超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）具有極高的探測(cè)靈敏度，在可見(jiàn)光/近紅外波段具有光子數(shù)分辨能力，在X射線等高能波段能量分辨率極高。與前述的半導(dǎo)體探測(cè)器（硅基CCD、InSb、HgCdTe等）比較，超導(dǎo)TES探測(cè)器的探測(cè)效率更高，響應(yīng)速度更快，暗計(jì)數(shù)更低，能量分辨率更高，在可見(jiàn)光/近紅外時(shí)域天文觀測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《光子學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“高性能超導(dǎo)相變邊緣單光子探測(cè)器（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為李佩展，通訊作者為張文研究員和史生才院士，張文主要從事太赫茲超導(dǎo)熱電子混頻器（HEB）技術(shù)、太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）技術(shù)、超導(dǎo)相變邊緣單光子探測(cè)器技術(shù)、超導(dǎo)TES探測(cè)器陣列多路復(fù)用讀出技術(shù)的研究工作。
(資料圖片)
本文詳細(xì)研究了鈦膜的特性調(diào)控機(jī)制，拓展了二流體模型獲得了超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)一步優(yōu)化了光學(xué)腔體的設(shè)計(jì)和器件制備工藝，并改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，從而成功研制出了高性能超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器，系統(tǒng)探測(cè)效率超過(guò)90%，最低能量分辨率僅為0.26 eV，滿足時(shí)域天文觀測(cè)和量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的工作原理
如圖1（a）所示，超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器是一種熱探測(cè)器，由吸收體（熱容C）、弱熱連接（熱導(dǎo)G）和熱沉（溫度Tb）組成。當(dāng)吸收能量為Eγ的入射光子后，超導(dǎo)TES探測(cè)器的電子溫度（T）升高。超導(dǎo)TES探測(cè)器恒壓偏置在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變區(qū)，電子溫度的變化引起超導(dǎo)TES電阻R（T，I）的變化，進(jìn)而流經(jīng)TES的電流（I）發(fā)生改變。經(jīng)超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）電流放大器放大后，由室溫電子學(xué)讀出，可獲得入射光子的能量。
圖1 超導(dǎo)TES探測(cè)器的原理圖和照片
可見(jiàn)光/近紅外波段的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，吸收體和溫度計(jì)為同一層超導(dǎo)薄膜，通過(guò)電子-聲子之間的弱相互作用實(shí)現(xiàn)弱熱連接的同時(shí)可以降低熱容從而提高?EFWHM。為此，一般選擇低臨界溫度（TC<1K）的超導(dǎo)材料，如單層鎢、單層鈦或者鈦金雙層膜等，直接在介質(zhì)基板上制備一層超導(dǎo)薄膜，通過(guò)剝離或者刻蝕工藝形成小面積的有效區(qū)域，最后利用更高臨界溫度的超導(dǎo)材料（如鋁或者鈮）形成電極。
超導(dǎo)鈦膜的特性調(diào)控
采用電子束蒸發(fā)在單晶硅基板上制備超導(dǎo)鈦膜，測(cè)量其應(yīng)力、面電阻（RS）及TC。所有樣品都表現(xiàn)出壓應(yīng)力，并且隨著沉積速率的增加壓應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)沉積速率高于1 nm/s時(shí)，壓應(yīng)力基本上保持不變。RS隨著沉積速率增加而降低，當(dāng)沉積速率超過(guò)0.1 nm/s后RS基本保持不變。因此，研制超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器時(shí)沉積速率選擇為1~1.5 nm/s。超導(dǎo)鈦膜的TC和RS具有很強(qiáng)的厚度（d）相關(guān)性。隨著厚度的增加TC升高，RS降低。但是這兩個(gè)參數(shù)還受其他因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定的離散性。如圖2所示，擬合曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果完全吻合，dTC隨著RS的增加而減小。據(jù)此可以預(yù)計(jì)鈦膜的臨界溫度有助于改進(jìn)鈦膜TC的控制精度并提高制備工藝的一致性和重復(fù)性。
圖2 制備的超導(dǎo)鈦膜dTC隨RS的變化曲線
針對(duì)制備好的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器，為了精確調(diào)控其TC從而實(shí)現(xiàn)高能量分辨率，本文提出了一種烘烤后處理工藝：將樣品置于常規(guī)烤箱中，在設(shè)定的溫度下烘烤。通過(guò)高溫烘烤，鈦膜表面會(huì)氧化從而降低有效厚度，致使TC降低。進(jìn)一步定量研究了烘烤對(duì)Ti膜和TiAu雙層膜TC的調(diào)控作用：1）固定烘烤溫度（Tbaking），2）固定烘烤時(shí)間（tbaking）。如圖3所示，Ti膜和TiAu雙層膜的TC隨著烘烤溫度和烘烤時(shí)間的增加而逐漸降低。
