超導探測器技術與發展

摘要：介紹了高Tc超導紅外控測器的技術性能、特點及其應用，論述了各種探測機理和模式，扼要介紹了各種高超紅外新產品和新技術的研究現狀與發展趨勢。

關鍵詞：超導紅外探測器；探測機理；高溫超導器件

目前，高Tc超導紅外探測器的研究已成為超導電子學中的重要內容之一，這是因為高Tc超導探測器的研制水平已進入實用階段,并且成為光電探測技術發展的一個新方向.與傳統的半導體探測器相比高Tc超導探測器在大于20μm的長波探測中將成為優良的接收器，這一點填補了電磁波譜中遠紅外至毫米波段的空白。此外，它還具有高集成、低功率高成品率、低價格的優點。預計這一技術將在天文探險測、光譜研究、遠紅外激光接收和軍事光學等領域得到廣泛應用。

1 超導探險測機理

用超導體檢測紅外輻射早在50年代就已開始，但由于20K以下低溫的工作條件限制而一直停滯不前高Tc超導材料的問世使這一技術得到了新生。其探測機理有如下幾種：

1．1 電阻與溫度關系機制

這種原理的利用超導體從正常態轉變到超導態時，電阻隨溫度變化而急劇改變的特性來檢測紅外輻射的一程機理。現有的高Tc bolometer就是依據這個原理研制而成的。

1．2 電感與溫度關系機制

該機制是根據超導膜在Tc探測率下，其動態電感隨溫度變化而急劇改變來實現的。這種探測器在Tc下工作，可消除bolometer熱噪聲，并可非常精確地測定動電感Lk引起的頻率變化，具有制作簡單、靈敏度高的特點。

1．3 磁化率與溫度關系機制

當紅外輻射照射在超導敏感元件上并引起溫度上升時，其磁化率將迅速變化，就種現象就像“磁場快門”。利用這種現象可通過磁機制的改變或交流磁化率的變化來實現對入射輻射檢測，現已根據這一機理試制出NEP～10-11W·HZ-1/2探測器。這種探測器在低溫下工作和室溫下讀取信號的設計非常有利。

1. 4 光助隧道效應

1962年，Josepson在理論上預言：若兩個超導體之間隔有一層很薄的絕緣介質（約幾納米），那么弱電流（μA到mA）便可無阻地穿過。不久這一預言被貝爾實驗室的實驗所證實，這種現象稱為約瑟夫遜效應。

1. 5 非平衡光電效應

Testardi認為：借助于光子破壞超導庫柏電子對可產生準粒子，準粒子的存在將使超導能隙被壓縮，并破壞超導電性。因而可利用這種現象實現對紅外輻射的檢測。

如今，研究人員已在Sn、Pb及其氧化物、BaPb-BiO和YBCO等材料中觀察到這種現象。其響應時間優于10-4秒。

1. 6 光磁量子效應

這一效應是從超導相位滑移物理概念發展起來的，1990年由A.M.Kakin等人形成光磁量子探測紅外輻射的新型機理。當條狀導體寬度小于超導相干長度時，在臨界電流Ic的作用下，其超導電性的破壞要經過局部相位滑移，并形成中心渦旋。就是說，超導能隙Δ局部壓縮為零，超導相應重復地滑移。對于二維超導體來說，這個滑移過程連接成圈而形成渦旋—反渦旋對，在兩個渦旋中由于產生的橫向洛倫茲力使彼此排斥而分開。同時產生凈磁通為φ0的電壓脈沖。如今，用NbN和BaPbBiO膜已在實驗上證實了這種光助渦旋量子探測輻射的微觀機制，并分別得到Rv為6000V/W和104V/W的結果，其τ值優于納秒。

1. 7 能斯脫效應

當入射光照射到高TC膜上時，膜內將產生垂直于表面的濕度梯度，在外加磁場下，沿膜表面可測出紅外輻射的存在。它是運用磁通線的消釘扎和溫度梯度驅動磁通線的機制來實現檢測的。其響應速度較快，通常為10-6秒級。

1. 8 電流與濕度關系機制

1993年，M.I.Fiik等人設想出一種新型輻射失探測器，稱為本征超導輻射探測器（ISRD）。它是利用超導薄膜的臨界電流Ic與T的關系制成的，MIT獲W·Hz1/2,D=2.7×109cm·H-1·W-1，該探測器具有達到聲子噪音有線的潛力。

