超导探测器技术与发展

2006-05-07 15:50:14来源: 国外电子元器件

目前,高Tc超导红外探测器的研究已成为超导电子学中的重要内容之一,这是因为高Tc超导探测器的研制水平已进入实用阶段,并且成为光电探测技术发展的一个新方向.与传统的半导体探测器相比高Tc超导探测器在大于20μm的长波探测中将成为优良的接收器,这一点填补了电磁波谱中远红外至毫米波段的空白。此外,它还具有高集成、低功率高成品率、低价格的优点。预计这一技术将在天文探险测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域得到广泛应用。

1 超导探险测机理

用超导体检测红外辐射早在50年代就已开始,但由于20K以下低温的工作条件限制而一直停滞不前高Tc超导材料的问世使这一技术得到了新生。其探测机理有如下几种:

1.1 电阻与温度关系机制

这种原理的利用超导体从正常态转变到超导态时,电阻随温度变化而急剧改变的特性来检测红外辐射的一程机理。现有的高Tc bolometer就是依据这个原理研制而成的。

1.2 电感与温度关系机制

该机制是根据超导膜在Tc探测率下,其动态电感随温度变化而急剧改变来实现的。这种探测器在Tc下工作,可消除bolometer热噪声,并可非常精确地测定动电感Lk引起的频率变化,具有制作简单、灵敏度高的特点。

1.3 磁化率与温度关系机制

当红外辐射照射在超导敏感元件上并引起温度上升时,其磁化率将迅速变化,就种现象就像“磁场快门”。利用这种现象可通过磁机制的改变或交流磁化率的变化来实现对入射辐射检测,现已根据这一机理试制出NEP~10-11W·HZ-1/2探测器。这种探测器在低温下工作和室温下读取信号的设计非常有利。

1. 4 光助隧道效应

1962年,Josepson在理论上预言:若两个超导体之间隔有一层很薄的绝缘介质(约几纳米),那么弱电流(μA到mA)便可无阻地穿过。不久这一预言被贝尔实验室的实验所证实,这种现象称为约瑟夫逊效应。

1. 5 非平衡光电效应

Testardi认为:借助于光子破坏超导库柏电子对可产生准粒子,准粒子的存在将使超导能隙被压缩,并破坏超导电性。因而可利用这种现象实现对红外辐射的检测。

如今,研究人员已在Sn、Pb及其氧化物、BaPb-BiO和YBCO等材料中观察到这种现象。其响应时间优于10-4秒。

1. 6 光磁量子效应

这一效应是从超导相位滑移物理概念发展起来的,1990年由A.M.Kakin等人形成光磁量子探测红外辐射的新型机理。当条状导体宽度小于超导相干长度时,在临界电流Ic的作用下,其超导电性的破坏要经过局部相位滑移,并形成中心涡旋。就是说,超导能隙Δ局部压缩为零,超导相应重复地滑移。对于二维超导体来说,这个滑移过程连接成圈而形成涡旋—反涡旋对,在两个涡旋中由于产生的横向洛伦兹力使彼此排斥而分开。同时产生净磁通为φ0的电压脉冲。如今,用NbN和BaPbBiO膜已在实验上证实了这种光助涡旋量子探测辐射的微观机制,并分别得到Rv为6000V/W和104V/W的结果,其τ值优于纳秒。

1. 7 能斯脱效应

当入射光照射到高TC膜上时,膜内将产生垂直于表面的湿度梯度,在外加磁场下,沿膜表面可测出红外辐射的存在。它是运用磁通线的消钉扎和温度梯度驱动磁通线的机制来实现检测的。其响应速度较快,通常为10-6秒级。

1. 8 电流与湿度关系机制

1993年,M.I.Fiik等人设想出一种新型辐射失探测器,称为本征超导辐射探测器(ISRD)。它是利用超导薄膜的临界电流Ic与T的关系制成的,MIT获W·Hz1/2,D=2.7×109cm·H-1·W-1,该探测器具有达到声子噪音有线的潜力。

1. 9 热电子型

这是由Beukeley大学提出的深低温探测器,.可以大到1.15×1015cm·W-1的高性能。

2 超导红外探测器的性能特点

根据上述9种探测机理设计制造了各种样式的高Tc超导红外探测器,其中交成熟的是根据R~T关系制造的bolometer型器件。其次是Josephson结型器件。表1列出了现阶段几种高水平探测器的主要性能。

从表1可以看出,单元超导探测器性能已达到实用水平。它们大多是用YiBa2Cu3O7材料制造的,主要是因为该材料制膜工艺成熟,Tc可达到90K,因此,探测器的热学设计比较容易实现。

