Jonctions supraconductrices à effet Tunnel pour le comptage de photons en astronomie
Résumé
We report on the fabrication and the study of Superconducting tunnel Junction (ST J) with aluminium trapping layers, and the results obtained in photon detection. STJ's are constituted by a superconducting absorber layer where the photon energy is converted into quasiparticles and by an AI-AI0 x-Al structure (SIS junction) to confine and count this quasiparticle excess at very low temperature. This work first focuses on the structural and electrical analysis of niobium and tantalum absorbers grown epitaxially by magnetron sputter deposition on 600 °C heated R-plane sapphire substrates. We obtained relative resistive ratios (RRR) of about 30 for (100) epitaxial Nb and Ta films yielding to mean free paths larger than 50 nm. We developed all the STJ fabrication process, including arrays of STJ's, on 3" wafers and we characterized the electrical and magnetic properties of Nb/ AI-AI0x-AI-Nbjunctions at 4.2 K and 200 mK. A large part of niobiumbased STJ 's have excellent quality factors (dynamic resistance under the gap voltage over normal resistance) over 250000 at 200 mK, showing a good reliability and reproducibility of the STJ fabrication process. Finaly, we demonstrate the photon counting capability at near-infrared wavelengths (À = 0.78 mu m) with a niobium based STJ mono-pixel detector at 200 mK and read-out by a charge sensitive amplifier. Such STJ detectors are very promising for low light level optical and near-infrared applications for ground based astronomy.
Ce mémoire présente la réalisation et l'étude des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de type Nb/Al-AIOx-Al/Nb, ainsi que les résultats préliminaires obtenus sur la détection et le comptage de photons à partir de ces jonctions. Les JSET incluent une couche supraconductrice photo-absorbante, en niobium ou en tantale épitaxié, dans laquelle l'énergie du photon incident est convertie en quasiparticules de durée de vie suffisante, à très basse température, pour être comptées par effet tunnel. Les couches eu aluminium, de gap réduit, fonctionnent comme un piège à quasiparticules et permettent d'augmenter l'efficacité du comptage. Une première étude a consisté en l'optimisation de la qualité cristalline des absorbeurs en niobium et en tantale. Les analyses structurale et électrique réalisées démontrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron sur saphir plan R chauffé à 600 °C, sont épitaxiés suivant la direction (100) et possèdent des rapports résistifs de l'ordre de 30 conduisant à des libres parcours moyens supérieurs à 50 nm. Dans un second temps, nous avons mis au point le procédé collectif d'élaboration des JSET, isolées ou sous forme matricielle, sur substrat trois pouces, en parallèle avec leur caractérisation électrique et magnétique à 4,2 K et 200 mK. La majorité des jonctions ont un excellent facteur de qualité (rapport de la résistance dynamique dans la partie sous le gap d'une caractéristique courant-tension sur la résistance normale de la jonction) supérieur à 250000 à 200 mK, preuve d'un procédé de fabrication fiable et reproductible. Finalement, nous démontrons la faisabilité du comptage de photons dans F l'infrarouge proche (.>.. = 0,78 mu m) à l'aide d'un détecteur mono-pixel basé sur une JSET à absorbeur en niobium, refroidie à 200 mK dans un réfrigérateur à dilution et lue par une électronique d'amplification et d'aquisition. L'utilisation de tels détecteurs aux performances inégalées ouvre la voie à d'importantes applications en astronomie dans le domaine du visible au proche infrarouge.