吳洋 陳奇 徐睿瑩 葛睿 張彪 陶旭 涂學湊 賈小氫 張蠟寶康琳 吳培亨

(南京大學電子科學與工程學院,南京 210093)

(2018年9月3日收到;2018年10月12日收到修改稿)

氮化鈮(NbN)納米線是超導納米線單光子探測器(SNSPD)常用的光敏材料,其光學性質是影響SNSPD性能的關鍵因素.本文結合實驗數(shù)據(jù)和仿真結果,系統(tǒng)研究了多種NbN超導納米線探測器器件結構的光學特性,表征了以下四種器件結構下的反射光譜以及透射光譜:1)雙面熱氧化硅襯底背面對光結構;2)雙面SiN硅襯底背面對光結構;3)硅襯底上以金層+SiN緩沖層為反射鏡的正面對光結構;4)以分布式布拉格反射鏡(DBR)為襯底的正面對光結構.并在上述四種器件結構基礎上,生長了不同厚度的NbN薄膜,觀察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)在不同器件結構下的最佳NbN厚度與光吸收率的關系如下:雙面熱氧化硅襯底上的NbN層在1606 nm處最大吸收率為91.7%,其余結構在最佳NbN厚度條件下吸收率都能達到99%以上.其中雙面SiN的硅襯底結構中最大吸收率為99.3%,Au+SiN為99.8%,DBR為99.9%.最后,將DBR器件實測結果與仿真結果進行了差異性分析.這些結果對高效率SNSPD設計與研制具有指導意義.

1 引 言

超導納米線單光子探測器(SNSPD)[1]因其高探測效率[2]、低暗計數(shù)[3]、低時間抖動[4]、寬響應光譜[5]等諸多優(yōu)點而在量子通信[6,7]、衛(wèi)星激光測距[8,9]、深空激光通信[10]、光時域反射儀[11],海霧測量[12],大氣探測激光雷達[13,14]等領域有著重要應用.SNSPD的系統(tǒng)效率(SDE)是重要的性能指標之一,其定義為ηSDE=ηquant×ηcouple×ηabs,其中ηquant是納米線上脈沖產生的量子效率,ηcouple是入射光和探測面積的耦合效率,ηabs是納米線中的吸收效率.提高SDE的關鍵[15,16]在于增強光子吸收率ηabs和光耦合ηcouple.

本文的主要任務是分析現(xiàn)有的多種SNSPD器件結構的光學特性,通過增強光吸收效率(ηabs)來實現(xiàn)高SDE.圖1所示為用基于時域有限差分方法的FDTD軟件仿真的周期為200 nm的NbN納米線以及NbN薄膜在分布式布拉格反射鏡(DBR)結構上的吸收率曲線,其中納米線線寬分別為50,75,100和150 nm,DBR結構是在Si襯底上交替生長13對Ta2O5和SiO2層形成的,目標波長為1550 nm,各層厚度均為1/4中心波長,Ta2O5折射率為2.10,厚度為185 nm,SiO2折射率為1.46,厚度為265 nm,NbN折射率為5.23?5.82i,厚度為6 nm.在仿真模型中,光源為平行光源,從結構正面入射,電場強度為1 V/m.模型x方向兩側設周期邊界,y方向兩側設PML層.從圖1中可以發(fā)現(xiàn):當占空比較高時,NbN薄膜的吸收曲線與NbN納米線對TE波的吸收曲線幾乎相同.因此可以用NbN薄膜的光學特性來研究NbN納米線對TE波的光吸收效率,進而研究其對器件系統(tǒng)效率的影響.

設計SNSPD結構時,最主要的因素是結構的光吸收效率,其次需要考慮的是材料的選擇,最后是NbN薄膜的厚度對光吸收的影響.根據(jù)入射光方向可將SNSPD結構分為基于入射光背面入射和正面入射的結構,背面入射結構常用材料有SiO2和SiN,正面入射結構常用材料有DBR和Au反射鏡.目前,SNSPD常用基于入射光背面入射的結構[17,18],這種背面對光的結構有利于器件的制備和對光,因此很多科研機構都使用這種背面對光的結構.背面對光器件的優(yōu)點是工藝成熟,襯底表面平整度高,方便后續(xù)工藝制備,可以在光學腔上層制備均勻的高質量NbN薄膜.SNSPD中的膜厚需要良好的表面質量和晶格匹配來保證薄膜的均勻性,背面對光器件中的光學諧振腔結構可以極大地提高NbN薄膜的吸收效率,從而提高器件的系統(tǒng)效率.背面對光器件的缺點是由于光學腔的高Q值,器件的吸收效率帶寬比較窄,無法獲得寬帶的器件響應.

