超導(dǎo)探測(cè)器技術(shù)與發(fā)展

摘要：介紹了高Tc超導(dǎo)紅外控測(cè)器的技術(shù)性能、特點(diǎn)及其應(yīng)用，論述了各種探測(cè)機(jī)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(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)紅外探測(cè)器；探測(cè)機(jī)理；高溫超導(dǎo)器件

目前，高Tc超導(dǎo)紅外探測(cè)器的研究已成為超導(dǎo)電子學(xué)中的重要內(nèi)容之一，這是因?yàn)楦逿c超導(dǎo)探測(cè)器的研制水平已進(jìn)入實(shí)用階段,并且成為光電探測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器相比高Tc超導(dǎo)探測(cè)器在大于20μm的長(zhǎng)波探測(cè)中將成為優(yōu)良的接收器，這一點(diǎn)填補(bǔ)了電磁波譜中遠(yuǎn)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(yù)計(jì)這一技術(shù)將在天文探險(xiǎn)測(cè)、光譜研究、遠(yuǎn)紅外激光接收和軍事光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 超導(dǎo)探險(xiǎn)測(cè)機(jī)理

用超導(dǎo)體檢測(cè)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(dǎo)材料的問世使這一技術(shù)得到了新生。其探測(cè)機(jī)理有如下幾種：

1．1 電阻與溫度關(guān)系機(jī)制

這種原理的利用超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電阻隨溫度變化而急劇改變的特性來檢測(cè)紅外輻射的一程機(jī)理。現(xiàn)有的高Tc bolometer就是依據(jù)這個(gè)原理研制而成的。

1．2 電感與溫度關(guān)系機(jī)制

該機(jī)制是根據(jù)超導(dǎo)膜在Tc探測(cè)率下，其動(dòng)態(tài)電感隨溫度變化而急劇改變來實(shí)現(xiàn)的。這種探測(cè)器在Tc下工作，可消除bolometer熱噪聲，并可非常精確地測(cè)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(jī)制

當(dāng)紅外輻射照射在超導(dǎo)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(xiàn)象就像“磁場(chǎng)快門”。利用這種現(xiàn)象可通過磁機(jī)制的改變或交流磁化率的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射輻射檢測(cè)，現(xiàn)已根據(jù)這一機(jī)理試制出NEP～10-11W·HZ-1/2探測(cè)器。這種探測(cè)器在低溫下工作和室溫下讀取信號(hào)的設(shè)計(jì)非常有利。

1. 4 光助隧道效應(yīng)

1962年，Josepson在理論上預(yù)言：若兩個(gè)超導(dǎo)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）便可無阻地穿過。不久這一預(yù)言被貝爾實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，這種現(xiàn)象稱為約瑟夫遜效應(yīng)。

1. 5 非平衡光電效應(yīng)

Testardi認(rèn)為：借助于光子破壞超導(dǎo)庫柏電子對(duì)可產(chǎn)生準(zhǔn)粒子，準(zhǔn)粒子的存在將使超導(dǎo)能隙被壓縮，并破壞超導(dǎo)電性。因而可利用這種現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的檢測(cè)。

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(xiàn)象。其響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于10-4秒。

1. 6 光磁量子效應(yīng)

這一效應(yīng)是從超導(dǎo)相位滑移物理概念發(fā)展起來的，1990年由A.M.Kakin等人形成光磁量子探測(cè)紅外輻射的新型機(jī)理。當(dāng)條狀導(dǎo)體寬度小于超導(dǎo)相干長(zhǎng)度時(shí)，在臨界電流Ic的作用下，其超導(dǎo)電性的破壞要經(jīng)過局部相位滑移，并形成中心渦旋。就是說，超導(dǎo)能隙Δ局部壓縮為零，超導(dǎo)相應(yīng)重復(fù)地滑移。對(duì)于二維超導(dǎo)體來說，這個(gè)滑移過程連接成圈而形成渦旋—反渦旋對(duì)，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。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(yàn)上證實(shí)了這種光助渦旋量子探測(cè)輻射的微觀機(jī)制，并分別得到Rv為6000V/W和104V/W的結(jié)果，其τ值優(yōu)于納秒。

1. 7 能斯脫效應(yīng)

當(dāng)入射光照射到高TC膜上時(shí)，膜內(nèi)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(cè)出紅外輻射的存在。它是運(yùn)用磁通線的消釘扎和溫度梯度驅(qū)動(dòng)磁通線的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。其響應(yīng)速度較快，通常為10-6秒級(jí)。

1. 8 電流與濕度關(guān)系機(jī)制

1993年，M.I.Fiik等人設(shè)想出一種新型輻射失探測(cè)器，稱為本征超導(dǎo)輻射探測(cè)器（ISRD）。它是利用超導(dǎo)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(cè)器具有達(dá)到聲子噪音有線的潛力。

