【摘 要】
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超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种量子极限灵敏的探测器。与传统的单光子探测器相比,它具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、恢复时间短等优势。目前应用于SNSPD器件的超导材料普遍具有极低的超导转变温度（Tc）,往往存在临界电流密度低、动态电感高、输出信号振幅小,以及低温系统带来的成本高昂等问题。开发基于高温超导材料的SNSPD系统可解决上述问题。然而,相较于低温超导材料,高温超导材料的制备
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超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种量子极限灵敏的探测器。与传统的单光子探测器相比,它具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、恢复时间短等优势。目前应用于SNSPD器件的超导材料普遍具有极低的超导转变温度（Tc）,往往存在临界电流密度低、动态电感高、输出信号振幅小,以及低温系统带来的成本高昂等问题。开发基于高温超导材料的SNSPD系统可解决上述问题。然而,相较于低温超导材料,高温超导材料的制备工艺更加复杂且稳定性不佳,同时需要克服超导能隙电压过高对探测效率的负面影响。因此,研制基于高温超导材料的超导纳米线单光子探测器面临极大的挑战。本文完成了基于FeSe超导纳米线的单光子探测器的结构设计和集成制备。主要研究内容包括:（1）集成光学增强吸收结构的设计。用于超导纳米线单光子探测器的FeSe超导材料层厚度较薄,光学吸收性能差,限制了探测器的探测效率。本文基于FeSe/STO高温超导材料体系,在兼顾工艺兼容性的基础上,提出探测器光学增强吸收结构的设计方案,并开展理论模型与仿真研究。构建减反层、超表面结构、光学谐振腔、表面等离激元微纳结构等光学吸收增益模型,采用FDTD软件仿真优化FeSe纳米线器件的吸收性能,成功将1550 nm处光子吸收效率最高提升至78%。（2）FeSe超导纳米线器件工艺兼容性设计及优化。由于FeSe超导材料在大气中稳定性不佳,与传统的微纳加工工艺难以兼容,给超导纳米线加工与器件性能稳定性带来了巨大的挑战。本文开展FeSe超导纳米线器件工艺路线与工艺兼容性优化设计,通过减少FeSe材料的暴露时间、制备绝缘保护层、改进去胶工艺等方法,保障FeSe材料在纳米线加工和器件集成后的超导特性。研究表明,器件在大气中保存一个月,仍保持良好的超导性能。进一步,本文设计并优化掩模板,增大保护层面积,进一步改善器件的稳定性和工作寿命。此外,为避免直接对FeSe薄膜进行微加工处理,本文对用作衬底的STO基片进行预刻蚀,获得纳米线结构的凸台阶,然后在其上外延生长FeSe单分子层及其保护层,从而获得FeSe纳米线探测结构。
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