Brevet FR2463512A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne les dispositifs à jonction tunnel, et notamment à jonction supraconducteur-isolantsupraconducteur permettant de mettre en oeuvre l'effet Josephson. Elle concerne toutefois également d'autres dispositifs à jonction tunnel, en particulier diodes Schottky et structures MOS. Il n'est pas nécessaire de décrire ici l'effet Josephson et les dispositifs connus permettant de le mettre en oeuvre. On pourra en trouver une description dans de nombreux ouvrages, par exemple dans l'article "La Cryo-électronique" par John Clarke, La Recherche, NO 38, octobre 1973, pp. 845-855. On rappellera seulement que, parmi les divers types de jonctions Josephson, les jonctions tunnel présentent un certain nombre d'avantages et notamment une bonne stabilité en température, une tenue satisfaisante lorsqu'elles sont soumises à des cycles thermiques et une faible densité de courant critique. En contrepartie, ces jonctions présentent quelques inconvénients : en particulier, elles ont une capacité électrique répartie élevée et la géométrie en couches superposées des jonctions habituelles se traduit par un écrantage des champs électromagnétiques qui leur sont imposés dans certaines applications. La présente invention vise à fournir un dispositif à jonction tunnel répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il peut être réalisé de façon à ne présenter qu'une capacité beaucoup plus faible. L'invention vise également à fournir un dispositif ayant une transparence élevée aux champs électromagnétiques, ce qui est un critère avantageux pour de nombreuses applications. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif qui comprend, sur un substrat isolant, une bande de matériau supraconducteur ou conducteur et au moins une région latérale de suPraConducteur ou de semiconducteur séparée de la bande par une barrière sensiblement transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre lnm et 5nm si elle est isolante. On voit que la barrière se développe dans le sens de la hauteur et non plus, comme dans les dispositions antérieures, en plan, ce qui permet d'arriver à des dimensions beaucoup plus faibles, donc à des capacités plus réduites. Dans un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention le dispositif, destiné à mettre en oeuvre l'effet Josephson, comprend, sur un substrat isolant, une bande de premier supraconducteur et deux régions latérales de second supraconducteur séparées chacune de la bande par une barrière isolante constituée par une couche d'oxyde d'un des supraconducteurs, transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. Dans le cas général, on ntutilisera pas un dispositif comportant un couple unique de jonctions, mais un dispositif dont le substrat porte une pluralité de bandes du premier supraconducteur, parallèles et séparées, deux bandes adjacentes étant séparées par une région latérale commune. Les dispositifs suivant l'invention, qu'on peut qualifier de dispositifs "à jonctions bord à bord", ont une géométrie très ouverte du côté du substrat, qui se prête bien à l'émission et à la détection des micro-ondes. Ces dispositifs présentent, aux températures cryogéniques, un comportement Josephson, et en particulier l'apparition de nombreux paliers de courants à tension fixe, sous irradiation par micro-ondes. Il faut noter que les paliers de courant se produisent à des tensions doubles lorsque des couples de jonctions sont disposés en série, ce qui constitue un facteur favorable pour la fabrication d'étalons de tension. On peut utiliser, dans un dispositif destiné à mettre en oeuvre l'effet Josephson, divers matériaux pour constituer la bande et les régions latérales. A titre d'exemple, on peut citer le plomb, pur ou avantageusement dopé pour améliorer la stabilité à long terme. On connait en particulier des supraconducteurs en plomb dopé à l'indium, #à l'or et au bismuth qui donnent des résultats très satisfaisants. On peut également citer le niobium et l'étain. A titre d'exemple d'autres applications, on peut citer la réalisation de diodes Schottky dans lesquelles la bande est constituée par un matériau conducteur, tandis que la région latérale ou chaque région latérale est constituée par un semiconducteur en contact avec la bande par-une tranche et séparée de ce conducteur dans le sens parallèle au substrat par un isolant tel qu'une résine photosensible. L'invention propose également un procédé de fabrication de dispositifs du genre ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'on constitue, sur un substrat isolant, une couche mince d'un premier supraconducteur ou d'un semiconducteur qu'on recouvre d'un revêtement photosensible , on découpe, dans le revêtement et la couche, des caissons parallèles laissant subsister des régions parallèles séparées ; on oxyde éventuellement ledit premier supraconducteur sur le flanc des caissons sur une épaisseur correspondant à la constitution d'une barrière autorisant l'effet tunnel et on constitue, dans les caissons, des bandes parallèles d'un second supraconducteur ou d'un conducteur. On voit que ce procédé est susceptible d'etre mis en oeuvre en utilisant uniquement des processus de fabrication de