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半导体读出电路与超导体太赫兹检测器的
集成化
许钦印，日比康词，陈健，康琳，吴培亨
(南京大学电子科学与工程学院，南京 210093)
摘要：在制作基于二维超导检测阵列的太赫兹成像系统时，为了降低系统噪声，提高灵敏度、
运行速度和工作稳定性，设计了一种集成低噪声低温半导体读出电路的高灵敏度超导太赫兹
检测系统。基于 Nb/Al/AlOX/Al/Nb 超导隧道结制备了超导太赫兹直接检测器，使用半导体
砷化镓结型场效应晶体管制备低温读出电路，并将超导体元器件和半导体元器件集成在同一
块芯片上，避免了传统工艺中常用的连接导线或者焊盘。将集成芯片设计成直径为 12 mm
的圆形芯片，与耦合太赫兹波信号的硅超半球透镜的尺寸一致，并将检测器天线制备在集成
芯片中心处，解决了太赫兹波的耦合等问题。
关键词：超导电子；半导体读出电路；超导体太赫兹检测器
中图分类号：TN4 文献标识码：A
Integration of semiconductor readout circuits and
superconductor THz detectors
Xu Qinyin, Hibi Yasunori, Chen Jian, Kang Lin, Wu Peiheng
(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China)
Abstract: In order to reduce system noise and improve system sensitivity, stability and speed of large
format 2-dimensional (2D) arrays for terahertz (THz) detectors, high sensitivity superconductor THz
detectors integrated with low noise cryogenic semiconductor readout circuits were designed. The
superconductor THz direct detectors were fabricated by Nb/Al/AlOX/Al/Nb tunnel junctions and the
readout circuits were fabricated by n-type GaAs JFETs. Thereby, the superconductor and
semiconductor devices were integrated in the same chip so that thin film wires can replace the cables or
bonding wires in the traditional process. To get better coupling, this integrated chip was deigned to be a
circular shape with a diameter of 12 mm, so that the antenna of the detector can set in the center of the
Si hyper-hemispherical lens.
Key words: superconductor electronics, semiconductor readout circuit, superconductor THz detector
宇宙中一半的辐射能量在太赫兹波段，自宇宙大爆炸以来，辐射出的光子 98%在该波
段范围，很多星际介质的特征谱线也在该波段范围，如 H2O、NH3、O2、CH+等，获取这些
信息可以研究恒星和星云演化，以及生命形成等[1]。天文学家希望能够比较使用太赫兹波和
其他频率电磁波对宇宙辐射的观测结果在数据质量、观测深度、角坐标分辨率以及视野等方
面所表现出来的差异，所以需要开发用于天文观测的太赫兹二维检测阵列成像(以下简称太
赫兹成像)系统[2]。此外，高灵敏度太赫兹成像在高速大容量通信、雷达、电子对抗、电磁
武器、生物学、医学成像、无损检测和安全检查等领域都有其巨大的应用潜力。太赫兹波技
术和应用仍在不断的开发研究中，其广阔的科学前景为世界所公认。
迄今为止，研究者在实现太赫兹成像方面已经作出了众多努力，不仅有传统光电导体和半
导体辐射热计，还包括高灵敏度的超导体检测器。超导太赫兹直接检测器就是其中一种，它
