Brevet FR2545990A1 — publié le 19841116

Dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson La présente invention se rapporte à un dispositif photodétecteur et, plus particulièrement, à un dispositif photodétecteur ayant un film supraconducteur polycristallin qui a des jonctions de Josephson aux limites de ses grains. Un dispositif photodétecteur utilisant des jonctions de Josephson montré sur la figure 1 a été décrit par Enomoto et autres dans un article publié par le "Institute of Electonics and Communication Engineers" au Japon. En se référant à la figure 1, le chiffre de référence 1 désigne un motif d'oxyde supraconducteur en forme de croix en Ba Pb 07 Bi 0303 qui est formé sur un substrat 2 en saphir et dont l'épaisseur est de 300 nm Le motif 1 comprend une région 3, qui est irradiée par de la lumière et qui est placée au centre du motif, deux régions 4 et 4 ' qui s'étendent à par- tir de la région 3 vers la gauche et la droite et deux régions de sortie 5 et 5 ' qui s'étendent de la région 3 vers le haut et vers le bas Un circuit d'entrée (non représenté) est connecté aux régions d'entrée 4 et 4 ' pour y provoquer l'écoulement d'un courant continu de polarisation Un circuit de sortie (non représenté) comporte un amplificateur différen- tiel pour mesurer les changements des tensions produites entre les régions de sortie 5 et 5 ', et connecté aux régions de sortie 5 et 5 '. Dans le dispositif photodétecteur ayant l'agencement ci-dessus décrit, lorsque de la lumière irradie la région 3 en provenance d'un moyen d'éclairement (non représenté) tandis qu'un courant continu prédéterminé s'écoule du circuit d'entrée jusqu'aux deux régions d'entrée 4 et 4 ', il se produit un changement de tension entre les régions de sortie 5 et 5 ' Ce changement de tension est mesuré par le circuit de sortie De cette façon, la lumière peut être détectée En général, les jonctions de Josephson nécessitent un blindage électromagnéti- que et un moyen suffisant à la masse pour éliminer le 2 2545990 bruit d'induction provoqué par les ondes électromagnétiques de fond autres que le signal voulu, car les jonctions de Josephson ont une forte sensibilité électromagnétique. Cependant, dans le dispositif photodétecteur de la figure 1, les circuits d'entrée et de sortie sont agencés indépendamment, donc il n'y a pas de masse commune entre les circuits d'entrée et de sortie Il est donc difficile de diminuer le seuil du bruit d'induction à un seuil voulu. La présente invention a pour objet un dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson et de cons- truction simple, permettant la détection très sensible d'un signal optique, et pouvant réduire le bruit de fond. Afin d'atteindre l'objectif ci-dessus de la présente invention, on prévoit un dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson, comprenant un substrat isolant; un film supraconducteur polycristallin formé sur ledit substrat isolant de façon que des jonctions de Josephson soient formées aux limites -des grains, ledit film supraconduc- teur ayant une première région soumise à un éclairement par de la lumière et des seconde et troisième régions formées de manière contigue des deux côtés de ladite première région de façon que la largeur de chacune desdites seconde et troisième régions soit plus importante que celle de ladite première région; un moyen pour appliquer un courant prédéterminé de polarisation entre lesdites seconde et troisième régions; un moyen pour détecter un changement de tension entre lesdites seconde et troisième régions, une borne desdits moyens d'application de courant et une borne dudit moyen de détection étant mises à la masse en commun, ledit film supraconducteur contenant Ba Pbj 1 x Bix 03 (o l'on a 0,32 La forme d'onde d'un signal optique effectivement détecté par le dispositif photodétecteur de la présente invention se trouve entre 1 et 10 wm. 3 2545990 La recherche sera mieux comprise et d'autres caracté- ristiques, détails et avantages de celle-ci ressortiront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se référant aux dessins joints dans lesquels la figure 1 est une vue schématique et en plan d'un dispositif photodétecteur conventionnel ayant des jonctions de Josephson; la figure 2 est une vue schématique et en plan d'un dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est une vue agrandie et en plan montrant une partie du dispositif photodétecteur de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe transversale faite à travers le dispositif photodétecteur montré sur la figure 2, suivant la ligne IV IV de la-figure 3: la