La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Développement de Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) pour le comptage de photons en astronomie Thèse de lInstitut National Polytechnique.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Développement de Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) pour le comptage de photons en astronomie Thèse de lInstitut National Polytechnique."— Transcription de la présentation:

1 Développement de Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) pour le comptage de photons en astronomie Thèse de lInstitut National Polytechnique de Grenoble présentée le 20 décembre 2000 à Grenoble par Corentin Jorel Thèse préparée au Laboratoire dAstrOphysique de Grenoble Sous la direction de Philippe Feautrier et au Laboratoire de CryoPhysique du DRFMC/SPSMS/CEA-Grenoble Sous lencadrement de Jean-Claude Villégier

2 2 Contexte scientifique Collaboration : UJF LAOG Collaboration : UJF LAOG CEA-G DRFMC CNRS CRTBT Objectif : obtenir des détecteurs à comptage de photons pour le visible et linfrarouge proche. Objectif : obtenir des détecteurs à comptage de photons pour le visible et linfrarouge proche. Applications : Applications : AstronomieAstronomie TélécommunicationsTélécommunications InstrumentationInstrumentation

3 3 Introduction Intérêt des JSET : Intérêt des JSET : Détection tridimensionnelle ((x,y), t, ) des X à lIRDétection tridimensionnelle ((x,y), t, ) des X à lIR Sensibilité optimale et bonne dynamiqueSensibilité optimale et bonne dynamique Efficacité quantique (~ 70 %)Efficacité quantique (~ 70 %) Taux de comptage (~ 10 kHz)Taux de comptage (~ 10 kHz) Inconvénients: Inconvénients: Fonctionnement à très basse température (~0,1 K)Fonctionnement à très basse température (~0,1 K) Difficultés des grands formatsDifficultés des grands formats

4 4 Contexte de la photodétection T (°K) Efficacité quantique Faux événements Taux de comptage (E/ E) Diode à aval. (Takeuchi 1999) 7 K 700nm 700nm s s -1 ?sans CCD 0,5 MPixels -40 °C 700nm 1/pixel/s 14 Hz/image 5 MHz /pixel sans HEB (Korneev 2004) 4 K 800 nm 1.55 m s s -1 2 GHz sans 12*10 JSET (Martin 2004) 0,2 K nm ~ 0 10 kHz 10 TES (Miller 2003) 0,1 K nm s kHz 10

5 5 Etat des lieux Thèse de B. Delaët : Thèse de B. Delaët : Procédé de fabrication jonctions Nb de qualitéProcédé de fabrication jonctions Nb de qualité comptage de photons à 0,78 m comptage de photons à 0,78 m Objectif double : Objectif double : Nouveau matériau : TaNouveau matériau : Ta Avec un nouveau procédé plus performantAvec un nouveau procédé plus performant

6 6 Plan de lexposé Introduction I-Principes physiques des photodétecteurs JSET II-Lépitaxie de labsorbeur Ta III-Fabrication et caractérisation des JSET IV-Photodétection Conclusion

7 I- Principes physiques des photodétecteurs JSET

8 8 Principe de base Absorbeur Ta (~meV) S ubstrat Saphir i, V - i, V + Éclairage en face arrière h Barrière Tunnel e ~ 1nm Électrode Supraconductrice (~eV) h (~eV) Ta (~meV) 2 Couches de piégeage en Al Les 3 enjeux : Absorbeur Ta de qualité Barrière fine et sans défaut Barrière fine et sans défaut Électrode Supraconductrice

9 9 Schéma de principe de labsorption lumineuse Énergie Barrière tunnel eV p Ta Al AlTa Al 2 O 3 Al Absorbeur Ta Paire de Cooper Quasiparticule Phonon Passage tunnel hSubstrat saphir saphir N 0 h /

10 10 Processus damplification N 0 = h / 1,7 g (M. Kurakado, 1982) N 0 = h / 1,7 g (M. Kurakado, 1982) Nombre de charges comptées : N = N 0 Nombre de charges comptées : N = N 0 lié à 2 temps caractéristiques : = QP / t lié à 2 temps caractéristiques : = QP / t QP la durée de vie des QP QP la durée de vie des QP t le temps tunnel: t le temps tunnel: eV pol Processus de multiplication de Korte (1992) Sens du courant

11 11 Résolution et choix des supraconducteurs Valeurs valables à T<0,1 T C Avec F = 0,2 (Kurakado, 82) et G = 1 + 1/ (Goldie, 94)

12 12 Caractéristique I-V et point de fonctionnement V = 2 Courant normal RNRN T = 200 mK VpVp ICIC Théorique idéale sans pièges Expérimentale avec pièges aluminium I f +dI I V VPVP IfIf Courbe avec flux de photons Réprésentation schématique sous le gap Suppression du courant Josephson avec B Minimisation du courant de fuite sous le gap T < 0,1T C pour la contribution thermique Barrière sans défauts Compromis sur V p pour régler le rapport dI/I