表1 高Tc超导器的要性能

超导材料 类 型 NEP W.Hz -1/2 D cm.Hz -1/2.W -4 研究结构
YBCO bolometer 7.0×10 -14 2.0×10 10 昆明物理研究所
YBCO bolometer 1.1×10 -13 1.8×10 10 上海技物所
GBCO bolometer 3.8×10 -12 1.7×10 10 西北大学北京物理所
YBCO bolometer 7.8×10 -12 8.3×10 9 华中理工大学
YBCO bolometer 1.6×10 -11 6.0×10 9 NASA
YBCO bolometer 5.0×10 -12 1.4×10 10 Berkeley
YBCO ISRD 2.6×10 -12 2.7×10 9 MIT
YBCO bolometer 4.5×10 -12 ~5.0×10 9 美国加州大学西北大学
YBCO Josephson 1.9×10 -13 ~5.3×10 9 北京物理所

由于实际应用的需要,目前多元列阵(FPA)研究极为活跃,现已有1×8元、1×12元、1×64元线阵,3×4元、8×8元面阵的报道,特别值得注意的是进行高Tc红外FPA的研究机构己有十多家,如Honrywell、TRW、西屋、超导公司、NASA/Goddard空间中心、海军研究实验室(NRL)和加州大学等。图1是上海技术物理所试制的4*4元面阵的结构示意图,对于这种电阻型bolometer,每个敏感元有两根信号读出线,面阵器件的制造和工艺实现是一个难点,从图1可以看出,利用面阵中各个敏感元有两根信号读出线,面阵器件的制造和工艺实现是一个难点。从图1可以看出,利用面阵中各个敏感元公用电极编程的巧妙设计,并采用集成微加工技术对YBCO薄膜进行光刻试制出的4*4元面阵的D值在(1.2-7.2)×104cm·Hz1/2·W-1之间,工作温度为88K。与延迟线时钟脉冲读取信号方法相比,它具有两维同时读出信号的优点。利用这一独特的设计方法还可试制4N系列的焦平面器件(如4×8元、4×128元等)发,并可引入制造光导型HgCdTe、热敏电阻等传统红外探测器面阵的研制之中。

图2是引用同步辐射源光刻出0.8μm线条的高Tc 超导探测器敏感元的图形。利用该敏感元不仅可以提高接收入射辐射的能量,而且可为制造高密度的多元阵打下一个技术基础。

光子型的Josephson型高Tc探测器目前主要有SIS结、SNS结、晶粒边界结和Josephson微桥四种,但这四种结构工艺复杂,成结不稳定,而实验上用TdBaCaCuO制成的Josephson结的D值可达1010 cm·Hz1/2·W-1,响应时间τ为10-9秒。这类快速高性能的探测器特别适用

于远红外及毫米波区。

目前,半导体红外焦平面列阵面临着两个问题:一是制造工艺;二是功耗。从制造工艺上看,半导体IRFPA包括探测器的组合件、前置放大器和二维的信号读出线路。用这样的混成结构在单一基片上制造出电学特性均匀的大面积列阵是相当困难的,而且很难要求结构小于100μm2,因此,对于FPA为100×100以上元数的器件就必须是镶嵌的组合件。通常,超志电路尺寸仅为微米,而半导体电路则要几十微米,因而在一定面积上,超导线路可以完成更为复杂的信息处理。关于功耗,美国战略防御局(SDIO)有个指标,即所设计系统的每个象元功耗要求在10μW之内。按照这个要求,对于象元数目巨大的半导体FPA系统,其功率总消耗量也是相当大,如一个1000×1000元面阵则要有10W的功耗,这对航空或航天整机系统将带来很多技术困难。

正在开发的超导FPA技术能够有效地克服半导体FPA的上述困难。并为研制高密度低功耗FPA展现了良好的前景。归纳起来有如下优点:

●低功耗

超导电路可认为是无功耗的,但实际上功耗是存在。通常它比相同作用的半导体电路的功耗低两个数量级。超导FPA的研究内容,除敏感元之外还包括前放(可选SQUD)、A/D转换和信息处理等电路。总的来看,超导电路的功耗要比半导体电路低1~2个数量级。

