tel-00009943 - TEL (thèses-en

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
2
Introduction
• Intérêt des JSET :
• 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
3
Contexte de la photodétection
Diode à aval.
(Takeuchi 1999)
T (°K)
Efficacité
quantique
Faux
événements
Taux de
comptage
(E/DE)
7K
0.9 @ 700nm
0,4 @ 700nm
20000 s-1
300 s-1
?
sans
sans
-40 °C
50% @ 700nm
1/pixel/s
14 Hz/image
5 MHz /pixel
HEB
(Korneev 2004)
4K
0.2 @ 800 nm
0.1 @ 1.55mm
10-3 s-1
3000 s-1
2 GHz
sans
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 @ 2001000 nm
10-3 s-1
10 kHz
10
CCD
0,5 MPixels
4
Etat des lieux
• Thèse de B. Delaët :
• 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
5
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
6
I- Principes physiques des
photodétecteurs JSET
Principe de base
i,
V-
hn
(~eV)
Électrode Supraconductrice
Ta (~meV)
Barrière Tunnel
e ~ 1nm
i, V+
hn
Substrat
Saphir
2 Couches de
piégeage en Al
Éclairage en
face arrière
Électrode Supraconductrice
Absorbeur Ta (~meV)
Les 3 enjeux :
 Absorbeur Ta de qualité
 Barrière fine et sans défaut
8
Schéma de principe de l’absorption lumineuse
Quasiparticule
Barrière
tunnel
Phonon
N0  hn/D
D Ta
hn
DAl
Paire de Cooper
Substrat
saphir
Énergie
Passage tunnel
Absorbeur Ta
eVp
Al
Al2O3
Al
Ta
9
Processus d’amplification
Processus de multiplication
• N0 = hn / 1,7Dg (M. Kurakado, 1982)
Sens du
courant
• Nombre de charges comptées :
N = <n> N0
• <n> lié à 2 temps caractéristiques :
<n>= tQP / tt
D
eVpol
 tQP la durée de vie des QP
 tt le temps tunnel:
t
t
 4eN EFVol RN
( D  eV p )2  D
D  eV p
2
de Korte (1992)
10
Résolution et choix des supraconducteurs
Matériau TC (K) D (meV)
N0
(l=0,12mm)
N0
(l=2mm)
Nb
9,2
1,55
4000
250
Ta
4,48
0,66
8000
500
Al
1,17
0,17
30000
2000
Hf
0,13
0,02
300000
18000
Valeurs valables à T<0,1 TC
DE  2,35 ( F  G)  1,7D  E
Avec F = 0,2
(Kurakado, 82)
et G = 1 + 1/<n> (Goldie, 94)
Résolution tunnel limite (eV)
10
1
Nb
Ta
Al
Hf
0,1
IR visible UV
0,01
0,1
1
10
Rayons X
100
1000
10000
Energie du photon (eV)
11
Caractéristique I-V et point de
fonctionnement
0,8
 Théorique idéale sans pièges
 Expérimentale avec pièges aluminium
I
Courbe avec flux de
photons
0,6
Courant (mA)
0,4
IC
0,2
If+dI
0,0
If
VP
-0,6
T = 200 mK
Courant normal
-1,5
-1,0
-0,5
V
Réprésentation schématique
sous le gap
RN
-0,4
-0,8
V = 2D
Vp
-0,2
0,0
0,5
1,0
1,5
Tension (mV)
• 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
12
Potentiel d’appariement
Effet de proximité
DTa = 0,66 meV
Djonction
DAl = 0,17 meV
Absorbeur Ta
Al (60nm)
Représentation schématique, d’après Brammertz 2003
13
Effet de proximité
Energie en unité de DTa
Densité d’état normalisée
DTa
Dans le Ta
Dans l’ Al
Courbes de densité
d’état,
d’après Brammertz,
2003
Dj
Energie (meV)
14
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
16
Epitaxie du Nb
Conditions
de dépôt
Diffraction q - 2q de deux films de Nb
5000
Al2O3 (024)
Al2O3 (012)
4000
Nb (110)
3000
Nb (600 nm)
à
froid  polycristallin
Nb (200)
Nb (220)
2000
Nb (222)
Nb (211)
1000
Coups/s
Al2O3 (036)
0
5000
4000
Nb (200)
3000
Nb (600nm)
à 600°C  épitaxié
2000
1000
0
20
30
40
50
60
70
80
2q
o
90 100 110 120 130 140
• Hauteur des grains à ~50 nm
• Dispersion de l’orientation des plans [200] de 0,2 °
17
Epitaxie du Ta
Conditions
de dépôt
Diffraction q - 2q de films Ta
100000
Al2O3
10000
(012)
Ta (110)
Al2O3 (024)
Ta (200)
Ta (211)
1000
Ta (800 nm )/ Nb (10nm)
à froid
Coups
100
 polycristallin
10
20
40
60
10000
Al2O3 (024)
1000
Ta (200)
(KCo)
100
80
Ta (200)
(KCo)
 épitaxié
10
1
20
40
q (degré)
Ta(650 nm)/Nb(20nm)
à 650°C
60
80
• Hauteur des grains à ~90 nm
• Dispersion de l’orientation des plans [200] de 0,27 °
18
RRR et l10K
Évaluation du libre parcours moyen avec le RRR :
0,10
R
 R10K r 300K  r10K
M
RRR  300K


R10K
r10K
r10K
Nb (Gurvitch, 86)
2,5 . 10-12 cm2 pour Ta (v.d. Berg, 99)
Film Nb
A1048
Température
600 °C
de dépôt
RRR
30,5
l10K (nm)
78
Film Ta
Film Ta/Nb
A1077
A1066
A1088
amb.
