Brevet FR2552267A1 — publié le 19850322

Dispositif de photodétection à jonctions Josephson. La présente invention concerne un dispositif de photodétection et, plus particulièrement, un dispositif de photodétection comportant une mince pellicule ou film supraconducteur polycristallin aux limites des grains duquel se trouvent des jonctions Josephson Un dispositif de photodétection utilisant des jonctions Josephson représentées sur la figure 1 a été décrit par Enomoto et al dans un article de conférence édité par l'Institut des Ingénieurs de l'Electronique et des Communications 10 du Japon. En se référant à la figure 1, on voit que la référence 1 désigne un dessin ou modèle en forme de croix de supraconducteur à base d'oxyde de Ba Pbo, 7 Bi o 303 formé sur un substrat de saphir 2 et ayant une épaisseur de 300 nm Le modèle 1 comprend une région 3 que l'on irradie avec de la lumière et qui se trouve au centre du modèle, une paire de régions d'entrée 4 et 4 ' s'étendant de la région 3 vers la gauche et vers la droite, et une paire de régions de sortie 5 et 5 ' s'étendant de la région 3 en direction du haut et du bas Un circuit d'entrée (non représenté) est relié aux régions d'entrée 4 et 4 ' pour qu'un courant continu de polarisation circule jusqu'à ces régions Un circuit de sortie (non représenté) comprenant un amplificateur différentiel destiné à mesurer 25 les variations de tension engendrées entre les régions de sortie 5 et 5 ' est relié aux régions de sortie 5 et 5 '. Dans le dispositif de photodétection présentant la conception décrite cidessus, lorsque de la lumière en provenance d'un moyen d'éclairage (non représenté) tombe sur la région 3 pendant qu'un courant continu prédéterminé circule du circuit d'entrée jusqu'à la paire de régions d'entrée 4 et 4 ', il se produit une variation de tension entre les régions de sortie 5 et 5 ' Cette 2 2552267 variation de tension est mesurée par le circuit de sortie. De cette manière, la lumière peut être détectée En général, les jonctions Josephson exigent une protection électromagnétique et un moyen suffisant de mise à la masse pour supprimer le bruit d'induction provoqué par lesondes électromagnétiques d'arrière plan autres que le signal incident, étant donné que les jonctions Josephson présentent une sensibilité électromagnétique élevée. Toutefois, dans le dispositif de photodétection représenté sur la figure 1, les circuits d'entrée et de sortie sont disposés de façon indépendante de sorte qu'une masse commune n'est pas présente entre ces circuits d'entrée et de sortie Il est donc difficile 15 de réduire le niveau du bruit d'induction à une valeur voulue. Un objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de photodétection à jonctions Josephson de construction simple qui permet une détec20 tion extrêmement sensible d'un signal optique et qui peut réduire le bruit de fond. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de photodétection à jonctions Josephson qui peut fonctionner de façon stable même lorsque le signal d'entrée est important ou lorsque le bruit de fond est fort. Pour atteindre les objectifs ci-dessus de la présente invention, on a réalisé un dispositif de photodétection à jonctions Josephson, comprenant: 30 un substrat isolant, un film supraconducteur polycristallin formé sur ledit substrat isolant, de telle sorte que des jonctions Josephson soient formées aux limites de 5 grains, ledit film supraconducteur comportant une première région 35 soumise à l'éclairage de la lumière, des seconde et troisième régions formées de façon contig Ue de part et d'autre 3 2552267 de ladite première région de telle sorte que la largeur de chacune desdites seconde et troisième régions soit plus grande que celle de ladite première région; un moyen pour fournir un courant de polarisa5 tion prédéterminé entre lesdites seconde et troisième régions; et un moyen pour détecter une variation de tension entre lesdites seconde et troisième régions, une des bornes dudit moyen d'alimentation et une des bornes du10 dit moyen de détection étant reliées à la masse en commun, dispositif dans lequel ledit film supraconducteur comprend Ba Pblx Bi x 03 (o 0,05 C x dans des conditions de température inférieures à la 15 température de transition dudit Ba Pb 1 x Bix O 3. La longueur d'onde d'un signal optique