[发明专利]具有强吸收结构的高速SNSPD及其制备方法

权利要求书

1.一种具有强吸收结构的高速SNSPD，其特征在于，包括底层Si衬底一（1），在底层Si衬底一（1）沉积有多层Si/SiO₂周期排布构成的布拉格反射镜（2），布拉格反射镜（2）顶端设置有外延单晶Si形成的底层谐振腔一（3），在底层谐振腔一（3）上方有超导纳米线一（4），超导纳米线一（4）上有上层空气谐振腔（5），上层空气谐振腔（5）上方有Si片（6），Si片（6）上有防反射膜一（7）。

2.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述布拉格反射镜（2）由多层Si/SiO₂间隔周期排列而成，周期数在3以上，每一层的厚度等于入射光在该介质内等效波长的四分之一，最下方的一层SiO₂在Si衬底一（1）上。

3.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述超导纳米线一（4）的厚度在4-6nm之间，宽度在20-200nm之间，采用的超导材料为NbN、NbTiN、TaN、NbSi、Nb或者W_xSi_1-x。

4.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述底层谐振腔一（3）厚度为入射光在该介质内等效波长的二分之一。

5.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述上层空气谐振腔（5）由Au-Au键合工艺完成，厚度为入射光波长的四分之一。

6.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述防反射膜一（7）折射率在1.7-2.0之间，厚度等于入射光在该介质内等效波长的四分之一。

7.根据权利要求1所述高速SNSPD，其特征在于，所述防反射膜一（7）用Al₂O₃材料。

8.制备权利要求1所述高速SNSPD的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（a）准备SOI衬底，事先通过仿真得到所需要的外延单晶Si层的精确厚度，机械减薄背面的Si层；

（b）氧化SOI衬底，过程中控制SiO₂的厚度；

（c）用CVD方法生长多晶Si层，并部分氧化Si层，得到SiO₂层，如此反复n次，得到n+1个周期的Si/SiO₂布拉格反射镜；

（d）用Si-Si键合的方法，把上述衬底和另一个Si片键合在一起，作为新的衬底；

（e）分别用氢氟酸缓冲腐蚀液和KOH腐蚀液依次腐蚀SOI衬底背面的SiO₂和Si层，再用氢氟酸缓冲腐蚀液去掉单晶Si层底部的SiO₂埋层，露出单晶Si层；

（f）在单晶Si层上生长超导薄膜，并用电子束曝光以及反应离子刻蚀形成超导纳米线；

（g）在超导纳米线上方制作Au/Ti图形，作为探测器的共面波导读出电路，同时为后续的Au-Au键合做准备；

（h）再准备一个双面抛光的Si片，先在其中一面用ALD或者溅射等方法制备Al₂O₃薄膜，在另一面，制作Au/Ti图形；

（i）通过Au-Au键合的方法，最终形成上层空气谐振腔，上层空气谐振腔的厚度通过控制两边Au/Ti层的厚度决定。

9.一种具有强吸收结构的高速SNSPD，其特征在于，包括金属薄膜反射镜（8），金属薄膜反射镜（8）下方有透明介质材料构成的上层谐振腔（9），上层谐振腔（9）下方为超导纳米线二（10），超导纳米线二（10）下方为外延单晶Si层（11），外延单晶Si层（11）下方为Si衬底二（12），Si衬底二（12）朝向外延单晶Si层（11）开有底层谐振腔二（13），Si衬底二（12）下方有防反射膜二（14）。

10.根据权利要求9所述高速SNSPD，其特征在于，所述透明介质材料为SiO₂，上层谐振腔（9）厚度为入射光在该介质内等效波长的四分之一。

11.根据权利要求9所述高速SNSPD，其特征在于，所述金属薄膜反射镜（8）由60nm以上厚度的Au膜构成，与构成上层谐振腔（9）的介质材料之间有1-2nm厚度的Ti作为粘附层。