Etude et realisation de jonctions sis a base de nitrure de niobium et d'une barriere tunnel adaptee permettant la montee aux frequences thz des instruments heterodynes
Pour preparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, les melangeurs utilisant des jonctions josephson supraconducteur / isolant / supraconducteur (sis) de type nbn/mgo/nbn ou nbn/a1n/nbn presentent un grand interet dans l'optique de la montee en frequence des instruments heterodynes. Ce memoire presente l'etude, la fabrication et la qualification de dispositifs a base de jonctions sis en nitrure de niobium. Ce travail comprend une partie de caracterisation electrique et structurale de films minces nbn obtenus par pulverisation cathodique reactive et qui aboutit a la determination de conditions optimales de depot. La fabrication de jonctions josephson nbn/mgo/nbn de petite surface (1 m 2) et de fortes densites de courant (>10 ka. Cm 2) est ensuite etudiee de facon a obtenir une technologie fiable et une bonne reproductibilite des parametres geometriques et electriques. Associe a la caracterisation i(v), un procede de traitement thermique permet le controle des densites de courant critique et l'amelioration de la qualite des dispositifs. La premiere qualification a 300 ghz de notre technologie donne une temperature de bruit de recepteur de 726 k ; mais au dela de ce resultat, la qualite des caracteristiques electriques de nos films nbn et des courbes i(v) statiques sont prometteuses pour des applications a des frequences proches du thz.
Pour preparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, les melangeurs utilisant des jonctions josephson supraconducteur / isolant / supraconducteur (sis) de type nbn/mgo/nbn ou nbn/a1n/nbn presentent un grand interet dans l'optique de la montee en frequence des instruments heterodynes. Ce memoire presente l'etude, la fabrication et la qualification de dispositifs a base de jonctions sis en nitrure de niobium. Ce travail comprend une partie de caracterisation electrique et structurale de films minces nbn obtenus par pulverisation cathodique reactive et qui aboutit a la determination de conditions optimales de depot. La fabrication de jonctions josephson nbn/mgo/nbn de petite surface (1 m 2) et de fortes densites de courant (>10 ka. Cm 2) est ensuite etudiee de facon a obtenir une technologie fiable et une bonne reproductibilite des parametres geometriques et electriques. Associe a la caracterisation i(v), un procede de traitement thermique permet le controle des densites de courant critique et l'amelioration de la qualite des dispositifs. La premiere qualification a 300 ghz de notre technologie donne une temperature de bruit de recepteur de 726 k ; mais au dela de ce resultat, la qualite des caracteristiques electriques de nos films nbn et des courbes i(v) statiques sont prometteuses pour des applications a des frequences proches du thz.
La radioastronomie millimetrique et submillimetrique est un domaine specifique, ou il est necessaire d'utiliser des recepteurs au bruit extremement faible. Le fait que les objets d'observation se trouvent sur un fond tres froid est a l'origine de ce besoin. Le prix eleve et la difficulte de construction des radiotelescopes doivent etre valorises par l'usage des recepteurs d'une sensibilite adequate. Au debut de notre travail sur l'amelioration de sensibilite des recepteurs a l'institut de radioastronomie millimetrique (iram), nous avons constate que le temps des observations sur nos 80-370 ghz radiotelescopes ete fortement rallonge par les recepteurs tandis que leur bruit ete superieur de 10 a 20 k. Ce travail presente notre etude des recepteurs heterodynes et a detection directe avec des jonctions supraconducteur-isolant-supraconducteur (sis) pour une application en radioastronomie. L'etude a ete concentree sur la modelisation et l'optimisation des melangeurs sis a la jonction en nb et nbn. Nous avons aussi etudie dans la bande submillimetrique, un recepteur a jonction supraconducter-isolant-conducteur normal-supraconducteur (sins) libre des courants de josephson. Le bruit d'un recepteur developpe lors de notre travail pour la premiere fois dans le domaine radio a atteint un niveau seulement trois fois superieure a la limite quantique. Le bruit minimum des recepteurs des bandes 0. 8 mm, 1. 3 mm, 2 mm, 3 mm se situe entre 19 et 22 k. Sur les 7 antennes de l'iram et du sest ses 20 nouveaux recepteurs sis ont ete equipes. Pour la premiere fois un recepteur sis faible bruit a ete developpe avec des jonctions en nbn
Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.