1. 9 熱電子型

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

2 超導(dǎo)紅外探測(cè)器的性能特點(diǎn)

根據(jù)上述9種探測(cè)機(jī)理設(shè)計(jì)制造了各種樣式的高Tc超導(dǎo)紅外探測(cè)器，其中交成熟的是根據(jù)R～T關(guān)系制造的bolometer型器件。其次是Josephson結(jié)型器件。表1列出了現(xiàn)階段幾種高水平探測(cè)器的主要性能。

從表1可以看出，單元超導(dǎo)探測(cè)器性能已達(dá)到實(shí)用水平。它們大多是用YiBa2Cu3O7材料制造的，主要是因?yàn)樵摬牧现颇すに嚦墒?，Tc可達(dá)到90K，因此，探測(cè)器的熱學(xué)設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)。

表1 高Tc超導(dǎo)器的要性能

由于實(shí)際應(yīng)用的需要，目前多元列陣（FPA）研究極為活躍，現(xiàn)已有1×8元、1×12元、1×64元線陣，3×4元、8×8元面陣的報(bào)道，特別值得注意的是進(jìn)行高Tc紅外FPA的研究機(jī)構(gòu)己有十多家，如Honrywell、TRW、西屋、超導(dǎo)公司、NASA/Goddard空間中心、海軍研究實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)于這種電阻型bolometer,每個(gè)敏感元有兩根信號(hào)讀出線，面陣器件的制造和工藝實(shí)現(xiàn)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(hào)讀出線，面陣器件的制造和工藝實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，并采用集成微加工技術(shù)對(duì)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。與延遲線時(shí)鐘脈沖讀取信號(hào)方法相比，它具有兩維同時(shí)讀出信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。利用這一獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(dǎo)型HgCdTe、熱敏電阻等傳統(tǒng)紅外探測(cè)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(dǎo)探測(cè)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(chǔ)。

光子型的Josephson型高Tc探測(cè)器目前主要有SIS結(jié)、SNS結(jié)、晶粒邊界結(jié)和Josephson微橋四種，但這四種結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，成結(jié)不穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)上用TdBaCaCuO制成的Josephson結(jié)的D值可達(dá)1010 cm·Hz1/2·W-1，響應(yīng)時(shí)間τ為10-9秒。這類快速高性能的探測(cè)器特別適用

于遠(yuǎn)紅外及毫米波區(qū)。

目前，半導(dǎo)體紅外焦平面列陣面臨著兩個(gè)問題：一是制造工藝；二是功耗。從制造工藝上看，半導(dǎo)體IRFPA包括探測(cè)器的組合件、前置放大器和二維的信號(hào)讀出線路。用這樣的混成結(jié)構(gòu)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(dāng)困難的，而且很難要求結(jié)構(gòu)小于100μm2，因此，對(duì)于FPA為100×100以上元數(shù)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(dǎo)體電路則要幾十微米，因而在一定面積上，超導(dǎo)線路可以完成更為復(fù)雜的信息處理。關(guān)于功耗，美國戰(zhàn)略防御局（SDIO）有個(gè)指標(biāo)，即所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的每個(gè)象元功耗要求在10μW之內(nèi)。按照這個(gè)要求，對(duì)于象元數(shù)目巨大的半導(dǎo)體FPA系統(tǒng)，其功率總消耗量也是相當(dāng)大，如一個(gè)1000×1000元面陣則要有10W的功耗，這對(duì)航空或航天整機(jī)系統(tǒng)將帶來很多技術(shù)困難。

正在開發(fā)的超導(dǎo)FPA技術(shù)能夠有效地克服半導(dǎo)體FPA的上述困難。并為研制高密度低功耗FPA展現(xiàn)了良好的前景。歸納起來有如下優(yōu)點(diǎn)：

●低功耗

超導(dǎo)電路可認(rèn)為是無功耗的，但實(shí)際上功耗是存在。通常它比相同作用的半導(dǎo)體電路的功耗低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。超導(dǎo)FPA的研究?jī)?nèi)容，除敏感元之外還包括前放（可選SQUD）、A/D轉(zhuǎn)換和信息處理等電路?？偟膩砜矗瑢?dǎo)電路的功耗要比半導(dǎo)體電路低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

●超導(dǎo)線路尺寸極小

從亞微米和納米結(jié)構(gòu)研究報(bào)道看，微米級(jí)的器件加上微米級(jí)的線路將比半導(dǎo)體FPA具有更高的密度，因而可完成更為復(fù)雜的信息處理工作。

●便于研制大面積均勻列陣

由于超導(dǎo)均勻膜已具有φ76mm的尺寸，因此利用現(xiàn)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，甚至沒有。

