1 PARIS -22 septembre 2005 Développement Concerté de Matrices de Bolomètres Philippe Camus Pour la collaboration DCMB

2 PARIS -22 septembre 2005 Objectifs contexte scientifique évolution des technologies Organisation Moyens mis en place Objectifs de la R&T Cnes 2005

3 PARIS -22 septembre 2005 LaboTaches CSNSMCouches thermométriques (semicon, supra) IEFArchitecture bolométrique, Réalisation SQUIDs LPSCAntennes, MPI LISIF/LERMA/APCAntennes, traitement GHz-THz, ampli SiGe CRTBT/LAOGMultiplexage haute impédance, cryogénie, MPI LPNRéalisation HEMTs IASTests supra APCTests échantillons supra, réalisation SQUIDs (avec IEF), multiplexage SQUIDs CESREtude CEB Site internet :

4 PARIS -22 septembre 2005 COBE (1989) T=(2.728±0.004)K ∆T/T≈10 -5 à 7° Singularité: Big-Bang Univers transparent Surface de dernière diffusion Univers opaque (diffusion Thomson) WMAP (2002)

5 PARIS -22 septembre 2005 Détecteur thermique –Système macroscopique –Mesure de l’échauffement résultant de l’absorption du rayonnement –Thermomètre = élément résistif Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm

6 PARIS -22 septembre 2005 Exemple de réalisation de bolomètres individuels Bolomètre « Spiderweb » (Caltech- JPL) –Absorbeur en toile d’araignée (Si 3 N 4 ) e~1µm, l~5µm, maille~100µm Métalisation Au –Thermomètre Ge NTD Polarisation Sensitive Bolometer (PSB) –2 bolomètres dans 1 module –Métallisation dans une direction ~2 L1 thermistor Dual Analyzer (PSBs) L2 thermistor Détecteurs Planck-HFI

7 PARIS -22 septembre 2005 Performances des bolomètres composites 1) Données Sider Web, 8 poutres de Si3N4 1mmX4  mX1  m 2) Leivo (APL, 72 (11), 1998) : 4 poutres Si3N4 100  mX25  mX200nm 3) Leivo (id) : membrane pleine de 0.4mmX0.4mmX200nm 4) Membrane CSNSM (NIMA 444 (2000) ) : Si3N4 5mmX5mmX100nm 5) LETI [30] : 4 poutres Si 0.7mmX5.9  mX5  m 6) LETI [30] : 4 poutres texturées Si 0.7mmX4.7  mX5  m 5mm LETI Olimpo Spider Web

8 PARIS -22 septembre 2005 Mesures des modes B Expériences possibles: Erreurs de mesure des modes B: Requiert –Beaucoup de détecteurs –Long temps d’intégration Expériences sol et satellite SAMPAN ( détecteurs ) Expériencef ciel Temps d'observation Sensibilité par détecteur N Bolos Sol (antarctique) 0,016 mois 300  Ks^ Ballon0,011 jour / 10 jours 100  Ks^ Satellite1une année 100  Ks^ (4) r=0.1

9 PARIS -22 septembre 2005 Structure bolométrique - composite classique - antenne Senseur TES - Senseur (Csnsm) - Squid (APC/Csnsm/IEF) - Electronique (APC/CESR) Senseur Haute Impédance - Senseur (Csnsm) - MUX Hemt (LPN) - Electronique (Crtbt) Caractérisation - Réponse fréquence/polarisation - Optique Conception antennes HFSS (LPSC) Martin-Puplett (Crtbt/LPSC) Croystat optique à dilution - Diabolo (CRTBT) - Caméra IRAM 30m (CRTBT) - Symbol (IAS) Microfabrication (IEF-MINERVE) Couches minces (Csnsm) Nanofab (Crtbt) HEMT (LPN) OlimpoIRAM

