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

Contexte scientifique Collaboration : UJF LAOG CEA-G DRFMC CNRS CRTBT Objectif : obtenir des détecteurs à comptage de photons pour le visible et l’infrarouge proche. Applications : Astronomie Télécommunications Instrumentation I

Introduction Intérêt des JSET : Inconvénients: Détection tridimensionnelle ((x,y), t, l) des X à l’IR Sensibilité optimale et bonne dynamique Efficacité quantique (~ 70 %) Taux de comptage (~ 10 kHz) Inconvénients: Fonctionnement à très basse température (~0,1 K) Difficultés des grands formats

Contexte de la photodétection T (°K) Efficacité quantique Faux événements Taux de comptage (E/DE) Diode à aval. (Takeuchi 1999) 7 K 0.9 @ 700nm 0,4 @ 700nm 20000 s-1 300 s-1 ? sans CCD 0,5 MPixels -40 °C 50% @ 700nm 1/pixel/s 14 Hz/image 5 MHz /pixel HEB (Korneev 2004) 4 K 0.2 @ 800 nm 0.1 @ 1.55mm 10-3 s-1 3000 s-1 2 GHz 12*10 JSET (Martin 2004) 0,2 K 0.3 @ 200-500 nm ~ 0 10 kHz 10 TES (Miller 2003) 0,1 K 0.4 @ 200-1000 nm

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

Plan de l’exposé Introduction I- Principes physiques des photodétecteurs JSET II- L’épitaxie de l’absorbeur Ta III- Fabrication et caractérisation des JSET IV- Photodétection Conclusion

I- Principes physiques des photodétecteurs JSET

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

Schéma de principe de l’absorption lumineuse Quasiparticule Barrière tunnel Phonon Passage tunnel Énergie N0 hn/D D Ta hn DAl eVp Paire de Cooper Substrat saphir Absorbeur Ta Al Al2O3 Al Ta

Processus d’amplification Processus de multiplication N0 = hn / 1,7Dg (M. Kurakado, 1982) Nombre de charges comptées : N = <n> N0 <n> lié à 2 temps caractéristiques : <n>= tQP / tt tQP la durée de vie des QP tt le temps tunnel: Sens du courant D eVpol de Korte (1992)

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

Caractéristique I-V et point de fonctionnement  Théorique idéale sans pièges  Expérimentale avec pièges aluminium I Courbe avec flux de photons IC If+dI If V = 2D Vp VP V RN Réprésentation schématique sous le gap T = 200 mK Courant normal • Suppression du courant Josephson avec B • Minimisation du courant de fuite sous le gap  T < 0,1TC pour la contribution thermique  Barrière sans défauts • Compromis sur Vp pour régler le rapport dI/I

Potentiel d’appariement Effet de proximité DTa = 0,66 meV Djonction Potentiel d’appariement DAl = 0,17 meV Absorbeur Ta Al (60nm) Représentation schématique, d’après Brammertz 2003

Effet de proximité DTa Dj Energie en unité de DTa DTa Dans le Ta Dans l’ Al Courbes de densité d’état, d’après Brammertz, 2003 Densité d’état normalisée Dj Energie (meV)

II- Epitaxie de l’absorbeur Ta

Pourquoi et comment La qualité cristalline est un paramètre critique : influence directe sur la durée de vie des quasiparticules tQP 2 types de caractérisations : Diffraction par rayons X Mesure du RRR = (r300K – r10K)/ r10K

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

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

RRR et l10K Évaluation du libre parcours moyen avec le RRR : 3,75 . 10-12 Wcm2 pour Nb (Gurvitch, 86) 2,5 . 10-12 Wcm2 pour Ta (v.d. Berg, 99) Et rl = Film de Ta/Nb (A1088)

Bilan Optimisation du dépôt de Ta par : Chauffage du substrat à 600 °C Utilisation d’une sous couche de Nb Obtention de couches épitaxiées dans la direction [100] avec des libres parcours moyens de l’ordre de 100 nm

III- Fabrication et caractérisation des jonctions

Réalisation de la multicouche Ta/Al-AlOx-Al/Ta Température du substrat 600 oC oxydation SAS Chauffage /dégazage Décapage RF Dépôt Ta dépôt Al dépôt Al dépôt Ta 25 oC Temps ~24 h ~8 h ~1/2 h 150 à 180 nm de Ta sur 10 à 20 nm de Nb 80 nm d’ Al 20-200 mbar d’O2 80 nm d’ Al 120 nm de Ta sur 3 nm de Nb

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

Procédé de fabrication (2) Gravure d’une bandelette de Ta/Al-AlOx-Al Absorbeur Junction (few 10 mm) 2ème étape : Préparation du contact à l’absorbeur

