张蜡宝课题组在3D结构超导单光子探测器件研究方向取得突破，成功研制出基于氮掺杂非晶钨（NAW）的三层垂直堆叠超导纳米线探测器，揭示了其层间声子耦合级联触发机制，为发展新型超导单光子探测器提供新平台。相关成果以"Fabrication and electrothermal analysis of multilayer NAW superconducting nanowires"为题发表于国际超导领域权威期刊《Superconductivity》。周飞博士和马良博士为论文共同第一作者，陈奇副研究员、张蜡宝教授为共同通讯作者。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借其高探测效率、低暗计数率和超快响应速度等优势，已成为量子信息、先进成像、深空激光通信等领域的核心器件。然而，传统平面工艺制备的超导纳米线结构——无论是单线、串联还是并联构型——都被限制在单层平面光敏面内，导致吸收效率、信噪比、像元面积、器件成品率和像元密度之间存在固有权衡矛盾。多层纳米线结构有可能破解平面结构的固有制约，但其制备难点大大增加，其光子响应和声子耦合机制有待进一步研究。

（一）材料体系创新：多层NAW薄膜原位生长

针对多层结构对材料体系的特殊要求，团队创新性地采用氮掺杂非晶钨（NAW）作为超导层材料，引入非超导层作为介质层，构建了多层NAW薄膜生长。与MoSi、WSi等其他非晶超导薄膜相比，NAW材料具有天然氧化层自钝化特性，无需额外制备保护层即可防止超导薄膜氧化导致的性能退化，显著简化了制备工艺。同时，NAW作为非晶材料避免了晶界相关缺陷（如杂质偏析、位错、晶界空洞等），9 nm厚薄膜表面粗糙度仅为0.19 nm，远优于同厚度WSi薄膜的0.49 nm，为多层结构的平整度提供了材料基础。

图1 多层纳米线结构示意图（右侧椭圆区域内的放大视图展示了纳米线截面的垂直结构及电热传播示意图）

（二）工艺创新：高精度多层纳米线刻蚀与互联技术

针对多层NAW纳米线高精度加工与互连的难题，团队发展了一套完整的多层超导器件微纳加工工艺，核心包括“多层超导薄膜溅射”技术和“电极通孔填充”技术等。设计“悬垂”电极填充结构，实现电极区域的垂直稳定互连界面。TEM表征结果显示，电极清晰地连接到每一层超导层，实现了三层纳米线的可靠并联电学连接。

（三）物理机制创新：层间热耦合级联触发模型

建立了n（n ≥ 2）层垂直堆叠结构的电热模型，揭示了层间声子耦合的级联触发机制。当某一层纳米线吸收光子产生初始热点后，热流可以穿过介质层传播到相邻超导层，触发相邻层也形成热点。这种级联触发过程的效率高度依赖于偏置电流：在低偏置电流下，只有直接吸收光子的层形成稳定热点，器件工作在“单层探测模式”；随着偏置电流升高，热扰动增强，相邻层被级联触发的概率显著增加，器件进入“双层探测模式”；当偏置电流足够高时，三层全部被触发，器件进入“全工作模式”。

如图2给出了研制器件的测试数据。三层器件临界电流达到7.2 μA，约为同等平面结构单层器件（2.4 μA）的3倍。光子计数率-偏置电流曲线，可明显观测到三个平台，分别对应三种工作模式，与建立的n层热模型仿真结果高度吻合，直接验证了层间热耦合级联触发机制的存在。

图2 (a)厚度9纳米的NAW薄膜的电阻-温度特性曲线 (b)单层至三层纳米线结构的电流-电压特性曲线 (c)单层与三层纳米线结构超导探测器的暗计数率(d)单层与三层纳米线结构SNSPD的实测输出脉冲信号 (e)三层纳米线结构SNSPD的计数率

该垂直堆叠结构具有良好的可扩展性——所提出的制备方法学，包括通孔刻蚀工艺、对准标记集成、多层沉积技术等，原则上可以扩展到任意n层结构而不存在根本性限制。随着层数增加，层间热耦合效应将更加显著，器件性能有望进一步提升。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.supcon.2026.100274