高性能超導(dǎo)相變邊緣單光子探測器助力天文觀測

超導(dǎo)相變邊緣探測器（TES）具有極高的探測靈敏度，在可見光/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)體探測器（硅基CCD、InSb、HgCdTe等）比較，超導(dǎo)TES探測器的探測效率更高，響應(yīng)速度更快，暗計數(shù)更低，能量分辨率更高，在可見光/近紅外時域天文觀測中具有獨特的優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院紫金山天文臺和中國科學(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)隊在《光子學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“高性能超導(dǎo)相變邊緣單光子探測器（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)相變邊緣探測器（TES）技術(shù)、超導(dǎo)相變邊緣單光子探測器技術(shù)、超導(dǎo)TES探測器陣列多路復(fù)用讀出技術(shù)的研究工作。

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)計和器件制備工藝，并改進(jìn)測量系統(tǒng)，從而成功研制出了高性能超導(dǎo)TES單光子探測器，系統(tǒng)探測效率超過90%，最低能量分辨率僅為0.26 eV，滿足時域天文觀測和量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

超導(dǎo)TES單光子探測器的工作原理

如圖1（a）所示，超導(dǎo)相變邊緣探測器是一種熱探測器，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探測器的電子溫度（T）升高。超導(dǎo)TES探測器恒壓偏置在超導(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探測器的原理圖和照片

可見光/近紅外波段的超導(dǎo)TES單光子探測器結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，吸收體和溫度計為同一層超導(dǎo)薄膜，通過電子-聲子之間的弱相互作用實現(xiàn)弱熱連接的同時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，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單光子探測器時沉積速率選擇為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，擬合曲線與實測結(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

針對制備好的超導(dǎo)TES單光子探測器，為了精確調(diào)控其TC從而實現(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。通過高溫烘烤，鈦膜表面會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，對吸收的影響可以忽略不計。此外，Ti膜和TiAu雙層膜的常溫電阻基本保持不變，但是TC隨著時間自然老化而降低，其變化規(guī)律與隨烘烤時間降低類似。該研究提供了一種靈活方便的方法實現(xiàn)光子數(shù)可分辨的高效率超導(dǎo)TES單光子探測器。

圖3 Ti膜和TiAu雙層膜臨界溫度隨烘烤時間和烘烤溫度的變化曲線

超導(dǎo)TES單光子探測器的傳熱機(jī)制及建模

制備了超小有效面積（1 μm×1 μm）的超導(dǎo)TES單光子探測器，表征其電/熱特性。實測G和估計的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單光子探測器具有高靈敏度、快速和低熱容的特點，適合于天文觀測中的功率探測和要求光子數(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單光子探測器的α和β（如圖4（a）所示），計算的電流-電壓曲線和脈沖響應(yīng)曲線與實測結(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單光子探測器的主要參數(shù)，并分析了其主要參數(shù)的變化規(guī)律。考慮了其他噪聲對能量分辨率的貢獻(xiàn)，引入噪聲因子（M），理論計算了超導(dǎo)TES單光子探測器的?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可以同時獲得高探測效率和高?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單光子探測器

制備了基于鈦膜的超導(dǎo)TES單光子探測器，表征了其電阻轉(zhuǎn)變特性和電流-電壓特性。實測的G與有效面積成正比。

為了獲得超導(dǎo)TES單光子探測器的高吸收效率從而實現(xiàn)高探測效率，在超導(dǎo)TES單光子探測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于設(shè)計光學(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個周期和2個周期的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，而防反射層每層的厚度通過優(yōu)化確定，保證在1550 nm波長的高效吸收。測量結(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單光子探測器。鍍防反射層后，G降低為60 pW/K，實測的τeff為5.9 μs，系統(tǒng)能量探測效率達(dá)到40%。

圖5 1550 nm波段超導(dǎo)TES單光子探測器的光學(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95%。同時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單光子探測器的測試系統(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單光子探測器的電流響應(yīng)率，ΔEFWHM僅為0.26 eV，系統(tǒng)探測效率為36%，暗計數(shù)為4±2 cps，同樣可分辨至少12個1550 nm光子，從而實現(xiàn)了低暗計數(shù)的超導(dǎo)TES單光子探測器。

可見光波段超導(dǎo)TES單光子探測器

在超導(dǎo)TES單光子探測器制備過程中集成了850 nm光學(xué)腔體，鈦膜厚度為53 nm，成功研制了可見光波段的超導(dǎo)TES單光子探測器。器件TC為400 mK，正常態(tài)電阻（Rn）為13 Ω。通過紅外顯微鏡和精密二維移動平臺實現(xiàn)SM800單模光纖（模場直徑為5.6 μm）與超導(dǎo)TES單光子探測器的精確對準(zhǔn)。采用脈沖激光器作為光源，通過光衰減器將每個脈沖中的光子數(shù)衰減到小于一個光子，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)采集卡采集信號高度，對響應(yīng)高度進(jìn)行統(tǒng)計分析得到響應(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850 nm光子。研制的850 nm波段超導(dǎo)TES單光子探測器提供給中國計量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計量科學(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)測量裝置（如圖6（b）所示），服務(wù)于光子精密測量與光輻射計量基準(zhǔn)技術(shù)研究。

圖6 超導(dǎo)TES單光子探測器的多光子響應(yīng)及單光子輻射基準(zhǔn)測量裝置

結(jié)論

高靈敏度超導(dǎo)探測器是天文研究的重要探測器之一。在可見光/近紅外波段，超導(dǎo)TES單光子探測器在探測效率、能量分辨率、可分辨光子數(shù)、暗計數(shù)等方面具有明顯的優(yōu)越性，在研究微弱天體信號源和快速時變源方面可以最大限度地獲取光子信息。我們詳細(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單光子探測器的關(guān)鍵參數(shù)，理論計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單光子探測器，系統(tǒng)探測效率大于90%，可分辨至少10個1550 nm光子。研制的超導(dǎo)TES單光子探測器響應(yīng)時間為微秒量級，可滿足高時間分辨天文觀測的需求。未來將研制超導(dǎo)TES單光子探測器陣列滿足天文觀測成像需求，同時為量子信息、生物成像、光子精密測量等領(lǐng)域提供高靈敏度的探測手段。

這項研究獲得國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0304003、2020YFC2201703）、國家自然科學(xué)基金（U1831202、U1731119、U1931123、11773083、11873099）、中科院項目（XPB2303、QYZDJ-SSWSLH043、GJJSTD20180003）和江蘇省333工程（BRA2020411）的資助和支持。

審核編輯：劉清