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的研究內(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�,超導(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
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)有探測器性能和推廣應(yīng)用等方面。現(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探測器的響應(yīng)速度τc探測器的響應(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)波長為0.8毫米波,NEP=3×10 -11W.Hz -1/2。
（4）長波器件
所謂長波,是指20μm至mm波譜區(qū)。由于光譜研究、天文觀測和遠(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)制出的器件的波長為90～600μm,NEP為4×10 11W.Hz -12。
（5）新型探測機(jī)理器件
1994年N.Blujer等提出的量子超導(dǎo)探測器是基于超導(dǎo)態(tài)下通過量子共振來實(shí)現(xiàn)檢測入射輻射的。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器是兩大類并行發(fā)展的探測器。
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：也就是長波地物輻射波譜檢測。
（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量。
（7）射電天文亞毫米波接收機(jī)、天文探測光譜儀,特別是在天文衛(wèi)星對(duì)外層空間的探測等方面。
（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。
