南京大学研制中长波红外超导单光子探测器
高性能的中长波单光子探测器在红外天文和军事国防领域具有重要的研究价值，也是单光子探测技术领域的研究难点。超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD）在近红外波段已经展示出优异的性能，但如何进一步提高器件的探测截止波长λc是一个受到广泛关注的话题。
近日，南京大学电子科学与工程学院吴培亨教授团队在《物理学报》期刊上发表了题为“5-10微米波段超导单光子探测器设计与研制”的最新论文，他们探讨了一种通过超导无序调控辅助提高λc的方法，设计并制备出工作波段为5-10μm的超导单光子探测器。实验测得方块电阻Rs~320Ω/□的Mo0.8Si0.2红外器件在6μm波长上可以获得完全饱和的量子效率。此外，当器件工作在0.9ISW（ISW为纳米线超导转变电流）的偏置电流下时，在10.2μm波长上的量子效率达到53%。
作为诸多现代化高科技装备的眼睛，先进红外探测器受到了越来越广泛的关注。在极限灵敏探测领域，SNSPD已在近红外波段展现了极好的工作性能。理论研究表明，SNSPD的工作波长可进一步覆盖中长波红外光谱，实现高性能中长波红外SNSPD的研制对许多前沿科学技术领域具有重要的应用价值。
然而，随着探测波长的增大，常规SNSPD的量子效率ηinternal呈指数形式下降，如何有效提高SNSPD在中长波红外波段上的ηinternal，成为了其发展方向上的一个关键性难点。
探测截止波长λc是表征SNSPD量子效率ηinternal能够达到饱和的最长波长。当前研究表明，纳米线的超导能隙和截面尺寸是影响SNSPD探测截止波长λc的两大因素。在以上两种技术途径之外，本文研究发现超导薄膜的无序特性也是影响SNSPD探测截止波长λc的一大因素。
由此，在新的技术途径中，可以考虑通过对超导薄膜无序特性的有效调控来达到增大SNSPD探测截止波长λc和量子效率ηinternal的目的。超导薄膜的方块电阻Rs是衡量其无序强度的一个主要评价因子，一般认为无序越强则Rs越大。因此，本文分析了在具有不同结构尺寸的SNSPD中，Rs的大小对λc的影响。理论分析表明，在不同的线宽条件下，Rs增大将同步增大λc，这一理论预测在实验中也得到了论证。本文通过增大Mo0.8Si0.2薄膜的Rs进一步将相应SNSPD的λc从低于5μm提高到了6μm，同时在10.2μm波长上测得量子效率ηinternal达到53%。
器件制备
为了进一步提高器件的探测截止波长，他们适当增大了Mo0.8Si0.2薄膜的无序强度，将薄膜的方块电阻Rs进一步增大到了320Ω/□，同时保持线宽w=30nm。探测器的总体结构如图1（a）所示，主要包含用于信号脉冲展宽的蜿蜒纳米线结构和响应红外光子的窄纳米线，这里为避免窄纳米线在制备过程中发生漂移，在窄纳米线上增加了多个“十字”结构。电子束曝光得到的纳米线结构通过反应离子刻蚀转移到Mo0.8Si0.2薄膜上，采用SF6作为刻蚀气体，气压流量为40sccm，采用CHF3作为钝化气体，气体流量为20sccm，在4Pa气压、80W功率的环境下刻蚀32s，最终得到目标器件结构。
图1?红外SNSPD器件结构及局部SEM图
器件测试结果
实验分别测量了SNSPD在6μm和10.2μm两个波长上的量子效率，图2为实验中采用的红外SNSPD测量示意图。选择了两种类型的光源，其中采用美国海洋光学仪器生产的冷红外黑体源（1500K工作温度，氮化硅发光材料）用于辐射6μm波长的光信号。采用QCL激光器辐射10.2μm中心波长的光信号。
红外光源输出的信号光通过光学套筒、可调中性密度衰减器、窄带滤波片、稀释制冷机的ZnSe光学窗口以及制冷机内部的固定衰减器（光密度OD=3），最终覆盖SNSPD的光敏面。SNSPD吸收单光子并将其转化为一个电脉冲信号，电脉冲信号通过外部电路进行放大并读出，从而完成一次光子探测。
图2 红外SNSPD测量示意图
在50mK的温度下，实验首先测量了SNSPD对6μm波长的光探测结果，如图3所示。
图3?SNSPD在6μm波长上的量子效率ηinternal以及背景辐射计数BCR随归一化偏置电流IB/ISW的变化关系
当SNSPD的探测波长增大到10.2μm时，再次测量ηinternal将随偏置电流的变化关系，如图4所示。从实验结果中可得当IB/ISW=0.9时，ηinternal达到53%。
图4 SNSPD对10.2μm波长的量子效率随归一化偏置电流的变化关系
结论
本文从无序出发提出了增大SNSPD探测截止波长λc的技术方法，并进一步讨论了无序以及尺寸变化对λc的影响。研究表明，超导薄膜方块电阻Rs的增大将同步增大λc，尤其当纳米线宽w较小时，λc的增大速率更快。本文制备了常温方块电阻Rs~320Ω/□且线宽w=30nm的Mo0.8Si0.2红外SNSPD，将器件工作波段扩展到了5-10μm。在6μm波长上SNSPD可以获得完全饱和的量子效率ηinternal，在10.2μm长波红外上的ηinternal达到53%，当排除超流压缩的影响时，ηinternal理论上最高可达到92%。此外，如何平衡器件工作温度、信噪比二者与λc之间的关系以及探索最优的无序调控技术，是中长波红外SNSPD未来发展中需要解决的两大难题。
本研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省重点领域研究与发展计划、江苏省自然科学基金的支持。