1. 9 熱電子型

這是由Beukeley大學提出的深低溫探測器，.可以大到1.15×1015cm·W-1的高性能。

2 超導紅外探測器的性能特點

根據上述9種探測機理設計制造了各種樣式的高Tc超導紅外探測器，其中交成熟的是根據R～T關系制造的bolometer型器件。其次是Josephson結型器件。表1列出了現階段幾種高水平探測器的主要性能。

從表1可以看出，單元超導探測器性能已達到實用水平。它們大多是用YiBa2Cu3O7材料制造的，主要是因為該材料制膜工藝成熟，Tc可達到90K，因此，探測器的熱學設計比較容易實現。

表1 高Tc超導器的要性能

由于實際應用的需要，目前多元列陣（FPA）研究極為活躍，現已有1×8元、1×12元、1×64元線陣，3×4元、8×8元面陣的報道，特別值得注意的是進行高Tc紅外FPA的研究機構己有十多家，如Honrywell、TRW、西屋、超導公司、NASA/Goddard空間中心、海軍研究實驗室（NRL）和加州大學等。圖1是上海技術物理所試制的4*4元面陣的結構示意圖，對于這種電阻型bolometer,每個敏感元有兩根信號讀出線，面陣器件的制造和工藝實現是一個難點，從圖1可以看出，利用面陣中各個敏感元有兩根信號讀出線，面陣器件的制造和工藝實現是一個難點。從圖1可以看出，利用面陣中各個敏感元公用電極編程的巧妙設計，并采用集成微加工技術對YBCO薄膜進行光刻試制出的4*4元面陣的D值在（1.2-7.2）×104cm·Hz1/2·W-1之間，工作溫度為88K。與延遲線時鐘脈沖讀取信號方法相比，它具有兩維同時讀出信號的優點。利用這一獨特的設計方法還可試制4N系列的焦平面器件（如4×8元、4×128元等）發，并可引入制造光導型HgCdTe、熱敏電阻等傳統紅外探測器面陣的研制之中。

圖2是引用同步輻射源光刻出0.8μm線條的高Tc 超導探測器敏感元的圖形。利用該敏感元不僅可以提高接收入射輻射的能量，而且可為制造高密度的多元陣打下一個技術基礎。

光子型的Josephson型高Tc探測器目前主要有SIS結、SNS結、晶粒邊界結和Josephson微橋四種，但這四種結構工藝復雜，成結不穩定，而實驗上用TdBaCaCuO制成的Josephson結的D值可達1010 cm·Hz1/2·W-1，響應時間τ為10-9秒。這類快速高性能的探測器特別適用

于遠紅外及毫米波區。

目前，半導體紅外焦平面列陣面臨著兩個問題：一是制造工藝；二是功耗。從制造工藝上看，半導體IRFPA包括探測器的組合件、前置放大器和二維的信號讀出線路。用這樣的混成結構在單一基片上制造出電學特性均勻的大面積列陣是相當困難的，而且很難要求結構小于100μm2，因此，對于FPA為100×100以上元數的器件就必須是鑲嵌的組合件。通常，超志電路尺寸僅為微米，而半導體電路則要幾十微米，因而在一定面積上，超導線路可以完成更為復雜的信息處理。關于功耗，美國戰略防御局（SDIO）有個指標，即所設計系統的每個象元功耗要求在10μW之內。按照這個要求，對于象元數目巨大的半導體FPA系統，其功率總消耗量也是相當大，如一個1000×1000元面陣則要有10W的功耗，這對航空或航天整機系統將帶來很多技術困難。

正在開發的超導FPA技術能夠有效地克服半導體FPA的上述困難。并為研制高密度低功耗FPA展現了良好的前景。歸納起來有如下優點：

●低功耗

超導電路可認為是無功耗的，但實際上功耗是存在。通常它比相同作用的半導體電路的功耗低兩個數量級。超導FPA的研究內容，除敏感元之外還包括前放（可選SQUD）、A/D轉換和信息處理等電路。總的來看，超導電路的功耗要比半導體電路低1～2個數量級。