Ce manuscrit presente la fabrication de jonction supraconducteur / isolant / supraconducteur (s. I. S. ) de type niobium / oxyde d'aluminium / niobium pour le recepteur heterodyne submillimetrique de l'experience pirog 8. Apres avoir aborde les bases theoriques developpees par un certain nombre d'auteurs autour de ces composants supraconducteurs, le procede de fabrication de ces jonctions est decrit en soulignant les points critiques de certaines operations. Des ameliorations sont apportees au procede de fabrication de base dans le but de fiabiliser ces composants. La qualite des nombreuses jonctions fabriquees est ensuite analysee au travers d'un echantillon statistique des mesures effectuees, cette analyse mettant en evidence les points critiques soulignes precedemment. Apres la presentation des differents dispositifs utilises pour la mesure des caracteristiques courant / tension des jonctions fabriquees, les bases theoriques du fonctionnement des lignes supraconductrices sont presentees pour le calcul des geometries des circuits d'accord resonants necessaires a l'utilisation des jonctions sis aux frequences submillimetriques. La frequence des pics de resonance observes sur les caracteristiques courant / tension d'un certain nombre de jonctions sont alors comparees aux frequences de resonances calculees. La derniere partie presente l'utilisation de ces jonctions pour le recepteur 547 ghz de l'experience kao au jpl ainsi que pour le recepteur heterodyne a 440 ghz de l'experience pirog 8. Le vol ballon de l'experience pirog 8 permet de conclure ces travaux.
Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).
Les recepteurs heterodynes utilisant des jonctions sis (supraconducteur-isolant-supraconducteur) sont actuellement les plus performants pour detecter des signaux faibles dans le domaine des longueurs d'onde submillimetriques. Tout d'abord, une nouvelle formulation de la theorie de tucker utilisant la geometrie analytique est presentee pour comprendre le fonctionnement quantique des melangeurs a jonctions sis et pour expliquer un certain nombre de leurs proprietes. Il est alors possible de deduire, pour chaque frequence, les valeurs optimales des parametres du circuit d'adaptation, de la tension de polarisation et de la puissance d'oscillateur local qui permettent d'atteindre la sensibilite maximale. Pour obtenir les meilleures performances, il est necessaire de compenser la forte capacite intrinseque de la jonction sis. Ceci est accompli par des circuits micro-ondes distribues constitues de lignes de transmission supraconductrices. Plusieurs modeles ont ete developpes pour calculer les proprietes de lignes de transmission supraconductrices en technologie microruban et coplanaire. Ils utilisent l'approximation quasi-statique et prennent en compte les pertes et la dispersion au-dessus de la frequence de gap des supraconducteurs. Ils sont valables pour les metaux normaux et les supraconducteurs a haute temperature critique. La conception et les performances de deux recepteurs sis developpes dans le cadre de ce travail, et centres sur 380 et 547 ghz respectivement, est ensuite presentee. Nous mettons alors en evidence les limitations de performance theoriques et experimentales pour les frequences superieures a la frequence de gap du supraconducteur utilise. Enfin, certains compromis importants a effectuer pour obtenir des recepteurs sis performants et stables, en vue d'une utilisation future dans l'espace, sont presentes. Nous faisons alors une analyse prospective des performances attendues jusqu'a 1,2 thz pour des recepteurs utilisant le niobium et le nitrure de niobium
La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à 10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, un comparateur et différents portes logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer attendre de la technologie NbN.