近年來,正面對光結構的SNSPD器件取得了很多突破[19,20].正面對光結構的器件,制備工藝相對簡單,器件的光學耦合相比背面對光結構更加容易,因此在提高光耦合效率的同時也使得片上光子電路成為可能[21].因為不需要制備光學腔來提高吸收效率,因此可以獲得寬帶的器件響應.

2 樣品制備

圖2展示了制備的四種器件的結構,目標波長設計為1550 nm.最常用的背面對光結構如圖2(a)所示,首先對Si基片做雙面熱氧化處理,讓Si基片的兩側均生成約260—270 nm的SiO2層,約為目標波長的1/4.下側的SiO2層是用于減小反射的阻抗匹配層,上側的SiO2層則作為諧振腔的一部分用于增強NbN薄膜的光吸收率.之后在這種雙面熱氧化的硅襯底上用磁控濺射生長NbN薄膜,然后用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)沉積SiO2反射層,最后再用磁控濺射生長200 nm Au層.圖2(b)所示的是雙面SiN的硅襯底背面對光結構,與圖2(a)的區(qū)別在于用SiN層替代了SiO2,在阻抗匹配上優(yōu)于SiO2.圖2(c)所示是常用的正面對光器件的結構,是以Au+SiN為反射鏡的正面對光器件.首先在Si基片上用磁控濺射生長了約200 nm的Au層,再通過PECVD在Au層上方生長了約200—210 nm的SiN,最后再用磁控濺射生長了NbN薄膜.圖2(d)則是以DBR為襯底的新型正面對光器件,DBR由上海趨瑞光電科技有限公司制備而成,在Si基片上交替生長13對Ta2O5和SiO2層,每層厚度均為目標波長的1/4,基片Si厚度0.5 mm,粗糙度小于0.5 nm.我們只需在DBR上生長NbN薄膜即可完成器件制備,工藝流程少,磁控濺射生長NbN薄膜[22]條件為:Ar 80 sccm(1 sccm=1 mL/min),N210 sccm,工作電流1.15 A,工作電壓380 V,工作氣壓0.2 Pa,2 mTorr(1 Torr=133 Pa),濺射速率1.3 nm/s.

3 光譜分析

本實驗在各器件制備過程中使用PerKin Elmer公司的lambda750S光譜儀實時測量了它們的光譜特性,以動態(tài)分析各因素對器件光譜的影響及其變化規(guī)律.

3.1 背面襯底

為了更直觀的研究減反層的作用,實驗制備了無減反層的單層SiO2和SiN襯底及器件.圖3所示為實驗制備的背面襯底,在沒有減反層的情況下,SiO2和SiN襯底的反射率分別為35.8%和32.5%.在有減反層的情況下,SiO2的反射率降低至12.6%,SiN的反射率更是降低至了0.9%,可見減反層的作用明顯.根據(jù)阻抗匹配條件,如果想讓入射光在空氣和Si襯底界面無反射的進入器件,Si基片和空氣之間的阻抗匹配層的折射率需要滿足n2=nvac·nSi,厚度為目標波長λ的1/4.在λ=1550 nm處Si的折射率為n=3.478,根據(jù)阻抗匹配條件,介于Si和空氣之間的阻抗匹配層介電常數(shù)應該為n= 1.865,而SiO2在λ=1550 nm處的折射率為1.444,所以利用SiO2做減反層并不能完全消除反射作用.而SiN的介電常數(shù)n=1.8695,與要求的數(shù)值n=1.865十分接近,因此利用SiN做減反層可以使反射率降低至0.9%,基本消除反射作用.圖3的光譜對比圖很好地驗證了這一點.

圖3 實驗制備的有/無減反層時SiN和SiO2襯底的透射率和反射率隨波長變化的曲線圖Fig.3.Curves of the transmittance and reflectivity of SiN and SiO2substrates with/without the antireflection layer.