透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)烘烤后TiOx層的厚度略大于烘烤前，而且能量色散X射線譜表明烘烤后的氧峰寬度略大于烘烤前，表明鈦膜表面由于烘烤而氧化。氧化層并不超導(dǎo)，其厚度為2~5 nm，對(duì)吸收的影響可以忽略不計(jì)。此外，Ti膜和TiAu雙層膜的常溫電阻基本保持不變，但是TC隨著時(shí)間自然老化而降低，其變化規(guī)律與隨烘烤時(shí)間降低類似。該研究提供了一種靈活方便的方法實(shí)現(xiàn)光子數(shù)可分辨的高效率超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器。
圖3 Ti膜和TiAu雙層膜臨界溫度隨烘烤時(shí)間和烘烤溫度的變化曲線
超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的傳熱機(jī)制及建模
制備了超小有效面積（1 μm×1 μm）的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器，表征其電/熱特性。實(shí)測(cè)G和估計(jì)的τeff表明除了聲子擴(kuò)散制冷機(jī)制之外，電子擴(kuò)散制冷機(jī)制也具有很大的貢獻(xiàn)。超小面積的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器具有高靈敏度、快速和低熱容的特點(diǎn)，適合于天文觀測(cè)中的功率探測(cè)和要求光子數(shù)分辨能力的量子信息等領(lǐng)域。
將相滑移系數(shù)近似為連續(xù)變化的參數(shù)從而拓展二流體模型，成功提取了超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的α和β（如圖4（a）所示），計(jì)算的電流-電壓曲線和脈沖響應(yīng)曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果完全吻合，證明了拓展二流體模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，表征了不同尺寸的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的主要參數(shù)，并分析了其主要參數(shù)的變化規(guī)律?？紤]了其他噪聲對(duì)能量分辨率的貢獻(xiàn)，引入噪聲因子（M），理論計(jì)算了超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的?EFWHM，獲得了?EFWHM與器件尺寸和TC的相關(guān)性。如圖4（b）所示，表明器件尺寸為20 μm×20 μm，TC低于170 mK可以同時(shí)獲得高探測(cè)效率和高?EFWHM，為后續(xù)優(yōu)化器件指明了方向。
圖4 超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的溫度和電流靈敏度系數(shù)及能量分辨率
1550 nm波段高性能超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器
制備了基于鈦膜的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器，表征了其電阻轉(zhuǎn)變特性和電流-電壓特性。實(shí)測(cè)的G與有效面積成正比。
為了獲得超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的高吸收效率從而實(shí)現(xiàn)高探測(cè)效率，在超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器研制中需要集成光學(xué)腔體。光學(xué)腔體由介質(zhì)反射鏡、超導(dǎo)薄膜和防反射層組成。各層薄膜尤其是鈦膜折射率的精確值對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)腔體尤為重要。我們采用光學(xué)橢偏儀研究了超導(dǎo)鈦膜的折射率及其在整個(gè)基板上的分布均勻性。發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)鈦膜在光學(xué)波段的折射率與文獻(xiàn)一致，但在近紅外波段折射率隨著波長(zhǎng)依然緩慢增加。此外，在硅基板上制備的超導(dǎo)鈦膜一致性較好，但是表面形成約3 nm厚的氧化層。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1550 nm波段的光學(xué)腔體。如圖5（a）所示，介質(zhì)反射鏡和防反射層分別由8個(gè)周期和2個(gè)周期的SiO?和Ta?O?交替堆疊組成。介質(zhì)反射鏡每層的厚度為1/4波長(zhǎng)，而防反射層每層的厚度通過(guò)優(yōu)化確定，保證在1550 nm波長(zhǎng)的高效吸收。測(cè)量結(jié)果表明集成光學(xué)腔體后吸收效率達(dá)（ηabsorption）到95%。隨后研制了集成1550 nm光學(xué)腔體的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器。鍍防反射層后，G降低為60 pW/K，實(shí)測(cè)的τeff為5.9 μs，系統(tǒng)能量探測(cè)效率達(dá)到40%。
圖5 1550 nm波段超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的光學(xué)腔體和響應(yīng)高度直方圖
