超導探測器技術(shù)與發(fā)展

摘要：介紹了高Tc超導紅外控測器的技術(shù)性能、特點(diǎn)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(chǎn)品和新技術(shù)的研究現狀與發(fā)展趨勢。

關(guān)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(xué)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(jìn)入實(shí)用階段,并且成為光電探測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(cháng)波探測中將成為優(yōu)良的接收器，這一點(diǎn)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(jià)格的優(yōu)點(diǎn)。預計這一技術(shù)將在天文探險測、光譜研究、遠紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)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(kāi)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(wèn)世使這一技術(shù)得到了新生。其探測機理有如下幾種：

1．1 電阻與溫度關(guān)系機制

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

1．2 電感與溫度關(guān)系機制

該機制是根據超導膜在Tc探測率下，其動(dòng)態(tài)電感隨溫度變化而急劇改變來(lái)實(shí)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(dòng)電感Lk引起的頻率變化，具有制作簡(jiǎn)單、靈敏度高的特點(diǎn)。

1．3 磁化率與溫度關(guān)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(shí)，其磁化率將迅速變化，就種現象就像“磁場(chǎng)快門(mén)”。利用這種現象可通過(guò)磁機制的改變或交流磁化率的變化來(lái)實(shí)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(gè)超導體之間隔有一層很薄的絕緣介質(zhì)（約幾納米），那么弱電流（μA到mA）便可無(wú)阻地穿過(guò)。不久這一預言被貝爾實(shí)驗室的實(shí)驗所證實(shí)，這種現象稱(chēng)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(chǎn)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(shí)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(guān)察到這種現象。其響應時(shí)間優(yōu)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(fā)展起來(lái)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(cháng)度時(shí)，在臨界電流Ic的作用下，其超導電性的破壞要經(jīng)過(guò)局部相位滑移，并形成中心渦旋。就是說(shuō)，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(lái)說(shuō)，這個(gè)滑移過(guò)程連接成圈而形成渦旋—反渦旋對，在兩個(gè)渦旋中由于產(chǎn)生的橫向洛倫茲力使彼此排斥而分開(kāi)。同時(shí)產(chǎn)生凈磁通為φ0的電壓脈沖。如今，用NbN和BaPbBiO膜已在實(shí)驗上證實(shí)了這種光助渦旋量子探測輻射的微觀(guān)機制，并分別得到Rv為6000V/W和104V/W的結果，其τ值優(yōu)于納秒。

1. 7 能斯脫效應

當入射光照射到高TC膜上時(shí)，膜內將產(chǎn)生垂直于表面的濕度梯度，在外加磁場(chǎng)下，沿膜表面可測出紅外輻射的存在。它是運用磁通線(xiàn)的消釘扎和溫度梯度驅動(dòng)磁通線(xiàn)的機制來(lái)實(shí)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(guān)系機制

1993年，M.I.Fiik等人設想出一種新型輻射失探測器，稱(chēng)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(guān)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(xiàn)的潛力。

1. 9 熱電子型

這是由Beukeley大學(xué)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(diǎn)

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(guān)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(shí)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(xué)設計比較容易實(shí)現。