détectée effectivement par le dispositif de photodétection de la présente invention se situe dans la plage de 1-à 10 Pm. On va maintenant décrire de façon détaillée les modes de réalisation de la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan schématique d'un dispositif de photodétection classique comportant des jonctions Josephson; la figure 2 est une vue en plan schématique d'un dispositif de photodétection comportant des jonctions Josephson selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est une vue en plan agrandie montrant 30 une partie du dispositif de photodétection et du dispositif représenté sur la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe par IV-IV de la figure 3 du dispositif de photodétection représenté sur la figure 2; la figure 5 est un schéma de circuit équivalent 4 2552267 à la région irradiée par la lumière du dispositif de photodétection représenté sur la figure 3; la figure 6 est un graphique montrant les courbes caractéristiques I-V dans les régions d'élec5 trode 22 A et 22 B lorsque la lumière éclaire et n'éclaire pas une région 21 du dispositif de photodétection de la présente invention représenté sur la figure 2; la figure 7 est un graphique montrant la relation entre la température et la sensibilité dans la région à liaison faible de la courbe caractéristique lorsque x = 0,3 (température de transition: environ 8 K); la figure 8 est un graphique montrant les courbes caractéristiques I-V d'un dispositif de photo15 détection similaire à la présente invention, sauf en ce qui concerne la valeur de x; la figure 9 montre la dépendance de la variation de tension entre A et B vis-à-vis de la tension de polarisation dans le cas d'une irradiation sous la même 20 puissance optique; la figure 10 montre la dépendance de la tension de réponse vis-àvis de la longueur d'onde; et la figure 11 est une vue en coupe d'un dispositif de photodétection selon unautre mode de réalisation 25 de la présente invention. On va maintenant décrire en se référant à la figure 2 un dispositif de photodétection comportant des jonctions Josephson selon un mode de réalisation de la présente invention. La référence 11 désigne un film supraconducteur Q O polycristallin de 2 000 A à 4 000 A d'épaisseur formé sur un substrat 12 en matière isolante, telle que du saphir Le film supraconducteur 11 comprend une région 21 d'une largeur (W 1) de 50 jim et d'une longueur (L 1) 35 de 501 m qui est irradiée avec de la lumière et des régions d'électrode 22 A et 22 B qui ont respectivement une 2552267 largeur (W 2) plus grande que celle de la région 21 et qui s'étendent à partir de celle-ci dans des directions opposées l'une par rapport à l'autre. La figure 3 est une vue en plan agrandie montrant 5 une partie de la région 21 et la figure 4 est une vue en coupe de cette région par IV-IV de la figure 3 Comme représenté sur les figures 3 et 4, des jonctions Josephson 14 sont formées aux limites entre les grains 13 du film supraconducteur polycristallin 11 Par con10 séquent, le circuit équivalent à la jonction Josephson 14 dans la région 21 présente, comme représenté sur la figure 5, une disposition matricielle Un circuit de polarisation est branché entre les régions d'électrode 22 A et 22 B pour y faire circuler un courant de polari15 sation prédéterminé Ce circuit de polarisation comprend une source 25 de courant continu reliée aux films de contact 23 et 24 qui sont formés respectivement par dépôt d'or sur les régions d'électrode 22 A et 22 B Un noeud entre la borne négative de la source 25 de courant 20 continu et le film de contact 24 est relié à la masse. D'autre part, un circuit de sortie (par exemple un détecteur de tension 26) est relié aux régions d'électrode 22 A et 22 B La référence 27 désigne un film de contact formé par dépôt d'or sur la région d'électrode 22 A Une 25 des bornes du détecteur de tension 26 est reliée au film de contact 27 et l'autre borne du détecteur 26 de tension est reliée au film de contact 24 On supprime l'influence du courant de polarisation, comme par exemple le bruit engendré par ce courant, sur le détecteur 26 de tension 30 en séparant le film de contact 23 et le film de contact 27 l'un de l'autre sur la région d'électrode 22 A. Dans l'agencement décrit ci-dessus, le dispositif est maintenu sous une polarisation