3.2 背面器件

在背面襯底上生長NbN薄膜及反射腔做成背面器件,圖4所示為實驗制備的背面器件的吸收率,當NbN薄膜厚度為5 nm時,在沒有減反層的情況下,SiO2和SiN器件的吸收率分別為64.5%(@1642 nm)和67.2%(@1658 nm);在有減反層的情況下,SiO2的吸收率在1624 nm提升至84.6%,SiN的吸收率更是在1630 nm提高到了99.3%.因此采用雙面SiN的硅襯底結構的背面器件,其NbN的吸收效率比雙面熱氧化的硅襯底結構的背面器件要高很多.另外,測試光譜的中心波長較目標波長偏移了大約80 nm,可能是由于在使用PECVD沉積諧振腔時厚度控制不當所致,但這并不影響對光譜特性的分析,后面將進一步優(yōu)化PECVD沉積諧振腔的工藝來解決這個問題.

圖4 實驗制備的NbN厚度為5 nm時,有/無減反層時SiN和SiO2背面器件結構中NbN的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.4.Curves of the absorption rate of NbN in the device structure of SiN and SiO2with/without subtraction when the thickness of NbN is 5 nm.

3.3 正面襯底

上面討論的器件結構均是基于入射光背面入射的,并且分析了減反層對器件光吸收效率的影響,而在實際的實驗中,為了讓入射光更好地匯聚到有效面積上,會使用聚光透鏡,其本身也會存在反射、透射等效應損耗入射光的能量,可以測得損耗約為5%—7.5%.因此想要使探測效率>90%,背面對光實現(xiàn)難度很大,同時背面對光還存在帶寬限制的問題.下面將對Au鏡和DBR這兩種正面對光襯底進行分析.圖5所示為實驗制備的正面襯底的透射率和反射率情況,在Si基片上依次生長Au和SiN層形成Au鏡后,測得其反射率在1000—2000 nm波長范圍內均接近95%,有著很寬的反射帶寬,但反射率并沒有達到100%,因為在光學波段Au的介電常數(shù)不能認為是∞而當作PEC處理(負載ZL=0),所以在Au內部會存在很小一段電場,這將損耗一部分入射能量,以Au為反射鏡會有大約3%—5%的能量被Au吸收.由于反射機理不同,相比于Au鏡,DBR在目標波長帶寬內的反射率相對更高,在1400—1700 nm波長范圍內,其反射率可達99.9%,但反射帶寬相對Au鏡較窄.DBR從理論上講反射率為1,但是實際加工時每一層的厚度都會有很小的偏差,所以實際上也有極少一部分能量發(fā)生透射.從反射效果上看,兩者都是對入射能量進行全反射,但是DBR在犧牲帶寬寬度的情況下可以獲得更高的反射效果.

圖5 實驗制備的以Au層+SiN緩沖層為反射鏡的反射率和DBR的透射率及反射率隨波長的變化Fig.5.Curves of the reflectivity of Au+SiN reflector and the transmittance and reflectivity of DBR with change of wavelength.

3.4 正面器件

在正面襯底上生長NbN薄膜制成正面器件之后這種差異可以明顯地顯現(xiàn)出來,圖6所示為在Au+SiN緩沖層為反射鏡和DBR為襯底的正面對光結構中的吸收率曲線,可以看出,實驗制備的Au器件在目標波長處的吸收峰十分平緩,而實驗制備的DBR器件則比較陡峭.說明用Au鏡制備目標波長下的SNSPD對SiN層厚度的精度要求可以稍微降低,減少工藝制作上的難度,也適合寬波段器件的制備.在最佳NbN厚度條件下,DBR器件結構上的NbN薄膜的吸收率可達99.9%,雖然正面Au器件結構的吸收率也可達99.7%,但是這其中有約3%—5%是被Au鏡本身吸收的.因此在DBR工藝成熟的情況下,為了制備高效率的SNSPD器件,DBR將是首選.

圖6 實驗制備的NbN厚度為4 nm時,以Au層+SiN緩沖層為反射鏡和DBR上NbN的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.6.Curves of the absorption rate of NbN in the device structure of Au+SiN and DBR when the thickness of NbN is 4 nm.