13 13 Effet de proximité Al (60nm) Absorbeur Ta Potentiel dappariement Ta = 0,66 meV Ta = 0,66 meV jonction jonction Al = 0,17 meV Al = 0,17 meV Représentation schématique, daprès Brammertz 2003

14 14 Effet de proximité Densité détat normalisée Energie (meV) Dans le Ta Dans l Al Energie en unité de Ta j Ta Ta Courbes de densité détat, daprès Brammertz, 2003

15 II- Epitaxie de labsorbeur Ta

16 16 Pourquoi et comment La qualité cristalline est un paramètre critique : influence directe sur la durée de vie des quasiparticules QP La qualité cristalline est un paramètre critique : influence directe sur la durée de vie des quasiparticules QP 2 types de caractérisations : 2 types de caractérisations : Diffraction par rayons XDiffraction par rayons X Mesure du RRR = ( 300K – 10K )/ 10KMesure du RRR = ( 300K – 10K )/ 10K

17 17 Epitaxie du Nb Diffraction - 2 de deux films de Nb Conditions de dépôt Nb (600 nm) à froid polycristallin Nb (600nm) à 600°C épitaxié Hauteur des grains à ~50 nm Hauteur des grains à ~50 nm Dispersion de lorientation des plans [200] de 0,2 ° Dispersion de lorientation des plans [200] de 0,2 °

18 18 Epitaxie du Ta Diffraction - 2 de films Ta Conditions de dépôt Ta (800 nm )/ Nb (10nm) à froid polycristallin polycristallin Ta(650 nm)/Nb(20nm) à 650°C épitaxié épitaxié Hauteur des grains à ~90 nm Hauteur des grains à ~90 nm Dispersion de lorientation des plans [200] de 0,27 ° Dispersion de lorientation des plans [200] de 0,27 ° (degré) (degré)

19 19 RRR et l 10K Film de Ta/Nb (A1088) Évaluation du libre parcours moyen avec le RRR : Et l = 3, cm 2 pour Nb (Gurvitch, 86) 2, cm 2 pour Ta (v.d. Berg, 99)

20 20 Bilan Optimisation du dépôt de Ta par : Optimisation du dépôt de Ta par : Chauffage du substrat à 600 °CChauffage du substrat à 600 °C Utilisation dune sous couche de NbUtilisation dune sous couche de Nb Obtention de couches épitaxiées dans la direction [100] avec des libres parcours moyens de lordre de 100 nm

21 III- Fabrication et caractérisation des jonctions

22 22 Réalisation de la multicouche Ta/Al-AlO x -Al/Ta Température du substrat 25 o C 600 o C Temps Chauffage /dégazage dépôt Al dépôt Ta dépôt Al oxydation SAS Décapage RF ~24 h Dépôt Ta 150 à 180 nm de Ta sur 10 à 20 nm de Nb 80 nm d Al ~8 h mbar dO 2 ~1/2 h 80 nm d Al 120 nm de Ta sur 3 nm de Nb

23 23 Procédé de fabrication (1) Junction (few 10 m m) 1ère étape : Gravure de la multicouche et définition de la jonction Al 80 nm AlO x 1.2 nmAl 80 nm Contre-électrode Ta 120 nm Substrat Saphir Vue en coupe Vue de dessus Absorbeur Ta 150 nm 25, 30, 40 ou 50 m

24 24 Procédé de fabrication (2) Junction (few 10 m m) Absorbeur Gravure dune bandelette de Ta/Al-AlOx-Al 2ème étape : Préparation du contact à labsorbeur

25 25 Procédé de fabrication (3) Junction (few 10 m m) Substrat Saphir ~ 400 nm SiO 2 ~ 450 nm SiO 2 Lift-off des trous de contacts 3ème étape : Pulvérisation de la couche de passivation SiO 2 et lift-off des trous de contact 40 m

26 26 Procédé de fabrication (4) Junction (few 10 m m) Substrat Saphir SiO 2 Nb Nb 4ème étape: Dépôt du Nb et gravure des lignes de courant ~ 500 nm

27 27 Dispositifs obtenus ~ 200 mono-détecteurs ~ 20 matrices de 9 pixels ~ 30 multi-jonctions à absorbeur commun plaquette 3 pouces en fin de procédé 1 cm

28 28 Dispositifs obtenus (2) 40 m 200 m 30 m Nb Nb Optique MEB

29 29 Dispositifs obtenus (3) Mosaïque de 3*3 pixels 40 m

30 30 Caractérisation électrique dune mosaïque : transparence de la barrière Caractéristiques I-V des jonctions (30*30 m 2 ) dune mosaïque 3*3 pixels R N autour de 30 cm 2 T<300 mK Zone de V p

31 31 Caractérisation électrique dune mosaïque : courant de fuite … sous le gap (courants et tensions faibles) T<250 mK R D de 0,2 à 0,45 cm 2 Zones de polarisation