de courant constante. Quand une lumière, en provenance d'un moyen d'irradiation 35 de lumière (non représenté) comme par exemple une fibre optique, éclaire la région 21, des quasi-particules sont 6 2552267 créées dans la région 21 et modifient l'écart d'énergie ( 24) du supraconducteur La variation de l'écart d'energie provoque une variation de la tension de sortie des jonctions Josephson On mesure donc la lumière en mesurant 5 la variation de la tension de sortie En outre, le film de contact 24 est formé sur la région d'électrode 22 B et est utilisé communément pour les circuits de polarisation et de sortie Les circuits de polarisation et de sortie utilisent donc communément une seule masse Il en résulte 10 que l'on peut facilement diminuer à l'aide d'une structure simple le bruit d'induction dans les circuits de polarisation et de sortie. La largeur de la région éclairée 21 du film supraconducteur 11 est plus petite que celle de chacune des régions d'électrode 22 A et 22 B Quand un courant de polarisation circule, l'agencement particulier permet à la densité de courant dans la région 21 uniquement d'être supérieure à la valeur critique de manière à mettre la région 21 seule sous un état de tension A l'aide d'une 20 densité de courant, on maintient les régions 22 A et 22 B en-dessous de la valeur critique afin de maintenir l'état supraconducteur dans les régions 22 A, 22 B Si on place les régions 22 A, 22 B dans un état de tension, il est difficile de détecter la variation de la tension en pré25 sence d'un éclairement Il suffit que les régions 22 A, 22 B soient à peu près 1,5 fois aussi larges que la région 21 et une augmentation de la largeur des régions 22 A, 22 B permet de diminuer l'inductance, ce qui se traduit par une amélioration dans les caractéristiques 30 de haute fréquence. Le film supraconducteur polycristallin 11 formé à la limite du cristal comprend Ba Pbl x Bix 03 (o 0,05 x 4 0,32) On forme le film supraconducteur 1 l sur un substrat à l'aide du procédé de pulvérisation On soumet le film supraconducteur à un recuit en atmosphère 7 2552267 d'oxygène et on forme un modèle ou dessin avec le film recuit pour obtenir le film supraconducteur polycristallin 11 mentionné ci-dessus. Par exemple, on a utilisé une plaque en céramique Ba(Pb 0,75 Bio 0,25)l, 504 comme cible et on a chauffé unsubstrat isolant 12 à une température de 260 C dans une atmosphère (pression de 6,7 x 10 3 mbars) d'un mélange gazeux (rapport de 50:50) d'argon et d'oxygène et on a appliqué à la plaque une tension de 1,5 k V Dans ces conditions, on a formé un mince film de Ba Pb 75 Bi o 2503 par pulvérisation au magnétron sur le substrat isolant 12. On a placé le substrat isolant 12 portant le mince film décrit ci-dessus dans un récipient en alumine conjointement avec une poudre de Pb O ou de Pb 204 et on a procédé à un 15 recuit en atmosphère d'oxygène sous une température de 550 C pendant 12 heures Il en est résulté qu'un film supraconducteur polycristallin de Ba Pb x Bi O 3 (ou 0,05 x C 0,32) s'est formé sur le substrat isolant 12 o On a ensuite décapé le film supraconducteur polycristallin obtenu à l'aide d'un décapant en utilisant une solution aqueuse contenant 30 % de HC 40 et 0,5 % de HC 3- La température de transition (Tc) du film supraconducteur polycristallin résultant 11 était d'environ 8 K. On va décrire en se référant à la figure 6 les 25 caractéristiques de cet élément photodétecteur. On premier lieu, on va exposer brièvement ci-après l'influence d'une irradiation de lumière sur les caractéristiques supraconductrices Dans un état supraconducteur, il se forme des paires d'électrons dites de Cooper 30 à un niveau d'énergie inférieur de A au niveau de Fermi. Des électrons seuls (quasi-particules) qui ne deviennent pas des paires de Cooper existent aux températures supérieures au zéro absolu et présentent un niveau d'énergie supérieur de 4 ou plus au niveau de Fermi Un écart d'énergie du supraconducteur égal à 2 A existe entre un 8 2552267 état d'électron présentant le niveau d'énergie le plus faible de ces quasiparticules et un état d'électron présentant le niveau des paires de Cooper Un courant de jonction a une tension nulle, c'est-à-dire une densité de courant maximal Jc d'un courant Josephsonest représenté comme suit: Jc = ( 1/2) t" (T)h/Re J tgh A (T)/2 