●成品率高、價(jià)格低

這是由超導(dǎo)制膜和光刻工藝可靠所決定的。用高Te超導(dǎo)體淀積在Si微結(jié)構(gòu)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(jí)。

超導(dǎo)FPA技術(shù)的主要問題是：超導(dǎo)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(dǎo)阻抗變換器去耦合低阻抗的探測(cè)器，并與C-MOS處理多路傳輸線路進(jìn)行銜接的方案，這實(shí)際上是一種Z-平面FPA讀出結(jié)構(gòu)。另外，在超過FPA中使用超導(dǎo)A/D轉(zhuǎn)換器也已取得進(jìn)展，西屋公司的超導(dǎo)IR-FPA課題組已將超導(dǎo)A/D轉(zhuǎn)換用于紅外成象系統(tǒng)中。

3 研究領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)

作為超導(dǎo)電子學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用方面，高Tc超導(dǎo)紅外探測(cè)器的研究相當(dāng)活躍，主要表現(xiàn)在開拓新材料、提高現(xiàn)有探測(cè)器性能和推廣應(yīng)用等方面?，F(xiàn)歸納為以下7個(gè)內(nèi)容：

（1）新的高Tc材料器件

迄今制成的高Tc超導(dǎo)器件大多是YBCO材料，但這并不是最佳選擇，它的費(fèi)米能級(jí)上的電子密度遠(yuǎn)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(yīng)的高性能器件，其NEP值為10 -12W.Hz -1/2。

最近，通過對(duì)Hg-1223進(jìn)行合成以及對(duì)Hg退火工藝的研究，獲得了Tc=139K的結(jié)果，而且，目前測(cè)試分析與確認(rèn)工藝等工作仍在進(jìn)行，尋求室溫超導(dǎo)體是一個(gè)極富吸引力的目標(biāo)。

（2）超導(dǎo)體/半導(dǎo)體混成器件

與現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合的工作，主要表現(xiàn)在YBCO與Si集成的組合結(jié)構(gòu)，Vir-ginia大學(xué)在Si襯底上制成YZS島并過渡成了YBCC-Si微橋。美標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）利用Au或Ag使YBCO與Si互連而實(shí)現(xiàn)了Si-氧化物-半導(dǎo)體常規(guī)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(chǔ)。

（3）快速器件

高Tc探測(cè)器的響應(yīng)速度τc探測(cè)器的響應(yīng)速率τ為毫秒級(jí)。因此，研制塊速器件成為一個(gè)追求目標(biāo)。波音公司制造的微橋配以焦耳-湯姆遜制冷可使其τ值達(dá)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(yīng)波長(zhǎng)為0.8毫米波，NEP=3×10 -11W.Hz -1/2。

（4）長(zhǎng)波器件

所謂長(zhǎng)波，是指20μm至mm波譜區(qū)。由于光譜研究、天文觀測(cè)和遠(yuǎn)紅激光接收等應(yīng)用需要，高Tc超導(dǎo)器件無疑是最佳選擇。丹麥哥本哈根大學(xué)制出的器件的波長(zhǎng)為90～600μm，NEP為4×10 11W.Hz -12。

（5）新型探測(cè)機(jī)理器件

1994年N.Blujer等提出的量子超導(dǎo)探測(cè)器是基于超導(dǎo)態(tài)下通過量子共振來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)入射輻射的。而A.D.Hibbs等提出的基于共光磁量子效應(yīng)的感應(yīng)耦合紅外凝視器件，其象元可達(dá)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(jí)敏感元、天線與敏感元耦合以及Si膜片工藝等。

4 應(yīng)用前景

目前，盡管熱敏型器件尚有若干技術(shù)難點(diǎn)，但已無重大的難以逾越的障礙。預(yù)計(jì)2010年前將有較成熟的單元和線陣進(jìn)入實(shí)際應(yīng)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(yù)見：到時(shí)光子器件和紅外探測(cè)器是兩大類并行發(fā)展的探測(cè)器。

今后，隨著高Tc超導(dǎo)器件的發(fā)展，它們將在以下領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

（1）光譜儀：高Tc超導(dǎo)器件用于傅立葉光譜儀的中、遠(yuǎn)紅外區(qū)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(cè)溫儀及輻射計(jì)。

（3）熱象儀：高Tc超導(dǎo)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(zhǎng)波地物輻射波譜檢測(cè)。

（5）遠(yuǎn)紅外激光器的接收。

（6）托克馬克等離子體電子溫度的測(cè)量。

（7）射電天文亞毫米波接收機(jī)、天文探測(cè)光譜儀，特別是在天文衛(wèi)星對(duì)外層空間的探測(cè)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。