间的附着力增强。??磁控濺射使用的溅射电源分为直流磁控溅射与射频磁控溅射两种。一般用于制备导体薄膜，如ＮｂＮ，ＮｂＴｉＮ，?Ｎｂ，ＮｂＴｉ等；射频磁几乎没有要求，与直流不同，它可用于绝缘材料和导电性差的非金，如Ｎｂ５Ｎ６，?ＡＩＮ等。此外，在溅射过程中，为得到某种特定的化合气体中掺入特定比例的活性气体，如０２、Ｎ２、ＮＨ３、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ等磁控鹏射。本文中制备的ＮｂＮ薄膜就是利用Ｎｂ靶在直流磁控溅Ｎ２和Ａｒ混合气从而反应生成的氮化物薄膜。??Ｙｊｊ／／／ｙｊ７７７Ｔ？７１７７７／７／７１／７２２２
【参考文献】：
期刊论文
[1]A High-Efficiency Broadband Superconducting Nanowire Single-Photon Detector with a Composite Optical Structure[J]. 顾敏,康琳,张蜡宝,赵清源,郏涛,万超,徐睿莹,杨小忠,吴培亨. Chinese Physics Letters. 2015 (03)
本文编号：2997907
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