一般是基于铌(Nb)超导隧道结 STJ(Superconductor Tunnel Junction)即Nb/Al/AlOX/Al/Nb[3,7]制
基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CBA00107)；国家自然科学基金(11173015)；高等学
校博士学科点专项科研基金(20090091110039)；江苏省电磁波先进调控重点实验室项目
作者简介：许钦印(1981- )，男，博士研究生，主要研究方向：超导太赫兹直接检测器
通信联系人：陈健，教授，主要研究方向：太赫兹成像，
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备出来的。超导太赫兹直接检测器通过光子辅助隧穿过程实现对太赫兹波信号的检测[4]。相
比传统的辐射热计，它更易于制备成太赫兹二维检测阵列，且具有较大的动态范围和极短的
响应时间[5]。
在太赫兹成像系统中，读出电路的设计至关重要。传统的读出电路都是由基于半导体硅的
元器件组成，必须在室温下工作，而超导太赫兹直接检测器必须工作在低温下，二者需要导
线连接，噪声很难控制。此外，要使用传统设计实现多通道读出电路系统也十分困难。
在高灵敏度超导太赫兹成像系统研究方面，以往的探索集中在使用更优化的电路设计与
检测器制备工艺，以提高系统的检测效率和分辨率，但较少考虑从检测器到读出电路之间的
连接因热交换及外界影响等引起的额外噪声和不稳定性会导致成像效果变差。本文探讨以一
种半导体读出电路与超导体太赫兹检测器的集成化来解决上述问题。
1高灵敏度超导太赫兹直接检测器设计
首先，根据超导 BCS理论[6]有：
2 B ch k Tν ∆= = (1)
式中，h、kB和∆分别为普朗克常数、波尔兹曼常数和 Nb的超导能隙，将 Nb的超导临界温
度 Tc= K代入式中，可得出 Nb对应的能隙频率�g = 720 GHz，即温度在绝对零度时，
Nb STJ超导太赫兹直接检测器能工作的理想频率上限为 720 GHz。因此本文设计的超导太
赫兹直接检测器的检测频率选定在 650 GHz这一大气窗口。
其次，STJ 的电容(C)较大，高频太赫兹信号会被短路，可用一根连接 STJ 的超导微带
线(电感 L)形成 LC谐振电路，其带宽和 STJ的临界电流密度(Jc)成正比；但 Jc越大，器件的
漏电流越大，噪声也随之变大。为了得到宽的频带响应同时又有小的 Jc，可采用分布结阵列，
即在微带线上放置数个 STJ结，其中 STJ的结面积为 4 µm2，正常态电阻 RN= 55 Ω，温度在
K时 Jc= 103 A/cm2。采用 12个 STJ，在天线的两侧组成 2组 6结阵列，可实现中心频率
为 650 GHz时带宽超过 10%，噪声等效功率 NEP(Noise Equivalent Power)16 W/Hz1/2的高灵敏
度超导太赫兹直接检测器。不同放大倍数光学显微镜下观测到的超导太赫兹直接检测器的图
样如图 1所示。
图 1 不同放大倍数光学显微镜下观测到的超导太赫兹直接检测器的图样
Fig. 1 Optical microphotos of the superconducting THz direct detector
一般情况下，可使用 NEP来度量一个检测器的灵敏度，超导太赫兹直接检测器的 NEP
可以表示为：
02eNEP (2)S
IN
S Sη η= =
400 µm 500 µm
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式中，η、S、e和 I0分别为检测器的量子效率、电流响应率、电子电量和在电压偏置下 STJ
的漏电流。式(2)表明，在固定频率下，由较低的 I0和较高的η可以得到更低的 NEP。通常，
对漏电流 I0 的贡献可分为两方面，一个是理论上的准粒子的热激发电流 th e Bk TI T
∆−∝ ，其
随温度 T指数下降，在 K下其贡献很小；另一个是 STJ的工艺缺陷(如势垒层的导通针
孔或者边缘泄露等不完善)引起的漏电流[7]。关于量子效率η的讨论及改进将在后文中介绍。
从另一个角度讲，超导太赫兹直接检测器系统的 NEP 由背景的热辐射和检测器自身产
生的噪声两部分组成，即：
2 2 2
Background DetectorNEP NEP NEP (3)= +
背景的热辐射就是量子声子(Phonon1)噪声，检测器自身产生的噪声包括电阻的热(Johnson)