●超導線路尺寸極小

從亞微米和納米結構研究報道看，微米級的器件加上微米級的線路將比半導體FPA具有更高的密度，因而可完成更為復雜的信息處理工作。

●便于研制大面積均勻列陣

由于超導均勻膜已具有φ76mm的尺寸，因此利用現有的光刻技術完全可以制造大面積均勻敏感元。而且壞器件極少，甚至沒有。

●成品率高、價格低

這是由超導制膜和光刻工藝可靠所決定的。用高Te超導體淀積在Si微結構上的薄膜制成的bolomerer器件的成品率很高，且其成本比HgCdTe低5～6個量級。

超導FPA技術的主要問題是：超導器件與線路都是低阻抗的，因此信息讀出的匹配問題必須解決。D.L,Smetana等人提出用高Tc超導阻抗變換器去耦合低阻抗的探測器，并與C-MOS處理多路傳輸線路進行銜接的方案，這實際上是一種Z-平面FPA讀出結構。另外，在超過FPA中使用超導A/D轉換器也已取得進展，西屋公司的超導IR-FPA課題組已將超導A/D轉換用于紅外成象系統中。

3 研究領域與發展趨勢

作為超導電子學的一個重要應用方面，高Tc超導紅外探測器的研究相當活躍，主要表現在開拓新材料、提高現有探測器性能和推廣應用等方面。現歸納為以下7個內容：

（1）新的高Tc材料器件

迄今制成的高Tc超導器件大多是YBCO材料，但這并不是最佳選擇，它的費米能級上的電子密度遠不如BakBiO、BaPbBiO等材料，日本NTT公司用這兩種材料制成優于10 -6秒的快速器件。加州大學用ErBCO制成X光到微波響應的高性能器件，其NEP值為10 -12W.Hz -1/2。

最近，通過對Hg-1223進行合成以及對Hg退火工藝的研究，獲得了Tc=139K的結果，而且，目前測試分析與確認工藝等工作仍在進行，尋求室溫超導體是一個極富吸引力的目標。

（2）超導體/半導體混成器件

與現有的半導體技術結合的工作，主要表現在YBCO與Si集成的組合結構，Vir-ginia大學在Si襯底上制成YZS島并過渡成了YBCC-Si微橋。美標準局（NIST）利用Au或Ag使YBCO與Si互連而實現了Si-氧化物-半導體常規工藝試制出的超半混成器件，從而為與CMOS讀出電路的連接提供了技術基礎。

（3）快速器件

高Tc探測器的響應速度τc探測器的響應速率τ為毫秒級。因此，研制塊速器件成為一個追求目標。波音公司制造的微橋配以焦耳-湯姆遜制冷可使其τ值達到10μs。俄羅斯莫斯科師范大學制出了0.15μm的亞微米橋，其τ值為1～2ps(10 -12s)，響應波長為0.8毫米波，NEP=3×10 -11W.Hz -1/2。

（4）長波器件

所謂長波，是指20μm至mm波譜區。由于光譜研究、天文觀測和遠紅激光接收等應用需要，高Tc超導器件無疑是最佳選擇。丹麥哥本哈根大學制出的器件的波長為90～600μm，NEP為4×10 11W.Hz -12。

（5）新型探測機理器件

1994年N.Blujer等提出的量子超導探測器是基于超導態下通過量子共振來實現檢測入射輻射的。而A.D.Hibbs等提出的基于共光磁量子效應的感應耦合紅外凝視器件，其象元可達10×10μm2。

（6）引進新的技術手段提高器件性能

很多成熟的科學方法都可拿來利用，如利用同步輻射光源和電子束直刻來獲得亞微米和納米級敏感元、天線與敏感元耦合以及Si膜片工藝等。

4 應用前景

目前，盡管熱敏型器件尚有若干技術難點，但已無重大的難以逾越的障礙。預計2010年前將有較成熟的單元和線陣進入實際應用階段，并可部分商品化。而光子型器件也將會有技術突破并試用，可以預見：到時光子器件和紅外探測器是兩大類并行發展的探測器。

今后，隨著高Tc超導器件的發展，它們將在以下領域得到廣泛應用：

（1）光譜儀：高Tc超導器件用于傅立葉光譜儀的中、遠紅外區要比熱電堆、熱釋電器件優越，特別是快速掃描型的傅立葉光譜儀。

（2）快速低溫測溫儀及輻射計。

（3）熱象儀：高Tc超導器件用于大于20μm至亞毫米波段的成象無疑是最佳器件。

（4）地物波譜儀：也就是長波地物輻射波譜檢測。

（5）遠紅外激光器的接收。

（6）托克馬克等離子體電子溫度的測量。

（7）射電天文亞毫米波接收機、天文探測光譜儀，特別是在天文衛星對外層空間的探測等方面。

（8）軍事上的多種裝備：如主動式亞毫米波形掃描器紅外前視器等。