10 PARIS -22 septembre 2005 Moyens mis en place Fabrication des structures isolantes –Gravure humide (Nanofab) –Gravure profonde (IEF/Minerve) Calcul EM (LPSC/Grenoble) + mesure Evaporation NbSi (Csnsm) Electronique froide (Hemt-QPC) (LPN) Filiaire supra (couches + squid + ampli SiGe)

11 PARIS -22 septembre 2005 Structure classique NbSi 100X400m e = 100 nm Matrice Olimpo 23 pixels, membranes de 3 mm NEP < W/Hz

12 PARIS -22 septembre 2005 Gravure du NbSi Réalisation / gravure profonde pour membranes Isolation antennes / thermomètres avec SiN / SiO2 Matrice de bolomètres à antennes

13 PARIS -22 septembre 2005 Calculs EM ( HFSS ) Collaboration DCMB - d’après O.Guillaudin (LPSC) conception antennes large bande optimisation du shunt dissipatif sélectivité à la polarisation validation expérimentale

14 PARIS -22 septembre 2005 Thermomètre Caractérisation: Semi-conducteur: A # -5  -10 –Si implanté –Ge NTD (Haller-Beeman) –Couches minces Nb/Si (CSNSM) Supraconducteur: A#100  1000 –Ti T c ≈400mK –Mo/Cu, Mo/Au… Variation de T c : effet de proximité –Couches minces Nb/Si (CSNSM) Ti 1.5mmX1.5mmX40nm A=1000

15 PARIS -22 septembre PARIS -22 septembre 2005 Nano-switches pour multiplexage Y.JIN et al. Nano-switches : issus de la rechercher en physique mésoscopique bénéficient du transport d’e - balistiques et de la réduction quantique de bruit Réalisés du LPN : 2DEG (gaz d’électrons 2D) + Nanofabrication Température de fonctionnement : testée jusqu’à 38mK Capacité du contrôle : R off / R on > 10 7 (variation de la tension de commande 0,25V) Capacitance d’entrée estimée : ~1fF À court terme : réduire le courant de fuite < 0,1pA et réaliser 200 switches 13 switches montés dans un boîtier céramique Détail du switch avec une configuration de QPC (Quantum Point Contact) Caractéristique électrique à 4,2K

16 PARIS -22 septembre PARIS -22 septembre 2005 Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruit Y.JIN et al. HEMTs pseudomorphiques du LPN en régime diffusif, mesurés à 4,2K - niveau du bruit 0,3nV/√Hz à 100kHz - puissance dissipée 0,25mW - capacitance d’entrée ~40pF Spectre de bruit à 4,2K À moyen terme : Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruit Transistor balistique (quasiment sans pièges et sans collisions) Réductions :  puissance dissipée  bruits 4,2K Nouveau développement HEMTs à très haute mobilité d’e - du LPN en régime balistique, mesurés à 4,2K - 1 ère démonstration du gain en tension >1 - puissance dissipée 0,6nW I-V à 4,2K

17 PARIS -22 septembre 2005 Lecture basse impédance: SQUID Réalisation de SQUID DC –IEF/CSNSM/APC Objectif: implantation a proximité des bolomètres

18 PARIS -22 septembre 2005 Amplificateur 4K pour SQUID à base de transistor SiGe Collaboration avec le LISIF (D. Prêle) Transistor bipolaire SiGe –Amplification en tension –grande bande passante –Adapté aux basses impédances –Caractéristiques de bruit adaptées au Squid (Prêle et al., 2005, soumis a IEEE) En cours de caractérisation

19 PARIS -22 septembre 2005 Objectifs R&T Cnes 2005 ( juin 2006 ) Démonstration performances d’une matrice Olimpo (23 pixels) Caractérisation de la conception des matrices de bolomètres à antennes (204 pixels) MUX matrice 204 pixels Optimisation HEMT QPC, évaluation de la fiabilité en environnement spatial Proposition de concepts de détecteurs pour la mission SAMPAN