噪声、检测器自身声子(Phonon2)噪声，以及由前置放大器(Amplifier)决定的读出电路产生的
噪声和一些额外(Excess)因素引入的噪声[8]，即：
1
2
2 2
Phonon
2 2 2 2
Johnson Phonon Amplifier Excess
NEP NEP
(NEP NEP NEP NEP ) (4)
= +
+ + +
因此，在使用超导太赫兹直接检测器进行高灵敏度检测时，一般会使其在尽量低的温度
下工作，因为温度越低，STJ 的漏电流越小，检测器的 NEP 就越低，检测器的灵敏度也就
越高。由式(4)可知，确定了测试温度和使用的检测器之后，背景热辐射噪声、电阻的热噪
声和检测器自身声子噪声已经确定，要想降低系统噪声，就必须降低放大器和其他额外因素
引入的噪声，而这两项的大小在很大程度上都受检测器读出电路的影响，因此对读出电路的
改进就成为了降低系统噪声的关键。
2低噪声低温半导体读出电路设计
如上所述，为了尽量降低系统热噪声，高灵敏度检测器都需要工作在低温 K以下，
有时甚至在极低温 K 以下。如果作为读出电路的半导体场效应晶体管 FET(Field Effect
Transistor)可以在检测器的工作温度下使用，不仅可以降低作为读出电路主体的前置放大器
本身的噪声，而且还可以降低连接器件的导线等引起的额外噪声，从而降低系统的噪声。另
外，检测器通常还具有较高的阻抗，因此对高阻抗读出电路的研究也十分必要。
可以在低温下使用的半导体 FET 有不少种类，如金属氧化物半导体场效应晶体管
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) 、 金 属 半 导 体 场 效 应 晶 体 管
MESFET(Metal-Semiconductor FET)以及结型场效应晶体管 JFET(Junction FET)等 [9]。
MESFET有较大的漏电流(约 10−13 A)不适合作为读出电路。而在低温条件下，n型MOSFET
中可观测到过多的异常噪声，对制备读出电路非常不利。
化合物半导体砷化镓(GaAs)具有极小的电子有效质量使 GaAs JFET 非常适合于低温应
用；GaAs JFET 还具有高栅阻抗和低漏电流；相比 MOSFET，其栅电容也更小，可在电荷
集成放大器中产生极大的信噪比。GaAs JFET的这些特性都是将其应用于低温读出电路时的
强大优点。
n型 GaAs JFET在温度 K下(甚至低至 K时)都具有良好的性能，不会出现任何类
似翘曲效应的非线性现象[2,11]。低温下与高阻抗配置时，使用热固化技术，GaAs JFET在功
耗低至 1 µW栅漏电流只有 3 电子/s的情况下，也可以得到约 V/Hz 1/2@1 Hz的噪声等
级[10]。其极低的输入电流噪声、良好的导通电阻(小于 1 MΩ)、很高的断开电阻(大于 1 TΩ)、
很小的栅电容(小于 100 fF)、很低的噪声电压(1 µVrms/Hz1/2@1 Hz)和极小的栅漏电流(小于
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10−18 A)使其在连接至高阻抗检测器时也不会出现多余的噪声。这些结果意味着，由 GaAs
JFET组成的放大器很适合于 STJ太赫兹直接检测器这样的高阻抗检测器。
另外，GaAs的载流子迁移率是 Si的 5倍以上，决定了基于 GaAs JFET设计的低温读出
电路具有超低功耗的性能。用于 32 通道读出电路的多个放大器的功耗总和约为 3 µW[11]，
因此不需担心因电路工作产生的热效应。为此，本文选择使用 n型 GaAs JFET来制备超导
太赫兹直接检测器系统的读出电路。
超导太赫兹直接检测器的偏置和读出电路简图如图 2 所示。该电路是一个负反馈电路
[12]，有恒压与恒流两种工作模式。图中，虚线框处的 RSTJ 代表高灵敏度超导太赫兹直接检
测器；RL为偏置电阻；RS为场效应管的偏置电阻；VR为电位器所分的电压，其可决定施加
于检测器上偏置的大小。
图 2 超导太赫兹直接检测器的偏置和读出电路简图
Fig. 2 Sketch design of the bias and readout circuits for the superconducting direct detector
将 RSTJ的两端接到 JFET的两个输入端，放大倍数为 A= gmRS/(1+gmRS)，其中 gm为跨导，
因为 gmRS>>1，所以 A≈1。U3，U4两个集成运算放大器作为跟随器，然后通过集成运算放大
器 U5放大 10倍，可得到检测器两端的电压输出 VOUT。电阻 RL和 RSTJ上的电压经过集成运