figure 5 est un schéma de circuit équivalent de la région du dispositif photodétecteur montré sur la figure 3 qui est irradiée par de la lumière; la figure 6 est un graphique montrant les courbes de I-V dans des régions d'électrode 22 A et 22 B quand la lumière irradie et n'irradie pas une région 21 du dispositif photo- détecteur montré sur la figure 2; la figure 7 est un graphique montrant les résultats mesurés des changements ("V) des tensions en fonction de l'intensité de la lumière (i W) lorsque l'on utilise, comme paramètre, l'épaisseur D (nx) d'un film supraconducteur polycristallin du dispositif photodétecteur de la figure 2; la figure 8 est un graphique montrant les résultats mesurés des changements ("V) des tensions en fonction de la tension Vb correspondant au courant de polarisation dans la place de la valeur du courant critique dans le dispositif photodétecteur de la figure 2; les figures 9 et 10 sont des graphiques montrant les résultats mesurés des changements p V des tensions en fonction de l'intensité de la lumière (p W) dans le dispositif photo- détecteur montré sur la figure 2 lorsque l'on prend, comme 4 - paramètre, la forme d'onde y (um) et la tension Vb correspon- dant au colorant de polarisation dans la plage de valeur de courant critique, respectivement; la figure 11 est un graphique montrant les résultats mesurés des changements ("V) des tensions en fonction de la quantité de l'intensité de la lumière (u W) dans le dispositif photodétecteur de la figure 2; et la figure 12 est une vue en coupe du dispositif photodétecteur selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Un dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson selon un mode de réalisation de la présente inven- tion sera maintenant décrit en se référant à la figure 2. Le chiffre de référence 11 désigne un film suprà- conducteur polycristallin d'une épaisseur de 200 à-400 nm qui est formé que un substrat 12 en un matériau isolant tel que du saphir Le film supraconducteur Il comprend une région 21 d'une largeur de 50 Pm, qui est irradiée par de la lumière, et des régions d'électrode 22 A et 22 B qui ont respectivement une largeur plus importante que celle de la région 21 et qui s'en détendent en directions opposées l'une par rapport à l'autre. La figure 3 est une vue en plan et agrandie montrant une partie de la région 21# et la figure 4 en est une vue en coupe faite selon la ligne IV IV de la figure 3 Comme le montrent les figures 3 et 4, des jonctions de Josephson 14 sont formées aux limites 13 des grains dans le film supra- conducteur polycristallin 11 Par conséquent, le circuit équivalent de la jonction de Josephson 14 dans la région 21, comme le montre la figure 5, a un agencement en matrice Un circuit d'entrée est connecté entre les régions d'électrode 22 A et 22 B pour leur appliquer un courant prédéterminé de polarisation Ce circuit d'entrée a une alimentation en cou- rant continu 25 qui est connectée à des films de contact 23 et 24 qui sont respectivement formés par dépôt d'or sur les régions d'électrode 22 A et 22 B Un noeud entre la borne négative de la source d'alimentation en courant continu 25 et le film de contact 24 est mis à la masse Par ailleurs, un circuit de sortie (tel que le détecteur de tension 26) est connecté aux régions d'électrode 22 A et 22 B Le chiffre de référence 27 désigne un film de contact qui est formé par dépôt d'or sur la région d'électrode 22 A Une borne du détec- teur de tension 26 est connectée au film de contact 27 et son autre borne est connectée au film de contact 24 Les influen- ces telles que le bruit dû au courant de polarisation du détecteur de tension 26 sont supprimées en séparant le film de contact 23 et le film de contact 27 l'un de l'autre sur la région dlélectrode 22 A R Dans l'agencement ci-dessus décrit, le dispositif est maintenu à une polarisation constante du courant Lorsque de la lumière irradie la région 21 en provenant d'un moyen d'irradiation (non représenté) tel qu'une fibre optique, des quasi-particules sont créées dans la région 21 et elles changent l'intervalle d'énergie supraconductrice ( 2 A) Le changement de l'intervalle d'énergie provoque, par la tension de sortie, un changement des jonctions de Josephson Par conséquent, la lumière est détectée en mesurant le changement de la tension de sortie De plus, le film de contact 24 est formé sur la région d'électrode 22 B et il est utilisé en commun pour les circuits d'entrée et de sortie Par conséquent, les circuits d'entrée et de sortie utilisent en commun une masse Par suite, les bruits d'induction dans les