32 32 Point critique : le flanc des jonctions Ta sup Ta abs Al/AlOx/Al Motif technologique vu au MEB 1 m 300 nm Trace de linterface Al/Al Nb

33 33 SiO 2 Empilement Saphir Flancs des jonctions Empilement Ta/Al-AlOx-Al/Ta dune jonction après une gravure au FIB

34 34 Flancs des jonctions Agrandissement jonction

35 IV- Photodétection Comptage de photons à 0,78 m

36 36 Dispositif expérimental Schéma du banc de mesures Amplificateur de charge + étage de polarisation PC Photodiode Cryostat Générateur dimpulsions JSET Support en cuivre Fibre optique Amplification Bobines de champ magnétique 10 mm Support en cuivre

37 37 Réponse du détecteur à un paquet de photons 2 courbes de réponse issues de la même acquisition Jonction 40 *40 mm 2 R N =37 cm 2 Paramètres : T= 130 mK B = 30 Gauss Vp = 80 V I fuite = 2,4 nA

38 38 Ajustement des impulsions Hauteur des pics proportionnelle à lénergie absorbée Utilisation de la moyenne des impulsions M(t) comme gabarit Ajustement de chaque impulsion i sous la forme : i *M(t)+ i 2 courbes de réponse et moyenne des impulsions 130 mK

39 39 Courbes de réponse et ajustement

40 40 Courbes de réponse et leur ajustement N i = i * N moyen N i = i * N moyen Evaluation de QP comme le temps de montée : 18 ± 1 s Evaluation de QP comme le temps de montée : 18 ± 1 s Extraction du nombre de charges N i

41 41 Jonction 40 *40 mm 2 R N =37 cm 2 Paramètres : T= 130 mK B = 30 Gauss Vp = 80 V I fuite = 2,4 nA Histogramme du nombre de charges détectées par impulsion lumineuse Histogramme de détection

42 42 Histogramme de détection N(1 photon) = 2800 e - pour N 0 = 2000 QP Soit exp = 1,4 Sensibilité 1800 e - /eV Et QP = 18 ± 1 s t ~ 1 s soit th ~ 18 Histogramme du nombre de charges détectées par impulsion lumineuse

43 43 … à V p = 0,1 mV Même configuration sauf : V p : V If : 2,4 4 nA

44 44 Comparaison à létat de lart

45 Conclusion

46 46 Principaux résultats Conception et développement dun procédé de fabrication de jonctions:Conception et développement dun procédé de fabrication de jonctions: Film de Ta épitaxiés de RRR = 45 Film de Ta épitaxiés de RRR = 45 Excellente fiabilité (<5% de jonctions défectueuses) Excellente fiabilité (<5% de jonctions défectueuses) Homogénéité et robustesse des dispositifs Homogénéité et robustesse des dispositifs Caractérisation électrique des dispositifsCaractérisation électrique des dispositifs Courant de fuite dans le cadre de létat de lart Courant de fuite dans le cadre de létat de lart Transparence des jonctions en cours damélioration Transparence des jonctions en cours damélioration Détection de paquets de 5 à 8 photons avec E > E comptage de photons à 0,78 mDétection de paquets de 5 à 8 photons avec E > E comptage de photons à 0,78 m

47 47 Perspectives Fiabilisation du procédé de fabrication sous conditions doxydation réduite Fiabilisation du procédé de fabrication sous conditions doxydation réduite Possibilité daborder les jonctions tout Al Possibilité daborder les jonctions tout Al Comptage de photons jusquà 2 m Comptage de photons jusquà 2 m Application aux longueurs dondes télécoms Application aux longueurs dondes télécoms Spectro-imagerie pour lastronomie avec les matrices de détecteurs (visible et proche IR) Spectro-imagerie pour lastronomie avec les matrices de détecteurs (visible et proche IR)

48 48

49 49

50 50 Potentiel dappariement Al Al Ta Ta jonction jonction Ta Al Unités de Ta nm Evolution du potentiel dappariement dans la bicouche Al/Ta (daprès Brammertz, 2003) Potentiel dappariement

51 51 Comparaison avec le précédent procédé

52 52 Courant de paires et évaluation de d Effet Josephson continu Effet Josephson alternatif Dépendance en B suppression du courant Josephson avec Courbe de dépendance du courant au champ magnétique. Les points expémimentaux sont ajuster par un sinc Courant de paires de cooper : d 100 nm

53 53 Marche defiske et évaluation de t Marche de Fiske: t=1,2nm

54 54 Paramètres doxydation de la barrière et comparaison internationale :

55 55 Réponse du détecteur à un paquet de photons 2 Courbes de réponse du détecteur consécutive à labsorption des 2 paquets de photons pendant la même acquisition Hauteur des pics N0 E Hauteur des pics N0 E

56 56


Télécharger ppt "Développement de Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) pour le comptage de photons en astronomie Thèse de lInstitut National Polytechnique."

Présentations similaires


Annonces Google