算放大器 U7放大 1倍，由于 RSTJ<<RL，该电压近似为 RL两端的电压，所得的该电压值除以
RL 的电阻值即等于电流输出值 IOUT。测量太赫兹响应信号时，一般使用恒压源模式，即把
器件两端的电压固定为一个恒定的值，然后测量有无太赫兹波幅照时流过器件的电流变化。
3集成化设计
现有超导太赫兹直接检测器与读出电路的传统连接方式都存在一些弊端。
首先，是最常用的连接线方式，如图 3所示。图中，超导太赫兹直接检测器与其读出电
路被分隔在低温杜瓦(一种特殊的低温恒温器)的内外两侧，超导体芯片和半导体芯片上均设
置有连接器，通过导线连接两个芯片。这种连接方式需要长导线，而过多导线会引入额外噪
声，并降低电路的整体运行速度。此外，进行多通道采集数据时，数量倍增的导线连接于低
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温杜瓦内外所产生的热传导会使处于低温下的超导太赫兹直接检测器无法正常工作。
超导体芯片 半导体芯片 数据线 低温与室温分界面
图 3 半导体读出电路芯片与超导体检测器芯片采用连接线方式连接
Fig. 3 Connecting readout circuit and detector by cables
其次，是焊接缝合技术，如图 4所示。图中，超导体芯片和半导体芯片被固定在同一个
面板上，利用两块芯片上的焊盘进行焊接缝合实现连通。这种连接方式要求每块芯片上都必
须设计大量的焊盘，而通常每一个焊盘都有约 500 pF的浮动电容，该电容经常会影响对太
赫兹波的精密检测。另外，要使用可以在低温下工作的半导体芯片搭建读出电路，通常要将
所需要的芯片组成模块，因此必然要使用导线或者软性印刷电路板 FPCB(Flexible Printed
Circuit Board)进行连接，无法避免连接导线对系统的影响。
图 4 半导体读出电路芯片与超导体检测器芯片采用焊接缝合技术方式连接
Fig. 4 Connecting readout circuit and detector by bonding wires
因此，本文对半导体读出电路和超导太赫兹直接检测器进行集成化，以求彻底解决上述
问题。首先基于 GaAs JFET 半导体工艺制备出包括放大器、多工器等在内的读出电路，然
后在该基片上预留的空间处制备超导太赫兹直接检测器，并通过微加工技术制备金属薄膜引
线使半导体电路和超导体检测器实现连通，最终形成包括低噪声低温半导体读出电路和高灵
敏度超导太赫兹直接检测器系统的集成芯片，如图 5所示。避免了上述传统工艺中使用的连
接导线或者焊盘，使系统达到更高的检测灵敏度、运行速度和工作稳定性。
图 5 新型低温半导体读出电路芯片与超导体检测器集成在同一块芯片上
The readout circuit and detector were integrated in the same chip
另外，根据式(2)中所述的量子效率η即太赫兹波和检测器之间的耦合效率，可对该集成
电路芯片(以下简称芯片)做进一步的改进。检测时，使用准光学系统对太赫兹波耦合。将芯
片用低温胶固定在直径为 12 mm的高阻硅超半球透镜平面的中心位置，太赫兹波能量通过
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透镜和平面天线汇聚耦合至检测器上。如果光束对不准天线，耦合效率就会降低，耦合偏差
通常分为横向偏差和角向偏差[13]。这两个方向的偏差越小，则耦合效率越高。
在实际操作中，很难将检测器放置于透镜平面的正中心，经常出现检测器偏离光束中心
导致耦合效率差，甚至检测不到太赫兹波的问题。所以，本文将芯片设计成圆形芯片，尺寸
与硅超半球透镜平面大小一致，并将超导太赫兹直接检测器的天线制备于芯片中心处。只要
将该圆形芯片放置于透镜平面并对齐边缘，就可很方便而准确地使超导太赫兹直接检测器的
天线位于透镜平面的中心处，彻底消除上述的横向偏差，保证了太赫兹波的有效耦合。
4结论
基于 Nb/Al/AlOX/Al/Nb制备超导太赫兹直接检测器，采用 n型 GaAs JFET半导体工艺
制备低温读出电路，本文提出了一种将超导体元器件和半导体元器件集成到同一块芯片上的
工艺。在该集成芯片上可包含高灵敏度超导太赫兹直接检测和低噪声多通道低温半导体读出
电路的功能，减少大量的连接导线和焊盘，使系统达到最高检测灵敏度、运行速度和工作稳
定性。
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