circuits d'entrée et de sortie peuvent facilement être diminués par une construction simple. La largeur de la région 21 des films supraconducteurs 11 rayonnant de la lumière est plus faible que celle de chacune des régions d'électrode 22 A et 22 B Lorsqu'un courant de pola- risation s'écoule, la construction particulaire permet à la densité de courant d'être plus importante, uniquement dans la région 21, que la valeur critique, pour ainsi mettre la région 21 seule à un état de tension Avec la densité de courant, les rayons 22 A et 22 B restent en- dessous de la valeur critique 6 2545990 afin de maintenir l'état supraconducteur dans les régions 22 A, 22 B Lorsque les régions 22 A et 22 B passent à un état de tension, il est difficile de détecter le changement de tension sous irradiation Il est suffisant que les régions 22 A et 22 B aient à peu près une fois et demie la largeur de la région 21 et une plus importante largeur des régions 22 A et 22 B permet de diminuer l'inductance, ce qui conduit à une amélioration des caractéristiques à haute fréquence. Le film supraconducteur polycristallin 11 formé à la limite du cristal comprend Ba Pb 1 x Bi XO 3 (o l'on a 0,32 céramique de Ba(Pb 068 Bi 0,32)1,504 et l'on a chauffé un subs- trat isolant 12 à une température de 2600 C dans une atmosphère (pression de 6,66 x 10-3 mbar) d'un mélange de gaz (rapport de :50) d'argon et d'oxygène, et la tension de la plaque était de 1,5 k V Dans ces conditions, un film mince de Ba Pb O 68 Bi 32 03 a été formé par pulvérisation au magnétron sur le substrat isolant 12 Le substrat isolant 12,ayant le film mince ci- dessus décrit, a été placé dans un récipient en alumine avec de la poudre de Pb O ou Pb 304 et a été recuit dans une atmos- phère d'oxygène à une température de 5050 C pendant 12 heures. Par suite, il s'est formé, sur le substrat isolant 12, un film supraconducteur polycristallin de Ba Pbi x Bix 03 (avec 0,32 la ligne en trait plein de la figure 6. La figure 6 montre que, sous un courant de polarisa- tion Ib légèrement supérieur au courant critique I, c'est-â- dire Ib = I O + A Ia, il se produit une transformation d'un état supraconducteur PO à un prèmier état de tension Pl (voir- la flèche Q 1) Si l'on augmente encore le courant de polarisa- tion Ib à Io + Ai Ib (ib > AI a), le premier état de tension Pl se transforme en un second état de tension P 2 comme cela est indiqué par une flèche Q 2 Une plus ample augmentation du courant de polarisation 'b à I + AI c(Aic>A Ib amène une transformation du second état de tension P 2 à un troisième état de tension P 3 comme cela est indiqué par une flèche Q 3. Si l'on change encore le courant de polarisation Ib à Il (-1 v partir de la courbe en trait plein (c) à la courbe en pointil- lés (c'). Lorsque le courant initial de polarisation Ib est établi à I O + A Ib, c'est-à-dire Ib = '0 + A Ib, on observe, par l'opération semblable, un changement de tension de la courbe en trait plein (b) à la courbe en pointillés (b'). Selon le dispositif photodétecteur ayant la jonction de Josephson de la figure 2, la lumière peut être détectée, que la tension prédéterminée soit produite ou non à travers les régions d'électrode 22 A et 22 B, offrant ainsi la fonction du dispositif photodétecteur. En particulier, la courbe I-V en trait plein (a), (b) ou (c) sur la figure 6 des régions d'électrode 22 A et 22 B, que l'on obtient lorsqu'aucune lumière n'irradie la région 21, 8 2545990 passe à la courbe I-V en pointillés (a'), (b') et (c') de la figure 6 lorsque de la lumière irradie la région 21 En d'autres termes, la courbe caractéristique est décalée le long de l'axe V En détectant le changement de la courbe I-V, on peut détecter la lumière. Par conséquent, le dispositif photodétecteur ayant les jonctions de Josephson que l'on peut voir sur la figure 2, offre un photodétecteur sensible. La figure 7 montre le changement ("V) de tension entre les régions d'électrode 22 A et 22 B lorsque l'épaisseur D (nm) du film supraconducteur polycristallin il est utilisée comme paramètre et que la tension Vb correspondant au courant de polarisation dans la plage de valeur de courant critique est donnée à 3 m V. La figure 8 montre le changement ("V) de la tension entre les régions d'électrode 22 A et 22 B en fonction de la tension Vb correspondant au courant de polarisation dans la plage de valeur de courant critique lorsque le film supra- conducteur polycristallin Il a une épaisseur de 300 nm et que de la lumière a une longueur d'onde de 1,29 p irradie la région 21 La figure 9 montre le changement ("V) de tension entre les