Neues Fertigungsverfahren Supraleitende Nanodraht-Detektoren für präzise Quantenkommunikation

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Photonische Sensoren sind der Schlüssel für eine sichere Quantenkommunikation oder hochpräzise Messtechnik. Forscher haben ein Herstellungsverfahren für supraleitende Nanodraht-Photonendetektoren (SNSPD) entwickelt.

Licht ist die Grundlage für die moderne Kommunikation und Sensorik. Ob in der Quantenkommunikation, optischen Messtechnik oder Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation – die Detektion einzelner Photonen spielt eine zentrale Rolle.

Ein internationales Forscherteam hat nun bedeutende Fortschritte bei der Herstellung skalierbarer supraleitender Nanodraht-Photonendetektoren (SNSPDs) erzielt, die eine extrem hohe Empfindlichkeit und schnelle Signalverarbeitung ermöglichen. Diese Detektoren sind nicht nur für die sichere Quantenverschlüsselung relevant, sondern auch für Lidar-Systeme in autonomen Fahrzeugen, biomedizinische Bildgebung sowie extrem lichtschwache astrophysikalische Messungen.

Komplexe Fertigungsprozesse

Photonendetektoren wie SNSPDs erfassen einzelne Photonen mit hoher Effizienz und Geschwindigkeit. Sie basieren auf ultradünnen supraleitenden Nanodrähten, die beim Auftreffen eines Photons vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand wechseln.

Besonders leistungsfähig sind Arced-Fractal SNSPDs (AF SNSPDs), die aufgrund ihrer fraktalen Struktur Photonen unabhängig von Einfallswinkel und Polarisation detektieren. Allerdings war ihre Fertigung bislang mit erheblichen Mehraufwand verbunden. Bei den AF SNSPDs sorgt die fraktale Struktur dafür, dass die Detektionseffizienz weitgehend unabhängig von diesen Faktoren bleibt.

In einer aktuellen Studie, veröffentlicht im IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, stellen Wissenschaftler der Tianjin University eine optimierte Herstellungsstrategie für AF SNSPDs vor. Der Prozess umfasst mehrere Schlüsselschritte:

• Optische Mikroresonatoren: Beschichtung eines Siliziumwafers mit alternierenden Schichten aus Siliziumdioxid (SiO₂) und Tantaloxid (Ta₂O₅) mittels ionenstrahlunterstützter Abscheidung (IBD), um eine Bragg-Reflektorstruktur zu erzeugen.

• Supraleitende Schicht: Aufbringen eines 9 nm dünnen Films aus Niob-Titan-Nitrid (NbTiN) durch reaktive Magnetron-Sputterabscheidung.

• Nanodraht-Musterung: Strukturierung der Nanodrähte mit rasterelektronenstrahlgestützter Lithografie und anschließender reaktiver Ionenätzung.

• Chip-Finalisierung: Formung der Chips mittels lithografischer Verfahren und Plasmaätzung zur Integration optischer Fasern.

Bessere Fertigungsstabilität und Ausblick

Die Forscher empfehlen spezifische Anpassungen zur Optimierung der Produktion. So verbessert beispielsweise eine 5 nm dicke Silizium- oder 3 nm SiO₂-Schicht die Haftung der Nanodraht-Struktur auf der NbTiN-Schicht erheblich. Darüber hinaus tragen zusätzliche Nanodraht-Muster dazu bei, die Breite der Drähte zu kalibrieren und das Layout zu optimieren, wodurch Variationen in der Struktur minimiert werden. Eine exakte Belichtung mit präzisen Ausrichtungsmasken hilft zudem, Strukturverzerrungen zu reduzieren und die Stabilität der Ätzprozesse zu verbessern, was die Fertigungsgenauigkeit der Detektoren erheblich steigert.

Durch diese Prozessverbesserungen konnten Detektoren mit hoher Empfindlichkeit und Systemdetektionseffizienz realisiert werden. Die Ergebnisse bieten vielversprechende Ansätze für weiterentwickelte photonische Bauelemente, insbesondere in der Quanteninformatik und optischen Sensorik. Die kontinuierliche Verbesserung der SNSPD-Technologie könnte somit den Weg für neue Generationen von hochempfindlichen und skalierbaren Detektoren ebnen. (heh)

Referenz

Fabrication Development of High-Performance Fractal Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors. Kai Zou and Xiaolong Hu, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.

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