超导探测器氮化铌纳米线光学特性研究
发布时间：2021-08-07 12:17
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）因其高探测效率,低暗计数,低时间抖动,宽响应光谱等诸多优点而在量子通信,卫星激光测距,深空激光通信,光时域反射仪,海雾测量,大气探测激光雷达等领域中有着重要的应用。氮化铌（NbN）是SNSPD常用的光敏材料,同时NbN纳米线也是SNSPD器件核心组成部分,其光子传输性质是影响器件效率的关键因素之一。目前超导纳米线电学特性研究比较深入,但其光学特性研究较少。本文章基于NbN纳米线的光学特性展开,设计并加工制备了四种SNSPD器件结构,使用光谱仪测量了这四种结构的光吸收效率,并结合实验测量数据和FDTD的仿真结果系统探究了这四种SNSPD器件结构的光学特性。还搭建了微米量级的SNSPD光敏面的光学特性测量系统,目前可用于测量常温下的有效纳米线探测区域的光吸收效率。后期搭配制冷机还可用于测量低温下SNSPD纳米线的光学特性。本论文主要成果如下:第一,为了比较不同材料结构的SNSPD对光吸收率的影响,我们设计了四种SNSPD结构,（1）背面入射的以双面热氧化硅为衬底的结构;（2）背面入射的以双面SiN硅为衬底的结构;（3）正面入射的硅衬底上以金属Au层+Si...
【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】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
〔a)sNSPD工作原理示意图(b)蜿蜒纳米线结构设计示意图
理图［３０］??为了不断增加ＳＮＳＰＤ的系统探测效率，在２０１３年，Ｔ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ等人设计??了如图１．３所示的双腔ＳＮＳＰＤ结构［３１］，其中上层腔是在ＮｂＮ表面由ＳｉＯ层和??Ａｇ层组合形成，下层腔是在Ｓｉ衬底表面生长ＳＫＤ２层形成。文中提到使用该双??腔结构可以极大地增强ＮｂＮ附近的电场强度，当ＮｂＮ厚度为８．５ｎｍ时，在目标??波长１５５０ｎｍ处的光吸收效率高达８０％。但是Ｓｉ０２层有阻抗不匹配的问题，要??想让入射光完全入射到ＳＮＳＰＤ探测区域而不产生反射，Ｓｉ衬底与空气之间的减??反层的折射率ｎ需要符合ｎ?＝?／ｎｖａ＿ｅ＿ｘＣ且厚度为四分之一中心波长［３２］。当??４??
京大学硕士研究生学位论文?电子科学与工程学院无线电物理专业?吴洋??波长在１５５０ｎｍ处时，Ｓｉ折射率ｎｓｉ＝３．４７８，根据公式，介于Ｓｉ和空气间的??层的折射率ｎ应该为１．８６５，而Ｓｉ０２的折射率在１５５０ｎｍ目标波长处是１．４４４，??阻抗不匹配，无法获得更高的光吸收效率，因此为了消除反射作用，需要制??折射率为１．８６５的减反层，目前ＳｉＮ的折射率基本符合这一要求，虽然ＳｉＮ??减反层的工艺制备难度较大，但是仍有许多小组在尝试使用ＳｉＮ这种新的减??来制备高效率的背面对光ＳＮＳＰＤ器件。此外通过在衬底背面加工亚波长的??也能起到阻抗匹配的作用［３３］。背面对光结构的器件工艺制备上相对简单，??对光比较容易，但是正面对光结构也有着其独特的优势，尤其是高吸收率这??面°??ｕｎｉｔ?ｃｅｌｌ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化铌纳米线光学特性[J]. 吴洋,陈奇,徐睿莹,葛睿,张彪,陶旭,涂学凑,贾小氢,张蜡宝,康琳,吴培亨. 物理学报. 2018(24)
[2]NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature[J]. WeiJun Zhang,LiXing You,Hao Li,Jia Huang,ChaoLin Lv,Lu Zhang,XiaoYu Liu,JunJie Wu,Zhen Wang,XiaoMing Xie. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2017(12)
[3]超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响[J]. 张森,陶旭,冯志军,吴淦华,薛莉,闫夏超,张蜡宝,贾小氢,王治中,孙俊,董光焰,康琳,吴培亨. 物理学报. 2016(18)
[4]超导纳米线单光子探测技术进展[J]. 尤立星. 中国科学:信息科学. 2014(03)
本文编号：3327786
【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】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
〔a)sNSPD工作原理示意图(b)蜿蜒纳米线结构设计示意图
理图［３０］??为了不断增加ＳＮＳＰＤ的系统探测效率，在２０１３年，Ｔ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ等人设计??了如图１．３所示的双腔ＳＮＳＰＤ结构［３１］，其中上层腔是在ＮｂＮ表面由ＳｉＯ层和??Ａｇ层组合形成，下层腔是在Ｓｉ衬底表面生长ＳＫＤ２层形成。文中提到使用该双??腔结构可以极大地增强ＮｂＮ附近的电场强度，当ＮｂＮ厚度为８．５ｎｍ时，在目标??波长１５５０ｎｍ处的光吸收效率高达８０％。但是Ｓｉ０２层有阻抗不匹配的问题，要??想让入射光完全入射到ＳＮＳＰＤ探测区域而不产生反射，Ｓｉ衬底与空气之间的减??反层的折射率ｎ需要符合ｎ?＝?／ｎｖａ＿ｅ＿ｘＣ且厚度为四分之一中心波长［３２］。当??４??
京大学硕士研究生学位论文?电子科学与工程学院无线电物理专业?吴洋??波长在１５５０ｎｍ处时，Ｓｉ折射率ｎｓｉ＝３．４７８，根据公式，介于Ｓｉ和空气间的??层的折射率ｎ应该为１．８６５，而Ｓｉ０２的折射率在１５５０ｎｍ目标波长处是１．４４４，??阻抗不匹配，无法获得更高的光吸收效率，因此为了消除反射作用，需要制??折射率为１．８６５的减反层，目前ＳｉＮ的折射率基本符合这一要求，虽然ＳｉＮ??减反层的工艺制备难度较大，但是仍有许多小组在尝试使用ＳｉＮ这种新的减??来制备高效率的背面对光ＳＮＳＰＤ器件。此外通过在衬底背面加工亚波长的??也能起到阻抗匹配的作用［３３］。背面对光结构的器件工艺制备上相对简单，??对光比较容易，但是正面对光结构也有着其独特的优势，尤其是高吸收率这??面°??ｕｎｉｔ?ｃｅｌｌ??
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化铌纳米线光学特性[J]. 吴洋,陈奇,徐睿莹,葛睿,张彪,陶旭,涂学凑,贾小氢,张蜡宝,康琳,吴培亨. 物理学报. 2018(24)
[2]NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature[J]. WeiJun Zhang,LiXing You,Hao Li,Jia Huang,ChaoLin Lv,Lu Zhang,XiaoYu Liu,JunJie Wu,Zhen Wang,XiaoMing Xie. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2017(12)
[3]超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响[J]. 张森,陶旭,冯志军,吴淦华,薛莉,闫夏超,张蜡宝,贾小氢,王治中,孙俊,董光焰,康琳,吴培亨. 物理学报. 2016(18)
[4]超导纳米线单光子探测技术进展[J]. 尤立星. 中国科学:信息科学. 2014(03)
本文编号：3327786
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3327786.html
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