Terobosan dalam detektor foton nanowire fraktal berkinerja tinggi

Para peneliti mengembangkan teknik fabrikasi baru untuk mengatasi tantangan desain dan kinerja bagi detektor foton tunggal yang dapat diskalakan.

Teknik fabrikasi baru untuk SNSPD yang fraktal foton Deteksi, meningkatkan Komputasi kuantum dan mengamankan komunikasi. Para ilmuwan memiliki bahan dan proses yang mengoptimalkan, membuat detektor ini lebih efisien dari sebelumnya.

Merevolusi elektronik dengan deteksi foton

Deteksi cahaya memainkan peran penting dalam teknologi modern, dari komunikasi berkecepatan tinggi hingga komputasi dan penginderaan kuantum. Di jantung sistem ini adalah detektor foton, yang mengidentifikasi dan mengukur partikel cahaya individu (foton). Satu jenis yang sangat efektif adalah detektor foton tunggal nanowire superkonduktor (SNSPD). Detektor ini menggunakan kabel superkonduktor ultra-tipis yang langsung beralih dari keadaan superkonduktor ke keadaan resistif ketika dipukul oleh foton, memungkinkan deteksi yang sangat cepat.

Untuk meningkatkan kinerja, kawat nano dalam detektor ini disusun dalam pola fraktal arced peano, struktur unik yang tetap konsisten di berbagai skala. Desain fraktal ini memungkinkan SNSPD untuk mendeteksi foton terlepas dari arah atau polarisasi mereka (orientasi medan listrik mereka), menjadikannya sangat fleksibel. Karena kecepatan dan sensitivitas superiornya, SNSPDs-fractal (AF SNSPDs) banyak digunakan dalam teknologi seperti komputasi kuantum, komunikasi yang aman, dan deteksi cahaya dan rentang (lidar).

Sebuah studi terbaru, yang diterbitkan di Jurnal IEEE Topik Terpilih dalam Elektronik Quantummenawarkan panduan terperinci untuk membuat SNSPD AF berkualitas tinggi. Dilakukan oleh Profesor Xiaolong Hu dan Dr. Kai Zou dari Universitas Tianjin, Cina, penelitian ini menguraikan bahan, teknik fabrikasi, dan tantangan utama yang terlibat dalam membangun detektor canggih ini.

“Makalah ini bertujuan untuk menyajikan perkembangan nano dan mikro dari SNSPD fraktal berkinerja tinggi, dengan penekanan khusus pada detail eksperimental penting yang merupakan kunci keberhasilan perangkat ini,” kata Prof. Hu.

Di dalam struktur SNSPDS AF

AF SNSPD terdiri dari tiga komponen: kawat nano untuk deteksi foton, mikrokavitas optik untuk menangkap foton, dan chip berbentuk lubang kunci yang menampung dan menyelaraskan detektor dengan serat optik. Proses fabrikasi dimulai dengan menciptakan mikrokavitas optik dengan melapisi wafer silikon dengan enam atau delapan lapisan silikon dioksida yang bergantian (sio₂) dan tantalum oksida (TA₂HAI₅) Menggunakan deposisi berbantuan ion-beam (IBD) untuk membentuk reflektor Bragg yang didistribusikan di bawah, diikuti oleh penambahan SIO₂ lapisan cacat. Selanjutnya, film superkonduktor Niobium-titanium nitride (NBTIN) 9-nm diendapkan pada lapisan cacat menggunakan sputtering magnetron reaktif, menciptakan permukaan yang peka terhadap foton. Elektroda titanium-emas kemudian dibuat pada permukaan ini menggunakan litografi optik dan proses pengangkatan.

Kawat nano dipola menjadi desain fraktal menggunakan litografi pemindaian-elektron-balok dan kemudian ditransfer ke lapisan nbtin melalui etsa ion reaktif. Microcavity diselesaikan dengan menyetor SIO TOP₂ Lapisan cacat dan lapisan TA bergantian tambahan₂HAI₅/Sio₂ Menggunakan litografi optik yang selaras dan IBD. Chip dibentuk ke dalam bentuk lubang kunci menggunakan litografi optik, digabungkan secara induktif plasma etsa, dan proses etsa Bosch, dan dikemas untuk koneksi serat optik.

Mengoptimalkan kinerja untuk efisiensi maksimal

Para penulis juga memberikan saran untuk mengoptimalkan proses fabrikasi kawat nano, mikrokavitas optik, dan chip berbentuk lubang kunci. Beberapa rekomendasi mereka meliputi: Menerapkan silikon 5-nm atau Sio 3-nm₂ Lapisan sebagai promotor adhesi untuk meningkatkan ikatan antara resist yang berpola menjadi kawat nano dan bahan nbtin, menggunakan pola kawat nano AF AUXILIARY untuk memastikan lebar kawat nano yang konsisten, dan desain tata letak yang cermat dan jarak untuk mikrokavitas optik untuk meminimalkan deformasi fotoresis. Mereka juga menyarankan menggunakan penanda penyelarasan yang akurat untuk chip berbentuk lubang kunci dan secara bertahap menerapkan panas selama proses curing untuk meningkatkan stabilitas fotoresis dan meminimalkan cacat etsa.

Masa depan yang cerah untuk teknologi kuantum

Sebagai kesimpulan, para peneliti dapat mengembangkan SNSPD dengan sensitivitas yang mengesankan dan efisiensi deteksi sistem. “Kemajuan ini akan membantu menyederhanakan pembuatan SNSPD fraktal yang memungkinkan pengembangan perangkat yang lebih maju dengan fungsi tambahan,” kata Prof. Hu.

Peningkatan yang mantap dalam desain dan fabrikasi SNSPD dapat membuka jalan menuju terobosan dalam komputasi kuantum, telekomunikasi, dan penginderaan optik. Masa depan fotonik pasti terlihat cerah!

Referensi: “Pengembangan Fabrikasi Detektor Foton Tunggal Superkonduktor Fraktal Kinerja Tinggi” oleh Kai Zou dan Xiaolong Hu, 25 Desember 2024, Jurnal IEEE Topik Terpilih dalam Elektronik Quantum.
Doi: 10.1109/jstqe.2024.3522176