基于氮化铌超导隧道结的太赫兹探测技术研究

The terahertz (THz) band is particularly suitable for observations of astronomy objects such as CMB, early distant objects and dusty objects, and therefore holds an unique place in astronomy observations. Superconducting THz detectors can realize the highest sensitivity to date and are playing a more and more important role in cosmology and astrophysics. The THz non-coherent detector (direct detection) based on superconducting tunnel junctions (STJs) has the advantage of planar fabrication process in comparison with traditional semiconductor detectors, which is easy for realizing multi-element detector array. On the other hand, the STJ detector is superior to other superconducting detectors in operation temperature, response time and dynamic range. Niobium nitride (NbN) STJ detectors can work at higher frequency and temperature because of higher gap energy and higher critical temperature of NbN than those of niobium. This project will focus on the studies of noise mechanism, fabrication process, wide band response technique and transportation and coupling of THz signals, which will set a solid base for its applications under extreme conditions such as Antarctic and space. Moreover, the developed technologies can also be expanded to THz detections in such fields as homeland security and biomedical medicine.

太赫兹(THz)波段特别适合观测宇宙背景辐射、早期遥远天体、冷暗天体和被尘埃遮掩天体，在天文观测研究中占有不可替代的位置。超导THz探测器能够实现迄今为止最高的灵敏度，在宇宙学和天体物理观测上正扮演越来越重要的角色。其中，基于超导隧道结的THz非相干探测器（直接检波）与传统半导体探测器相比具有平面制备工艺的优势，从而易集成多像元阵，而与其它超导探测器相比具有工作温度高、响应速度快、动态范围大等优点。氮化铌(NbN)超导体具有较高能隙和临界转变温度（与常用超导材料铌相比），因此基于NbN隧道结的探测器能工作在更高的频率，同时可以在更高的温度展示高灵敏度，是目前发展的一个重要方向。本项目拟针对NbN隧道结的噪声机制、制备工艺、宽带响应技术以及THz信号输运与耦合特性进行系统研究，为其在极端环境应用（如南极和空间）打下基础。此外，该项目研究成果还可推广应用于国家安全、深空探测等领域的THz探测。

太赫兹（THz） 频段定义为频率在 0.1-10THz，波长在 3-0.03mm的电磁波段，介于微波和可见光频段之间。由于 THz波所处的独特的电磁波谱位置使其具有很多优越的特性，如：非电离特性，较好的空间分辨率，适中的穿透性，占据宇宙空间中近一半的光子能量等，因此，太赫兹波段在天文观测、医药生物、国防安全、环境监测等领域具有不可替代的位置。THz超导探测器能够实现迄今为止最高的灵敏度，在THz技术应用中正扮演越来越重要的角色。其中，基于超导隧道结的 THz 非相干探测器（直接检波）与传统探测器相比具有平面制备工艺、响应速度快、动态范围大等优点。氮化铌(NbN)超导体具有较高能隙和临界转变温度（与常用超导材料铌相比），因此基于 NbN 隧道结的探测器能工作在更高的频率，同时可以在更高的温度展示高灵敏度，是目前发展的一个重要方向。基于以上背景，本项目在国内外首次开展了基于NbN隧道结的太赫兹直接检波特性研究，包括直流特性和噪声起源，频谱响应特性和宽带响应技术，高质量NbN隧道结的制备，太赫兹波输运与耦合电路的设计与优化，直接检波特性表征的实验设计和实际测量等内容。通过以上研究，我们发现NbN隧道结的噪声谱密度值高于传统理论的散粒噪声值，并与偏置电压Vb和能隙电压Vg相关。采用并联双结的电路结构实现了相对带宽大于10%的频响特性。经过实验表征，获知NbN隧道结探测器的响应时间小于1ms，5K时的动态范围大于32dB；同时，在5K~11K的温度范围内实现了灵敏度优于4×10-13W/√Hz的探测性能。该项研究为NbN隧道结探测器在极端环境（如：南极和空间）的应用打下基础。此外，项目研究中的理论、实验设计和结果还可推广应用于其他探测器的研制与实验表征。