[科普中国]-超导红外探测器

简介

1911年荷兰物理学家海克·卡末林·昂纳斯在液氦温度下研究几种纯金属的电阻与温度的关系时惊奇的发现，当温度下降到约-268.85℃(即4.3K)时，汞的电阻从0.125Ω突然下降到零，金属的这种奇异现象就称为超导。具有超导电性质的物体称为超导体。利用超导电现象研制的探测器叫超导探测器。用超导探测器检测红外辐射，早在50年代就开始了，但由于20K以下深低温的工作条件而一直停滞不前。高Tc(>77)超导材料的问世，使这一技术领域得以新生，尤其是1986年以后，国内外竟相开展了高Tc超导技术研究.十几年来，在“超导热”中，高温超导红外探测器已显示出良好的应用前景，并且随着超导膜制备技术的日臻成熟，加上集成的微结构工艺可以直接引用，使高Tc超导探测技术研制水平进人实用阶段1。

分类与探测机理与半导体探测器一样，高温超导红外探测器可分为热敏型和光子型两大类，以下着重谈谈这两类探测器的探测机理。目前国内外高温超导红外探测器应用研究，主要精力是放在热敏型(Bolometer)上，且热敏型探测器的研制已逐渐成熟，并进入实用阶段。其工作原理为:Bolometer即测辐射热计，是一种测量红外辐射的热敏电阻，是一种阻值随所接收红外辐射量变化的红外探测器，它是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变化的特性来检测红外辐射的，如图所示。从图中可见，在超导转变边缘，微小的温度变化，将产生急剧的电阻变化，且转变区越陡越好，曲线越陡，超导器件的灵敏度将越高.P.LRichards等人对于超导转变温度Tc=90K，超导零电阻温度Tc0=80K的高温超导Bolometer的性能进行了估算，其噪声等效功率NEP为(1~20)x10^-15WHz^1/2。并且由于Bolometer的热效应，高温超导Bolometer的光谱响应是很宽的，它提供较平坦的响应直到亚毫米甚至毫米波段，且响应仅与吸收的辐射功率有关，而与波长无关。

光子型红外探测器，按工作原理可分为3种:光辅助隧道效应、非平衡光电效应和光磁量子效应。3种当中以光辅助隧道效应为基础的Josephson结探测器进展较快，现简述其工作原理.光辅助隧道效应即Josephson效应的工作原理是:把具有超导体(s)一绝缘体(I)一超导体(S)结构叫做Josephson结.当对这种隧道结加恒定电场时，结区产生高频电流，并辐射或吸引电磁波，其频率v与电压有如下关系:v=e(V)/h该公式说明光子能量hv可引起超导隧道结的I一V特性发生变化.根据这个原理可以制成性能优良的红外探测器.但目前高温超导Josephson结探测器研究由于机理较为复杂，特性较难控制，仍处于实验室中的探索研究阶段。

优势常规的半导体红外探测器工作波段受波长范围的限制，应用范围即受到局限.而超导红外探测器就不存在这一缺点，它具有非常宽的响应波段范围，不仅可以探测从紫外、可见光、红外到远红外的电磁辐射，还可探测X射线、亚毫米波、毫米波、微波，基本上覆盖了整个电磁波谱;在远红外和毫米波谱区内，高Tc超导探测器是性能最好的器件(LN2)，目前在8~14um性能最好的红外探测器是啼锅汞(HgCdTe)，但若波长大于20um，它的灵敏度将大大下降，而超导探测器的性能仍保持不变。

具有较好的全天候工作能力.

列阵器件适合红外热像系统.尤其是使亚毫米波段减像的研究成为可能.亚毫米波段成像的显著特点是:能弥补由于大气中雨雾的作用而受到影响的红外系统的缺陷，同时它在空间分辨率上优于毫米波探测系统。长期从事红外技术研究的、美国Honeywell传感器与系统发展中心的.PW.Kurse认为，高Tc超导探测器是红外与亚毫米波波段的最佳器件(65~90K)，这种探测器犹如架在红外与毫米波之间的一座桥梁，填补了目前亚毫米波段无探测器的空白.

功耗低、噪声尔，便于研制大面积均匀列阵和焦平面.

成品率高、成本低，据SpIE(Vol.2020)报道，1993年美国Honeywell传感器与系统发展中心宣布:淀积在iS微观结构上的高温超导Bolometer的成本比HgCdTe的要低几个数量级。

超导集成电路的研制成功将使得未来的星载红外成像系统能够探测更冷的物体，而且能使这些成像系统的造价更低。

性能特点低功耗。超导电路可认为是无功耗的，但实际上功耗是存在的。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Υ 76mm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Tc超导体淀积在Si微结构上的薄膜制成的bolometer器件的成品率很高，且其成本比HgCdTe低5～ 6个量级2。

应用领域高温超导红外探测器是红外至毫米波段的优良接收器，它可用于诸多领域:

军事上，作红外(尤其是远红外)和亚毫米波行扫描仪、远红外激光器的接收器件，红外前视系统、热像仪(用于大于20召In至亚毫米波段的成像)的接收器件，以及用于精密制导、火控、红外侦查、光电对抗等武器系统.

民用上，用于低温测温仪、光谱仪、天文探测，特别是天文卫星对外层空间的探测、长波地物辐射波谱检测、托克马克离子体电子温度测量等。