基于Nb超导隧道结的太赫兹单光子探测器的研究

Terahertz single-photon detector (THz-SPD) allows for space-based far-infrared or submillimeter-wave interferometers to take the full advantage of the very-low background photon rates. Formally proposed and demonstrated THz-SPDs based on artificial semiconductor quantum structures such as doubel quantum dots and double quantum wells have ultra-high electrical sensitivity. However, problems such as low optical sensitivity due to the small reception area, requiring ultra-low temperature have been identified. To meet the need of space astronomical applications above 700 GHz and solve these problems, we propose a fast proof-of-concept for a superconducting single photon detector which is based on efficient photon-charge conversion and ultra-sensitive charge detection. The two key techniques, i.e., the superconducting tunnel junction and the silicon-based radio frequency single electron transistor, are already in the lab and will be integrated on a single chip. By developing the device model and the measurement technique, we would be able to specify the requirements for practical high sensitivity, high speed, and low-power terahertz superconducting photon detector.

由于极低的背景光子率，用于空间观测应用的红外和亚毫米波干涉仪需要高灵敏、高速度的探测器。太赫兹单光子探测器可以满足这一需求。基于双量子点或双量子阱等半导体人工量子结构的太赫兹单光子探测器往往具有工艺复杂、探测面积小、光子俘获率低、灵敏度低且需在极低温工作环境的缺点。针对这些缺点，本项目面向700 GHz以上空间天文观测应用，提出了快速原理验证一种新型超导单光子探测器结构的研究方案。本项目依托合作单位已具备的超导隧道结技术和项目组已具备的射频单电子晶体管电荷探测技术在同一芯片上分别完成光子-电荷转换和高灵敏度的电荷探测，完成该新型单光子探测器的快速原理验证。通过项目实施，获得超导单光子探测器的器件模型、制备技术和测试技术，为进一步开发实用高灵敏度、高速、低功耗的太赫兹超导光子探测器提供支持。

本项目旨在探索一种新型超导单光子探测器的器件结构，实现以硅基单电子晶体管为读出的高灵敏超导单光子探测器原型器件。本项目围绕实现太赫兹单光子探测器所存在的关键科学问题，开展了基于该类器件的物理机制、设计、加工制备和测试分析研究，为进一步开发实用高灵敏度、高速、低功耗的太赫兹超导光子探测器提供支持。. 在本项目中，项目组基于重掺杂的SOI材料，通过结构优化和工艺提升，实现了硅基单电子晶体管的可控制备，将单电子晶体管器件成品率提高到90%。研制开发了中心频率700 MHz的射频共振读出电路，实现了带宽＞50 MHz的单电子晶体管高速读出，解决了单电子晶体管高阻抗、弱电流的低速读出问题。通过仿真计算建立了单电子晶体管电荷探测模型，并在国际上首次使用射频单电子晶体管探针实现近场电荷的探测与扫描成像，可同时实现样品表面形貌和电荷分布成像，电荷灵敏度可达2.5E-5 e/Hz^1/2，扫描精度达到60 nm。设计了220 GHz~ 900 GHz的太赫兹超导探测结构及其与硅透镜、波导结构的集成方案。使用NbN实现了太赫兹法布里-珀罗谐振腔的制备与测试。完成了测试装备系统的建设，具备了太赫兹超导单光子探测器和单电子晶体管测试所需要的低温低噪声测试条件。. 项目组通过以上研究内容的实现，已较好的完成了项目设定的目标，解决了射频单电子晶体管电荷探测，超导太赫兹探测以及低温低噪声测试技术等关键科学问题，获得较为完整的器件物理模型、优化参数设计、器件加工和测试技术。但未及时完成太赫兹单光子探测实验，项目组已经分析定位了具体的原因并形成了解决方案。. 项目研制过程中实现的射频共振读出技术为日后阵列化读出太赫兹单光子探测器进行了探索。射频单电子晶体管近场电荷探测与扫描成像实验证实了射频单电子晶体管高灵敏度电荷探测能力以及高速读出能力，可实现太赫兹超导隧道结读出，同时该技术可用于进行新型太赫兹近场扫描成像的研究。