600 °C
650 °C
2,6
5
26
50
45
100
0,08
Résistance ()
Et rl =
3,75
. 10-12 cm2 pour
RRR = 45
0,06
0,04
0,02
0,00
0
50
100
150
200
250
Température (K)
Film de Ta/Nb (A1088)
19
300
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
20
III- Fabrication et
caractérisation des jonctions
Réalisation de la multicouche Ta/Al-AlOx-Al/Ta
25 oC
~24 h
150 à 180 nm de Ta sur
10 à 20 nm de Nb
~8 h
80 nm
d’ Al
~1/2 h
20-200
mbar d’O2
dépôt Ta
Dépôt Ta
Chauffage
/dégazage
Décapage RF
dépôt Al
oxydation SAS
600 oC
dépôt Al
Température du substrat
Temps
80 nm
d’ Al
120 nm de Ta
sur 3 nm de Nb
22
Procédé de fabrication (1)
Contre-électrode
Ta 120 nm
Absorbeur Ta
150 nm
Al 80 nm
AlOx 1.2
Vue en coupe
nm
Junction (few 10 mm)
Substrat Saphir
Al
80 nm
Vue de dessus
25, 30, 40 ou 50 mm
1ère étape : Gravure de la multicouche et
définition de la jonction
23
Procédé de fabrication (2)
Gravure d’une bandelette de
Ta/Al-AlOx-Al
Junction (few 10 mm)
Absorbeur
2ème étape : Préparation du contact à
l’absorbeur
24
Procédé de fabrication (3)
SiO2
~ 450 nm
Lift-off des trous
de contacts
~ 400 nm
Junction (few
mm)
40 10
mm
Substrat Saphir
SiO2
3ème étape : Pulvérisation de la couche de
passivation SiO2 et lift-off des trous de contact
25
Procédé de fabrication (4)
~ 500 nm
Nb
SiO2
Junction (few 10 mm)
Substrat Saphir
SiO2
Nb
4ème étape: Dépôt du Nb et gravure des
lignes de courant
26
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
27
Dispositifs obtenus (2)
Nb
Nb
200 mm
30mm
40mm
Optique
MEB
28
Dispositifs obtenus (3)
40 mm
Mosaïque de 3*3 pixels
29
mA
Caractérisation électrique d’une mosaïque :
transparence de la barrière
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
-0,6
T<300 mK
RN autour de
30 mcm2
Zone de
Vp
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
mV
Caractéristiques I-V des jonctions (30*30 mm2) d’une
mosaïque 3*3 pixels
30
Caractérisation électrique d’une mosaïque :
courant de fuite
30
T<250 mK
20
nA
10
RD de 0,2 à
0,45 cm2
0
-10
Zones de
polarisation
-20
-30
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
mV
… sous le gap (courants et tensions faibles)
31
Point critique : le flanc des jonctions
Tasup
Nb
Al/AlOx/Al
Ta abs
1 mm
Trace de
l’interface
Al/Al
300 nm
Motif technologique vu au MEB
32
Flancs des jonctions
Empilement
SiO2
Saphir
Empilement Ta/Al-AlOx-Al/Ta d’une jonction après une
gravure au FIB
33
Flancs des jonctions
jonction
Agrandissement
34
IV- Photodétection
Comptage de photons à 0,78 mm
Dispositif expérimental
PC
Support en cuivre
Générateur
d’impulsions
Photodiode
Cryostat
Amplification
Fibre optique
Amplificateur de charge
+
étage de polarisation
Bobines de champ
magnétique
Support
en cuivre
10 mm
JSET
Schéma du banc de mesures
36
Réponse du détecteur à un paquet de photons
Jonction
40 *40 mm2
RN=37 mcm2
10000
8000
Nombre de charges
6000
4000
Paramètres :
T= 130 mK
B = 30 Gauss
Vp = 80 mV
Ifuite = 2,4 nA
2000
0
-2000
-4000
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
ms
2 courbes de réponse issues de la même acquisition
37
Ajustement des impulsions
10000
130 mK
• Hauteur des pics proportionnelle à
l’énergie absorbée
Nombre de charges
8000
6000
• Utilisation de la moyenne des
impulsions M(t) comme gabarit
4000
2000
• Ajustement de chaque impulsion i
sous la forme : i *M(t)+i
0
-2000
-4000
-6000
0,2
0,4
0,3
0,5
0,6
ms
2 courbes de réponse et
moyenne des impulsions
38