進(jìn)一步優(yōu)化并制備了1550 nm光學(xué)腔體，精確控制各層薄膜的厚度，ηabsorption超過(guò)95%。同時(shí)將鈦膜的厚度降低到22 nm，器件尺寸為20 μm×20 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單模光纖的光斑，保證耦合效率接近100%。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的測(cè)試系統(tǒng)，增加了光纖屏蔽，并在低溫下將光纖繞成直徑為35 mm的圓圈（圈數(shù)為10），形成長(zhǎng)波濾波器，阻止紅外光輻射。選擇小尺寸器件（5 μm×5 μm），提高超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的電流響應(yīng)率，ΔEFWHM僅為0.26 eV，系統(tǒng)探測(cè)效率為36%，暗計(jì)數(shù)為4±2 cps，同樣可分辨至少12個(gè)1550 nm光子，從而實(shí)現(xiàn)了低暗計(jì)數(shù)的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器。
可見(jiàn)光波段超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器
在超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器制備過(guò)程中集成了850 nm光學(xué)腔體，鈦膜厚度為53 nm，成功研制了可見(jiàn)光波段的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器。器件TC為400 mK，正常態(tài)電阻（Rn）為13 Ω。通過(guò)紅外顯微鏡和精密二維移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)SM800單模光纖（模場(chǎng)直徑為5.6 μm）與超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的精確對(duì)準(zhǔn)。采用脈沖激光器作為光源，通過(guò)光衰減器將每個(gè)脈沖中的光子數(shù)衰減到小于一個(gè)光子，利用數(shù)字示波器記錄響應(yīng)波形。在300 mK環(huán)境溫度，器件偏置在0.74Rn，對(duì)應(yīng)單光子、雙光子和三光子的情況分別記錄了響應(yīng)波形。如圖6（a）所示，響應(yīng)高度隨著光子數(shù)的增加而升高，表明超導(dǎo)TES探測(cè)器具有光子數(shù)分辨能力。隨后利用數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)高度，對(duì)響應(yīng)高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到響應(yīng)高度分布直方圖。結(jié)果表明器件工作在300 mK，ΔEFWHM為0.75 eV，ηsys為13%，至少可以分辨10個(gè)850 nm光子。研制的850 nm波段超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器提供給中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，應(yīng)用于具有光子數(shù)分辨能力的單光子輻射基準(zhǔn)測(cè)量裝置（如圖6（b）所示），服務(wù)于光子精密測(cè)量與光輻射計(jì)量基準(zhǔn)技術(shù)研究。
圖6 超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的多光子響應(yīng)及單光子輻射基準(zhǔn)測(cè)量裝置
結(jié)論
高靈敏度超導(dǎo)探測(cè)器是天文研究的重要探測(cè)器之一。在可見(jiàn)光/近紅外波段，超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器在探測(cè)效率、能量分辨率、可分辨光子數(shù)、暗計(jì)數(shù)等方面具有明顯的優(yōu)越性，在研究微弱天體信號(hào)源和快速時(shí)變?cè)捶矫婵梢宰畲笙薅鹊孬@取光子信息。我們?cè)敿?xì)研究了鈦膜的特性和臨界溫度調(diào)控機(jī)理，拓展了二流體模型提取了超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)，理論計(jì)算了臨界溫度與能量分辨率的依存性。在此基礎(chǔ)上，集成光學(xué)腔體并研制了基于鈦膜的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器，系統(tǒng)探測(cè)效率大于90%，可分辨至少10個(gè)1550 nm光子。研制的超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間為微秒量級(jí)，可滿足高時(shí)間分辨天文觀測(cè)的需求。未來(lái)將研制超導(dǎo)TES單光子探測(cè)器陣列滿足天文觀測(cè)成像需求，同時(shí)為量子信息、生物成像、光子精密測(cè)量等領(lǐng)域提供高靈敏度的探測(cè)手段。
這項(xiàng)研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0304003、2020YFC2201703）、國(guó)家自然科學(xué)基金（U1831202、U1731119、U1931123、11773083、11873099）、中科院項(xiàng)目（XPB2303、QYZDJ-SSWSLH043、GJJSTD20180003）和江蘇省333工程（BRA2020411）的資助和支持。
DOI: 10.3788/gzxb20235205.0552201