régions d'électrode 22 A et 22 B en fonction de l'in- tensité de la lumière (i W) lorsque le: film supraconducteur polycristallin ll a une épaisseur de 300 nm, que l'on utilise la longueur d'onde de la lumière comme paramètre et que la tension Vb correspondant au courant de polarisation dans la plage de valeur de courant critique est établie à 3 m V La figure 10 montre le changement (p V) de la tension entre les régions d'électrode 22 A et 22 B en fonction de l'intensité de la lumière (MW) lorsque le film supraconducteur polycristallin 11 a une épaisseur de 300 nm Les lignes (b), (c) et (d) montrées sur la figure 10 indiquent les changements de tension sous le second état de tension (qui correspond aux courbes (b), (b') de la figure 6), le troisième état de tension (qui correspond aux courbes (c), (c') de la figure 6) et le quatrième état de tension (qui n'est pas incorporé sur la 9 2545990 figure 6), respectivement Le graphique de la figure 10 est basé sur la condition que le courant de polarisation est de 0,7 m A La figure il montre le changement (p V) de tension entre les régions 22 A et 221 en fonction de l'intensité de la lumière (îW) quand la tension Vb correspondant au courant de polarisation dans la plage du courant critique est établie à 3 m V. Il faut noter que le film supraconducteur polycris- tallin 11 est formé de Ba Pb,68 Bi,3203 ay transition à 90 K pour les résultats montrés sur les figures 8 et 10 et que le film supraconducteur polycristallin 11 a une épaisseur de 300 nm et est formé de Ba Pb 066 Bi O 34 3 ayant un point de transition de 60 K pour le résultat de la figure 11. Le dipositif photodétecteur montré sur la figure 12 est sensiblement le même que celui montré sur les figures 2, 3 et 4 à l'exception qu'un film réfléchissant 30 est formé entre un film supraconducteur 11 et un substrat 12 Le film réfléchissant 30 sert à empêcher la lumière d'être transmise au substrat 12 à travers le film supraconducteur 11 Par suite, la sensibilité de détection de la lumière du dispositif photodétecteur peut être encore améliorée Le film réfléchis- sant 30 peut se composer d'une couche de métal en argent, en platine ou analogue, et qui est formée sur le substrat 12, et d'une couche isolante mince pour la prévention des court- circuits Il faut noter que les mêmes chiffres de référence utilisés sur la figure 12 désignent les mêmes pièces que sur la figure 4. Dans la présente invention, on utilise un supracon- ducteur polycristallin ayant la nature d'un semi conducteur tel que Ba Pb x-Bix O 3 ( 0,32 2545990 changement de l'intervalle d'énergie de la présente invention. L'utilisation du supraconducteur polycristallin permet d'amé- liorer, de manière marquée, la sensibilité à de la lumière ayant une longueur d'onde de 0,8 à 10 p De même, le change- ment de tension est augmenté de manière marquée par l'effet supplémentaire au point o les jonctions de Josephson sont connectées en série, ce qui permet d'obtenir un dispositif photodétecteur de très haute sensibilité Il faut également noter que le moyen d'alimentation en courant de polarisation et le moyen de détection de tension peuvent être connectés en commun à la masse dans la présente invention, ce qui permet de produire un dispositif photodétecteur résistant aux bruits. il 2545990 Revendications 1 Dispositif photodétecteur ayant des jonctions de Josephson, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat isolant ( 12); un film supraconducteur polycristallin ( 11) formé sur ledit substrat isolant ( 12) de façon que des jonctions de Josephson soient formées aux limites des grains, ledit film supraconducteur ( 11) ayant une première région ( 21) soumise à un éclairement par de la lumière, et desseconde et troisième régions ( 22 A, 22 B) qui sont formées de manière contiguë des deux côtés de ladite première région ( 21) de façon que la lar- geur de chacune desdites seconde et troisième régions ( 22 A, 22 B) soit plus importante que celle de ladite première région ( 21); un moyen ( 25) pour appliquer un courant prédéterminé de polarisation entre lesdites seconde et troisième régions ( 22 A, 22 b); et un moyen ( 26) pour détecter un changement de tension entre lesdites seconde et troisième régions ( 22 A, 22 B), une borne dudit moyen ( 25) d'application de courant et une borne dudit moyen ( 26) de détection étant mises àla masse en commun, ledit film supraconducteur ( 11) comprenant Ba Pbl x Bix O 3 (o 0,32 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche réfléchissant la lumière est formée entre ledit substrat ( 12) et ledit film supraconducteur ( 11).