Courbes de réponse et ajustement
9000
Nombre de charges
6000
3000
0
-3000
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
ms
39
Extraction du nombre de charges Ni
• Ni = i * Nmoyen
9000
Nombre de charges
6000
3000
• Evaluation de tQP comme
0
le temps de montée :
18 ± 1 ms
-3000
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
ms
Courbes de réponse et
leur ajustement
40
Histogramme de détection
Energie (eV)
3,2
6,4
9,6
12,8
60
Jonction
40 *40 mm2
RN=37 mcm2
2800 charges
40
Coups
Paramètres :
T= 130 mK
B = 30 Gauss
Vp = 80 mV
Ifuite = 2,4 nA
20
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
*2800 charges
Histogramme du nombre de charges détectées
par impulsion lumineuse
41
Histogramme de détection
Energie (eV)
3,2
6,4
9,6
12,8
60
• N(1 photon) = 2800 e-
pour N0 = 2000 QP
Soit <n>exp = 1,4
2800 charges
Coups
40
• Sensibilité 1800 e-/eV
20
• Et tQP = 18 ± 1 ms
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
*2800 charges
Histogramme du nombre de charges détectées
par impulsion lumineuse
tt ~ 1 ms
soit <n>th~ 18
42
… à Vp = 0,1 mV
35
Même configuration
sauf :
30
Coups
25
20
Vp : 80  100 mV
15
If : 2,4  4 nA
10
5
0
4
6
8
10
12
14
*2800 charges
43
Comparaison à l’état de l’art
Groupe
ESTEC
ESTEC
PSI (suisse)
Yale
Riken
Cette thèse
Jonction
Réseaux
Ta/Al
12*10
Al
*
Ta/Al
*
Ta/Al
2
Nb/Al
*
Ta/Al
3*3
RN (mcm2)
2
7
4
7
2
30
RD (cm2)
Pouvoir de
Résolution
E/DE
30
1,9
2
*
0,08
0,8
~1
15
10
2,5
1,7
2,5
à l=500nm à l=500nm à l=500nm à l=340 nm à l=500nm à l = 780 nm
44
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
46
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)
47
48
49
DTa
Djonction
Al
Ta
DAl
Unités de DTa
Potentiel d’appariement
Potentiel d’appariement
nm
Evolution du potentiel d’appariement
dans la bicouche Al/Ta
(d’après Brammertz, 2003)
50
Comparaison avec le précédent procédé
Type de
jonction
Caractéristiques électriques
RN (mcm2)
RD (cm2)
Gap (meV)
Sensibilité
(charges/eV)
Cette thèse
Ta/Al
35
0,8
0,45
1800
Thèse B. Delaët
Nb/Al
40
10*
0,6
980
51
Courant de paires et évaluation de d
Courant de paires de
cooper :
avec
I  I 0 sin
• Effet Josephson continu
• Effet Josephson alternatif
• Dépendance en B  suppression
du courant Josephson
Courant critique en mA
 4eV

t
h
0,12
 4dB

x
0
0
d  l1  l 2  t 
DB L
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Champ en Gauss
d  100 nm
Courbe de dépendance du courant au champ
magnétique. Les points expémimentaux sont
ajuster par un sinc
52
Marche defiske et évaluation de t
15
Superposition de courbes
mettant en évidence la
1ère marche de Fiske
10
• Marche de Fiske:
n 0c
t
Vn 
*
2L
rd
t=1,2nm
Courant (mA)
5
0
-5
Première marche de
Fiske à V=0.22 mV
-10
-15
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
Tension (mV)
53
jonction
Cette
Thèse
Ta/Al
Cette
Thèse
Ta/Al
Taille (mm)
40*40
Rn (mcm2)
Paramètres
Groupe
Al
PSI
(Suisse)
Ta/Al
Ta/Al
Riken
(Japon)
Nb/Al
25*25
30*30
20*20
10*10
20*20
40
3
7
4
7
2
200 mbar,
25 min.
10 mbar,
20 min.
*
0,5 mbar,
1h
ESTEC
Yale
15% de 4 1,3 mbar, 20
mbar, 12 min
min.
Paramètres d’oxydation de la barrière et
comparaison internationale :
54
Réponse du détecteur à un paquet de photons
•
0,6
Hauteur des pics
<n>N0 E
0,4
V
0,2
0,0
-0,2
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
ms
2 Courbes de réponse du détecteur consécutive à l’absorption
des 2 paquets de photons pendant la même acquisition
55
56