Procédé de fabrication (3) Lift-off des trous de contacts SiO2 Substrat Saphir ~ 450 nm ~ 400 nm Junction (few 10 mm) 40 mm SiO2 3ème étape : Pulvérisation de la couche de passivation SiO2 et lift-off des trous de contact

Procédé de fabrication (4) ~ 500 nm Nb SiO2 Substrat Saphir Junction (few 10 mm) SiO2 Nb 4ème étape: Dépôt du Nb et gravure des lignes de courant

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

Dispositifs obtenus (2) Nb Nb 200 mm 30mm 40mm Optique MEB

Dispositifs obtenus (3) 40 mm Mosaïque de 3*3 pixels

Caractérisation électrique d’une mosaïque : transparence de la barrière T<300 mK RN autour de 30 mWcm2 Zone de Vp Caractéristiques I-V des jonctions (30*30 mm2) d’une mosaïque 3*3 pixels

Caractérisation électrique d’une mosaïque : courant de fuite T<250 mK RD de 0,2 à 0,45 Wcm2 Zones de polarisation … sous le gap (courants et tensions faibles)

Point critique : le flanc des jonctions Tasup Nb Al/AlOx/Al Trace de l’interface Al/Al Ta abs 300 nm 1 mm Motif technologique vu au MEB

Empilement Ta/Al-AlOx-Al/Ta d’une jonction après une gravure au FIB Flancs des jonctions Empilement SiO2 Saphir Empilement Ta/Al-AlOx-Al/Ta d’une jonction après une gravure au FIB

Flancs des jonctions jonction Agrandissement

Comptage de photons à 0,78 mm IV- Photodétection Comptage de photons à 0,78 mm

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

Réponse du détecteur à un paquet de photons Jonction 40 *40 mm2 RN=37 mWcm2 Paramètres : T= 130 mK B = 30 Gauss Vp = 80 mV Ifuite = 2,4 nA 2 courbes de réponse issues de la même acquisition

Ajustement des impulsions 130 mK Hauteur des pics proportionnelle à l’énergie absorbée Utilisation de la moyenne des impulsions M(t) comme gabarit Ajustement de chaque impulsion i sous la forme : ai *M(t)+bi 2 courbes de réponse et moyenne des impulsions

Courbes de réponse et ajustement

Extraction du nombre de charges Ni Ni = ai * Nmoyen Evaluation de tQP comme le temps de montée : 18 ± 1 ms Courbes de réponse et leur ajustement

Histogramme de détection Jonction 40 *40 mm2 RN=37 mWcm2 Paramètres : T= 130 mK B = 30 Gauss Vp = 80 mV Ifuite = 2,4 nA Histogramme du nombre de charges détectées par impulsion lumineuse

Histogramme de détection N(1 photon) = 2800 e- pour N0 = 2000 QP Soit <n>exp = 1,4 Sensibilité 1800 e-/eV Et tQP = 18 ± 1 ms tt ~ 1 ms soit <n>th~ 18 Histogramme du nombre de charges détectées par impulsion lumineuse

Même configuration sauf : … à Vp = 0,1 mV Même configuration sauf : Vp : 80  100 mV If : 2,4  4 nA

Comparaison à l’état de l’art

Conclusion

Principaux résultats Conception et développement d’un procédé de fabrication de jonctions: Film de Ta épitaxiés de RRR = 45 Excellente fiabilité (<5% de jonctions défectueuses) Homogénéité et robustesse des dispositifs Caractérisation électrique des dispositifs Courant de fuite dans le cadre de l’état de l’art Transparence des jonctions en cours d’amélioration Détection de paquets de 5 à 8 photons avec DE > E  comptage de photons à 0,78 mm

Perspectives Fiabilisation du procédé de fabrication sous conditions d’oxydation réduite Possibilité d’aborder les jonctions tout Al Comptage de photons jusqu’à 2 mm  Application aux longueurs d’ondes télécoms  Spectro-imagerie pour l’astronomie avec les matrices de détecteurs (visible et proche IR)

Potentiel d’appariement DAl DTa Djonction Ta Al Unités de DTa nm Potentiel d’appariement Evolution du potentiel d’appariement dans la bicouche Al/Ta (d’après Brammertz, 2003)

Comparaison avec le précédent procédé

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

Marche defiske et évaluation de t t=1,2nm

Paramètres d’oxydation de la barrière et comparaison internationale :

Réponse du détecteur à un paquet de photons Hauteur des pics <n>N0 E 2 Courbes de réponse du détecteur consécutive à l’absorption des 2 paquets de photons pendant la même acquisition