micro-circuits actuellement bien au point. En intégrant, sur de faibles dimensions, un grand nombre de jonctions en série, on peut par ailleurs réaliser, sous un faible volume, des étalons de tension fonctionnant à des tensions beaucoup plus élevées que les dispositifs actuels à une seule jonction. Par ailleurs, en réalisant des couches d'épaisseur faible, on arrive à donner au dispositif une capacité beaucoup plus faible que celle d'un dispositif à jonction tunnel classique de mise en oeuvre de l'effet Josephson. Comme indiqué plus haut, le dispositif suivant l'invention est applicable à tous les domaines classiques de mise en oeuvre des jonctions Josephson, notamment la métrologie, la constitution des circuits logiques, l'émission et la détection des micro-ondes. De façon plus particulière, on peut constituer des dispositifs suivant l'invention destinés à la réalisation de détecteurs de rayonnements électromagnétiques, de mélangeurs de fréquence, d'amplificateurs paramètriques, de circuits de commutation rapide, de mémoires numériques et de magnétomètres sensibles à des champs très faibles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un procédé de fabrication d'un dispositif suivant l'invention qui en constitue un mode particulier d'exécution. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel - les figures la à If montrent, de façon très schématique, les diverses étapes de fabrication du dispositif (les échelles n'étant pas respectées pour plus de clarté) - la figure 2 est une courbe caractéristique couranttension du dispositif de la figure 1 f - la figure 3 est un schéma d'un dispositif à jonctions en ligne suivant l'art antérieur (la circulation du courant étant schématisée par des flèches). Le procédé qui va maintenant être décrit est destiné fournir un dispositif sous forme d'un micro-circuit intégré constitué de couples de jonctions bord à bord disposés en série sur un substrat (dont l'épaisseur est beaucoup plus forte que celle indiquée sur les figures). On dépose tout d'abord, sur le substrat isolant 10, une couche 11 de matériau supraconducteur, avantageusement de niobium ou de plomb, éventuellement dopé pour améliorer sa tenue aux cyclages thermiques, sous forme d'une bande mince. Dans la pratique, la bande aura généralement une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm. La bande peut être réalisée par les procédés classiques de micro-photogravure, qui permettent sans difficulté-de réaliser des bandes régulières de faible largeur ; la technologie actuelle permet de réaliser de telles bandes à partir de 2 microns de largeur. On recouvre ensuite la couche 11 d'une résine photosensible dite aussi "photoresist" dans laquelle on réalise, par des techniques classiques de photogravure, des fenêtres transversales parallèles. A l'issue de cette opération, la couche 11 se trouve à nu dans des zones séparées par des lamelles 12 de résine. On attaque ensuite la couche 11 à travers les fenêtres formées dans la résine, par exemple par usinage par faisceau d'ions, d'argon notamment. On découpe ainsi dans la couche 11 des caissons parallèles réguliers, limités par des parois transversales au substrat (figure lb). On oxyde alors superficiellement les parois des caissons de façon à constituer des barrières isolantes 13 permettant l'apparition de l'effet tunnel. Ces barrières auront typiquement une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. L'oxydation peut s'effectuer par oxydation naturelle (cas du plomb) ou dans un plasma froid d'oxygène (pour le niobium notamment). On dépose ensuite successivement un revêtement en matériau supraconducteur 14, généralement en étain ou en plomb suivant que la couche est en plomb ou en niobium, par évaporation sous vide (figure id) puis une pellicule 15 de résine de protection (figure le). Les deux supraconducteurs 11 et 14 sont ainsi séparés, d'une part, par la couche de résine isolante 12, d'autre part, par les jonctions oxydées 13 qui se trouvent toutes dans des plans parallèles normaux au plan du substrat 10. On a ainsi des jonctions en série qui peuvent être plomb-oxyde de plomb étain ou niobium-oxyde de niobium-plomb. Enfin, la pellicule de résine isolante 15 et le supraconducteur 14 peuvent être découpés par des procédés classiques. On peut en particulier prévoir une pellicule de résine photosensible qu'on irradie sous masque pour éliminer des fenêtres, puis découper la bande de supraconducteur 14 par micro-usinage (attaque chimique ou usinage ionique). On obtient ainsi un micro-circuit comprenant un ensemble de jonctions en série (figure If) dont les plans sont parallèles et équidistants. Les barrières 13 séparent des bandes 16 d'un premier supraconducteur de régions latérales communes 17 constituant les fractions restantes de la couche 11. On voit que la structure de la figure If est très ouverte du côté du substrat 10 et permet un excellent couplage avec un champ électromagnétique du type montré sur la figure If, dont le sens de propagation est transversal à la direction d'alignement des barrières et dont le champ électrique E est parallèle à ce sens d'alignement. Un tel dispositif présente notamment la caractéristique courant I - tension V caractéristique d'une jonction