3.5 NbN厚度影響

在分析完各器件之間的優(yōu)劣之后,實驗還針對各器件,對NbN厚度這一條件進行了優(yōu)化分析.圖7—圖10分別是實驗制備的不同NbN厚度時各器件的吸收率隨波長的變化曲線,分析發(fā)現(xiàn)NbN厚度為4 nm時,SiO2器件在峰值波長處的吸收率最高,最高值為91.7%,NbN厚度為5 nm時,SiN器件在峰值波長處的吸收率最高,最高值為99.3%,NbN厚度為5 nm時,Au器件在峰值波長處的吸收率最高,最高值為99.8%,NbN厚度為4 nm時,DBR器件在峰值波長處的吸收率最高,最高值為99.9%.與此同時還發(fā)現(xiàn)了一個共同點,當NbN厚度從5 nm開始逐漸增加時,各器件的吸收率都會隨之下降.同時NbN的折射率比較大,當NbN薄膜厚度增加時,會影響上層腔的等效腔長,因此當NbN薄膜的TC條件滿足實驗需求時應使生長的NbN薄膜盡量薄,且需要優(yōu)化上層腔的厚度,在今后的實驗中會做進一步的分析.此外,由于制備過程中各層厚度控制不能保證完全精確,峰值波長與目標波長會有一定偏差,后續(xù)會進一步優(yōu)化工藝過程.

圖7 實驗制備的有減反層時SiO2背面器件結構中不同厚度NbN薄膜的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.7.Curves of the absorption rate of NbN films with different thickness in the structure of backside optical devices with SiO2as the antireflection layer.

圖8 實驗制備的有減反層時SiN背面器件結構中不同厚度NbN薄膜的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.8.Curves of the absorption rate of NbN films with different thickness in the structure of backside optical devices with SiN as the antireflection layer.

圖9 實驗制備的以Au層+SiN緩沖層為反射鏡的結構中不同厚度NbN薄膜的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.9.Curves of the absorption rate of NbN films with different thickness in the structure of front-facing optical devices with Au+SiN as a mirror.

圖10 實驗制備的DBR結構中不同厚度NbN薄膜的吸收率隨波長變化的曲線圖Fig.10.Curves of the absorption rate of NbN films with different thickness in the structure of front-facing optical devices with DBR as a mirror.

3.6 DBR仿真擬合

綜合以上數(shù)據(jù)分析,為了在后續(xù)的實驗中制備出高達95%以上探測效率的SNSPD,選擇DBR作為襯底.相比于傳統(tǒng)的金屬反射鏡,DBR光損耗幾乎為零,因此用DBR代替金屬Au,Ag用在SNSPD中將成為趨勢.本實驗使用了Lumerical FDTD soultions軟件對DBR器件進行了仿真.圖11所示是DBR襯底的仿真結果與實測結果,反射率>99%的波長范圍是1400—1700 nm(波長帶寬為300 nm).仿真計算中的各層界面是光滑的理想介質界面,而實際界面均有一定的粗糙度,會造成光線入射角度的改變以及散射現(xiàn)象,因此會使反射率出現(xiàn)起伏,并且相鄰界面處會存在一定程度的組分擴散和混合生長,導致兩種材料的折射率差減小使帶寬變窄.圖12是對生長不同厚度NbN的DBR器件的仿真結果,當NbN厚度為4 nm時,器件吸收率達到最高,可高達99.99%,并且隨著NbN厚度的增加,吸收率顯著下降,這與實際測量結果完全符合,由于工藝上的細微誤差是不可控的,因此相同條件下真實的吸收率會比仿真結果略低一點,這種微乎其微的差異基本可以忽略,并不影響高探測效率SNSPD的制備.

圖11 DBR反射率的模擬值和實測值隨波長的變化Fig.11.Curves of the measured and simulated reflectivity of DBR mirror with the change of wavelength.

圖12FDTD仿真軟件模擬的DBR上不同厚度NbN薄膜的吸收率的模擬值隨波長的變化Fig.12.Curves of the absorption rate of NbN films with different thickness on DBR.

表1 各SNSPD結構的特點Table 1.Characteristics of each SNSPD structure.

4 結 論

綜上所述,本文制備了四種SNSPD器件結構,分析了各自的優(yōu)點和適用場景,研究了不同條件下各器件結構的光學特性.表1列出了各SNSPD結構的特性,可以看出,在背面對光結構中,采用雙面SiN的硅襯底結構的背面器件,其NbN的吸收效率比雙面熱氧化的硅襯底結構要高很多,可達99.3%,但與正面對光結構相比,帶寬都較小,不適用于寬譜響應.正面對光結構中,與Au鏡為反射鏡的正面器件相比,以DBR為襯底的正面器件在犧牲部分帶寬寬度的情況下可以獲得更高的吸收效果,吸收率高達99.9%.NbN薄膜厚度從5 nm開始逐漸增加時,各器件的吸收率均隨之降低.