PDF《高Tc 超导探测器的进展与应用前景 3》

12 ~510 *

109 美国加利福尼亚大学 从表

1 可看出 ,单元超导探测器性能已达 到实用水平. 多是用 YiBa2Cu3O7 材料制造的 , 主要原因是该材料制膜工艺成熟 , Tc~90 K ,探 测器的热学设计容易实现. 由于实际应用 ,多元列阵与焦平面列阵 (FPA) 研究极为活跃 ,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 红外焦平面列阵 ( IR - FPA) 的研究机构竟有

10 多家 ,如美国 Honeywell、 TRW、 西屋、 超导公司 ,NASA/ God2 图14*4元面阵结构 dard 空间中心、 美国海军研究实验室 (NRL) 和 加利福尼亚大学等. 图1是上海技术物理研究 所试制的

4 *4 元面阵 , 对于这种电阻型的 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成为一个难点. 从图

1 可看出 ,利用面阵中各个敏感元公用电极编组 的巧妙设计 ,引用集成微加工技术 ,对YBCO 薄膜光刻 ,试制出了

4 *

4 元面阵. 它的 D

3 值为(112 ― 712) *108 cm・ Hz1/

2 ・ W -

1 ,工作温度 为88 K. 与延迟线时钟脉冲读取信号方法比较 , 它具有两维同时读出信号的特点. 这一独特的 设计方法 ,还可以试制

4 N 系列的焦平面器件 (如4*8元、

4 *

128 元等) ,并可引用制造光导 型HgCdTe、 热敏电阻等传统红外探测器面阵. 图2示出的是引用同步辐射源光刻出

018 μm 线条的高 Tc 超导探测器敏感元照片. 它不仅提高了接收入射辐射的能量 ,而且为制 造高密度的多元列阵打下了技术基础. 图2亚微米结构敏感元 对于光子型 Josephson 型高 Tc 探测器 ,目 前还不成熟 ,但研究工作相当广泛 ,主要有 SIS 结、 SNS 结、 晶粒边界结和Josephson 微桥

4 种,但工艺复杂 , 成结不 稳定. 实验上用TdBa2 CaCuO 制成的Josephson 结,D3~1010 cm ・ Hz1/

2 ・ W -

1 ,响应时间τ=

10 -

9 s. 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 IR - FPA 面临着两个难题 : 一是制造工艺 ;

二是功耗. 从制造工艺上看 ,半 导体 IR - FPA 包括探测器的组合件、 前置放大 器和二维的信号读出线路. 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 ・

2 6

2 ・ 物理 是相当困难的 ,很难要求结构低于

100 μm2 ,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 ,超导电路尺寸仅为几微 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 , 即所设计的系统 ,每个象元功耗在

10 μW 之内. 按照这个要求 ,对于象元数目巨大的半导体 IR - FPA 系统 ,其功率总消耗量也是相当大的 , 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带来很多技术困 难. 如今 ,正在开发的超导 IR - FPA 技术却能 够有效地克服半导体 IR - FPA 的上述困难. 为 研制高密度低功耗 IR - FPA 展现了良好的前 景. 归纳起来有如下

4 个优点 : (1) 低功耗. 超导电路可以认为是无功耗 的 ,但实际上功耗是存在的. 通常它比相同作用 的半导体电路功耗低两个数量级 ,如现已采用 的超导量子干涉放大器 (SQU ID) ,其噪声级低

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2 . 超导 IR - FPA 的研究内容 ,除敏感元之 外还包括前放(可选 SQU ID) 、 A/ D 转换和信息 处理电路. 总的来看 ,功耗低