●超导线路尺寸极小

从亚微米和纳米结构研究报道看,微米级的器件加上微米级的线路将比半导体FPA具有更高的密度,因而可完成更为复杂的信息处理工作。

●便于研制大面积均匀列阵

由于超导均匀膜已具有φ76mm的尺寸,因此利用现有的光刻技术完全可以制造大面积均匀敏感元。而且坏器件极少,甚至没有。

●成品率高、价格低

这是由超导制膜和光刻工艺可靠所决定的。用高Te超导体淀积在Si微结构上的薄膜制成的bolomerer器件的成品率很高,且其成本比HgCdTe低5~6个量级。

超导FPA技术的主要问题是:超导器件与线路都是低阻抗的,因此信息读出的匹配问题必须解决。D.L,Smetana等人提出用高Tc超导阻抗变换器去耦合低阻抗的探测器,并与C-MOS处理多路传输线路进行衔接的方案,这实际上是一种Z-平面FPA读出结构。另外,在超过FPA中使用超导A/D转换器也已取得进展,西屋公司的超导IR-FPA课题组已将超导A/D转换用于红外成象系统中。

3 研究领域与发展趋势

作为超导电子学的一个重要应用方面,高Tc超导红外探测器的研究相当活跃,主要表现在开拓新材料、提高现有探测器性能和推广应用等方面。现归纳为以下7个内容:

(1)新的高Tc材料器件

迄今制成的高Tc超导器件大多是YBCO材料,但这并不是最佳选择,它的费米能级上的电子密度远不如BakBiO、BaPbBiO等材料,日本NTT公司用这两种材料制成优于10 -6秒的快速器件。加州大学用ErBCO制成X光到微波响应的高性能器件,其NEP值为10 -12W.Hz -1/2。

最近,通过对Hg-1223进行合成以及对Hg退火工艺的研究,获得了Tc=139K的结果,而且,目前测试分析与确认工艺等工作仍在进行,寻求室温超导体是一个极富吸引力的目标。

(2)超导体/半导体混成器件

与现有的半导体技术结合的工作,主要表现在YBCO与Si集成的组合结构,Vir-ginia大学在Si衬底上制成YZS岛并过渡成了YBCC-Si微桥。美标准局(NIST)利用Au或Ag使YBCO与Si互连而实现了Si-氧化物-半导体常规工艺试制出的超半混成器件,从而为与CMOS读出电路的连接提供了技术基础。

(3)快速器件

高Tc探测器的响应速度τc探测器的响应速率τ为毫秒级。因此,研制块速器件成为一个追求目标。波音公司制造的微桥配以焦耳-汤姆逊制冷可使其τ值达到10μs。俄罗斯莫斯科师范大学制出了0.15μm的亚微米桥,其τ值为1~2ps(10 -12s),响应波长为0.8毫米波,NEP=3×10 -11W.Hz -1/2。

(4)长波器件

所谓长波,是指20μm至mm波谱区。由于光谱研究、天文观测和远红激光接收等应用需要,高Tc超导器件无疑是最佳选择。丹麦哥本哈根大学制出的器件的波长为90~600μm,NEP为4×10 11W.Hz -12。

(5)新型探测机理器件

1994年N.Blujer等提出的量子超导探测器是基于超导态下通过量子共振来实现检测入射辐射的。而A.D.Hibbs等提出的基于共光磁量子效应的感应耦合红外凝视器件,其象元可达10×10μm2。

(6)引进新的技术手段提高器件性能

很多成熟的科学方法都可拿来利用,如利用同步辐射光源和电子束直刻来获得亚微米和纳米级敏感元、天线与敏感元耦合以及Si膜片工艺等。

4 应用前景

目前,尽管热敏型器件尚有若干技术难点,但已无重大的难以逾越的障碍。预计2010年前将有较成熟的单元和线阵进入实际应用阶段,并可部分商品化。而光子型器件也将会有技术突破并试用,可以预见:到时光子器件和红外探测器是两大类并行发展的探测器。

今后,随着高Tc超导器件的发展,它们将在以下领域得到广泛应用:

(1)光谱仪:高Tc超导器件用于傅立叶光谱仪的中、远红外区要比热电堆、热释电器件优越,特别是快速扫描型的傅立叶光谱仪。

(2)快速低温测温仪及辐射计。

(3)热象仪:高Tc超导器件用于大于20μm至亚毫米波段的成象无疑是最佳器件。

(4)地物波谱仪:也就是长波地物辐射波谱检测。

(5)远红外激光器的接收。

(6)托克马克等离子体电子温度的测量。

(7)射电天文亚毫米波接收机、天文探测光谱仪,特别是在天文卫星对外层空间的探测等方面。

(8)军事上的多种装备:如主动式亚毫米波形扫描器红外前视器等。

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