Josephson lorsqu'il est soumis à un rayonnement hyper-fréquence (figure 2) mais les discontinuités apparaissent pour des tensions doubles de celles que l'on obtient dans le cas de jonctions simples. Si l'on compare le dispositif suivant l'invention à un dispositif classique multi-jonction du type dit "en ligne" (figure 3), on constate que les jonctions peuvent avoir une surface très réduite, l'épaisseur e d'une couche de supraconducteur (figure If) pouvant être très inférieure à la longueur 1, la largeur pouvant évidemment être la même (par exemple 2,5 microns). De plus et surtout, toutes les jonctions sont traversées par le courant dans le même sens (figure lof), alors que la circulation est alternée dans le cas des dispositifs connus (figure 3). L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple. Elle est susceptible de nombreuses variantes et son domaine s'étend notamment à l'ensemble des jonctions MOS. On peut citer, comme autre exemple d'application, la constitution d'une diode Schottky. Dans ce cas, on part d'une pastille de semiconducteur (silicium dopé P ou N par exemple) sur un substrat isolant, qui permettra de constituer la région ou les régions latérale(s). On forme par photolithogravure un caisson dans le substrat et, si sa profondeur est inférieure à celle de la pastille, on forme au fond une couche isolante, par exemple par bombardement par ions d'oxygène. Dans ce dernier cas, il faut ensuite décaper le(s) flanc(s) du caisson, par exemple par bombardement à l'oxygène. On dépose enfin une bande mince de matériau conducteur, généralement or ou platine, dans le caisson, contre l'un des flancs et sur la résine qui recouvre l'une des régions latérales là encore, on obtient un contact dont la dimension, et donc la capacité, peut être faible. REVENDICATIONS 1. Dispositif à jonction, caractérisé en ce qu'il comprend, sur un substrat isolant, une bande de matériau supraconducteur ou conducteur et au moins une région latérale de supraconducteur ou de semiconducteur séparée de la bande par une barrière sensiblement transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm si elle est isolante. 2. Dispositif à jonction tunnel supraconducteur-isolantsupraconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend, sur un substrat isolant, une bande de premier supraconducteur et au moins une région latérale de second supraconducteur, séparée de la bande par une barrière isolante, transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la barrière isolante est constituée par une couche d'oxyde d'un des supraconducteurs. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la bande et la région sont en contact, éventuellement par l'intermédiaire de la barrière isolante, sur toute la hauteur de ladite région au moins. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le substrat porte une pluralité de bandes du premier supraconducteur, parallèles et séparées, deux bandes parallèles adjacentes étant séparées par une région latérale commune. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites régions sont en plomb pur ou avantageusement dopé, notamment à l'indium, à l'or et au bismuth ; ou en niobium ; ou en étain. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur desdites régions est comprise entre 20 nm et 200 nm et leur largeur est d'au moins 2 um. 8. Procédé de fabrication de dispositif à jonction, caractérisé en ce qu'on constitue, sur un substrat isolant, une couche mince d'un premier supraconducteur ou d'un semiconducteur qu'on recouvre d'un revêtement photosensible ; on découpe, dans le revêtement et la couche, des caissons parallèles laissant subsister des régions parallèles séparées ; on oxyde éventuellement ledit premier supraconducteur sur le flanc des caissons sur une épaisseur correspondant à la constitution d'une barrière autorisant l'effet tunnel ; et on constitue, dans les caissons, des bandes parallèles d'un second supraconducteur ou d'un conducteur. 9. Procédé de fabrication de dispositif à jonction tunnel supraconducteur-isolant-supraconducteur, caractérisé en ce que l'on constitue, sur un substrat isolant, une couche mince d'un premier supraconducteur qu'on recouvre d'un revêtement photosensible ; on découpe dans le revêtement et la couche des caissons parallèles laissant subsister des région#s parallèles séparées ; on oxyde ledit premier supraconducteur sur le flanc des caissons sur une épaisseur correspondant à la constitution d'une barrière autorisant l'effet tunnel, et on constitue, dans les caissons, des bandes parallèles d'un second supraconducteur. 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'on constitue lesdites bandes par dépôt d'une couche continue de second supraconducteur qu'on fractionne ensuite. 11. Procédé suivant la revendication 8, 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on recouvre le dispositif d'une couche de protection contre l'oxydation. 12. Application de dispositifs suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la constitution de détecteurs de rayonnement électromagnétique de mélangeurs de fréquence, d'amplificateurs paramètriques, de circuits de commutation rapide, de mémoires et de magnétomètres à effet Josephson et d'étalons de tension.