表1 高Tc超導器的要性能

由于實(shí)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(xiàn)陣，3×4元、8×8元面陣的報道，特別值得注意的是進(jìn)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(shí)驗室（NRL）和加州大學(xué)等。圖1是上海技術(shù)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(gè)敏感元有兩根信號讀出線(xiàn)，面陣器件的制造和工藝實(shí)現是一個(gè)難點(diǎn)，從圖1可以看出，利用面陣中各個(gè)敏感元有兩根信號讀出線(xiàn)，面陣器件的制造和工藝實(shí)現是一個(gè)難點(diǎn)。從圖1可以看出，利用面陣中各個(gè)敏感元公用電極編程的巧妙設計，并采用集成微加工技術(shù)對YBCO薄膜進(jìn)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(xiàn)時(shí)鐘脈沖讀取信號方法相比，它具有兩維同時(shí)讀出信號的優(yōu)點(diǎn)。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(fā)，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(xiàn)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(gè)技術(shù)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(shí)驗上用TdBaCaCuO制成的Josephson結的D值可達1010 cm·Hz1/2·W-1，響應時(shí)間τ為10-9秒。這類(lèi)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(zhù)兩個(gè)問(wèn)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(xiàn)路。用這樣的混成結構在單一基片上制造出電學(xué)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(xiàn)路可以完成更為復雜的信息處理。關(guān)于功耗，美國戰略防御局（SDIO）有個(gè)指標，即所設計系統的每個(gè)象元功耗要求在10μW之內。按照這個(gè)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(gè)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(lái)很多技術(shù)困難。

正在開(kāi)發(fā)的超導FPA技術(shù)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(lái)有如下優(yōu)點(diǎn)：

●低功耗

超導電路可認為是無(wú)功耗的，但實(shí)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(gè)數量級。超導FPA的研究?jì)热?，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?？偟膩?lái)看，超導電路的功耗要比半導體電路低1～2個(gè)數量級。

●超導線(xiàn)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(xiàn)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(shù)完全可以制造大面積均勻敏感元。而且壞器件極少，甚至沒(méi)有。

●成品率高、價(jià)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(gè)量級。

超導FPA技術(shù)的主要問(wèn)題是：超導器件與線(xiàn)路都是低阻抗的，因此信息讀出的匹配問(wèn)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(xiàn)路進(jìn)行銜接的方案，這實(shí)際上是一種Z-平面FPA讀出結構。另外，在超過(guò)FPA中使用超導A/D轉換器也已取得進(jìn)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(lǐng)域與發(fā)展趨勢

作為超導電子學(xué)的一個(gè)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(kāi)拓新材料、提高現有探測器性能和推廣應用等方面?，F歸納為以下7個(gè)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(yōu)于10 -6秒的快速器件。加州大學(xué)用ErBCO制成X光到微波響應的高性能器件，其N(xiāo)EP值為10 -12W.Hz -1/2。

最近，通過(guò)對Hg-1223進(jìn)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(jìn)行，尋求室溫超導體是一個(gè)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(shù)結合的工作，主要表現在YBCO與Si集成的組合結構，Vir-ginia大學(xué)在Si襯底上制成YZS島并過(guò)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(shí)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(shù)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(gè)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(xué)制出了0.15μm的亞微米橋，其τ值為1～2ps(10 -12s)，響應波長(cháng)為0.8毫米波，NEP=3×10 -11W.Hz -1/2。

（4）長(cháng)波器件

所謂長(cháng)波，是指20μm至mm波譜區。由于光譜研究、天文觀(guān)測和遠紅激光接收等應用需要，高Tc超導器件無(wú)疑是最佳選擇。丹麥哥本哈根大學(xué)制出的器件的波長(cháng)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(tài)下通過(guò)量子共振來(lái)實(shí)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(jìn)新的技術(shù)手段提高器件性能

很多成熟的科學(xué)方法都可拿來(lái)利用，如利用同步輻射光源和電子束直刻來(lái)獲得亞微米和納米級敏感元、天線(xiàn)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(shù)難點(diǎn)，但已無(wú)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(xiàn)陣進(jìn)入實(shí)際應用階段，并可部分商品化。而光子型器件也將會(huì )有技術(shù)突破并試用，可以預見(jiàn)：到時(shí)光子器件和紅外探測器是兩大類(lèi)并行發(fā)展的探測器。

今后，隨著(zhù)高Tc超導器件的發(fā)展，它們將在以下領(lǐng)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(yōu)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(wú)疑是最佳器件。

（4）地物波譜儀：也就是長(cháng)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(dòng)式亞毫米波形掃描器紅外前視器等。