k BTl ( 1) o 2 (T) indique que l'écart d'énergie est fonction de la température, R est la résistance de la jonction dans un 10 état de conduction normal, h est la constante de Planck, e est lacharge électrique d'un électron et k B est la constante de Boltzmann De cette manière, la densité maximale Jc du courant Josephson est proportionnelle à a(T) On peut obtenir le courant Ic (courant critique) de l'élément 15 en multipliant Jc par la superficie de l'élément Lorsque l'on utilise en pratique l'élément, on règle l'élément sur une température prédéterminée On va donc examinerciaprès la dépendance de l'énergie A vis-à-vis de la température Selon Owen et Scalapino, quand la densité d'une quasiparticule est n(cm-3), à est représenté comme suit: A(n)/ (O) = 1 in/2 N(O) %(O)l ( 2) Lorsque N augmente, f(n) diminue, V(n) et M( 0) sont respectivement les valeurs de A lorsque la densité de la quasiparticule est N et O N(O) est la densité d'état au 25 niveau de Fermi. Dans un état dans lequel une lumière éclaire une matière supraconductrice, les paires de Cooper sont détruites et il se forme, par rapport à un état exempt d'irradiation, des quasiparticules Par conséquent, lorsque N prend une valeur importante, prend une valeur faible Pour cette raison, la densité maximale de courant Josephson Jc dans l'équation ( 1) est différente selon qu'il s'agit d'un état avec irradiation de lumière ou d'un état sans irradiation de lumière et les caractéris35 tiques couranttension sont également différentes. 9 -2552267 Les caractéristiques courant-tension dans l'état sans irradiation de lumière deviennent, dans la présente invention, celles indiquées en traits pleins sur la figure 6, et les caractéristiques courant-tension dans l'état avec irradiation de lumière deviennent celles indiquées en traits interrompus sur cette figure Sur la figure 6, on suppose que lorsqu'un courant de polarisation Ib, qui est plus important que le courant Josephson maximal Ic, circule entre les films 23 et 24 dans l'état 10 sans irradiation de lumière (trait plein), le point de fonctionnement de l'élément est donné par le point A. Dans cet état de polarisation, quand de la lumière éclaire la région 21 de la figure 2, des quasiparticules se forment et a diminue Pour cette raison, le point de fonctionnement se déplace jusqu'à un point B, en modifiant ainsi la tension de sortie de l'élémento Du fait que cette variation de la tension de sortie est proportionnelle à N et est par conséquent proportionnelle à la quantité de lumière, on peut effectuer l'opération de photodétection en mesurant la variation de la tension de 20 sortie. La figure 6 montre les caractéristiques d'un dispositif du type dit à liaiso rsfaiblesne présentant pas d'hystérésis On utilise dans la présente invention Ba Pb x Bix O 3 présentant ces caractéristiques Pour ob25 tenir ces caractéristiques du type à liaisons faibles, il faut diminuer la barrière de potentiel aux limites entre les grains Par exemple, dans Ba Pb X Bix 03, on règle la teneur en Bi, c'est-à-dire la valeur de x En obtenant ainsi les caractéristiques d'un dispositif du 30 type à liaisons faibles ne présentant pas d'hystérésis. Dans une variante, on peut obtenir ce résultat en augmentant la température de fonctionnement (c'est-à-dire en faisant en sorte qu'elle se rapproche de la température de transition Tc). 2552267 Les inventeurs de la présente invention confirment que, dans Ba Pb 1 X Bix 03, avec 0,05 x était 0,3 et la température de fonctionnement était 6,5 K. La figure 7 montre la relation entre la température de fonctionnement et la photosensibilité dans une région présentant les caractéristiques du type à liaisons faibles lorsque x est 0,3 (la température de transition 20 étant d'environ 8 K) D'une façon générale, l'avantage de permettre une température de fonctionnement élevée réside dans la facilité de la commande En d'autres termes, on peut obtenir une photoconductivité particulièrement bonne avec x se situant dans la plage de 0,275 5 x On va décrire ci-après brièvement l'influence du rapport de composition de Ba Pb lx Bix 03 autre que celui défini dans la présente invention pour les caractéristiques de l'élément photodétecteur Dans la configuration de la figure 2, si le rapport de composition est 0,32, x O O,35, les caractéristiques de courant-tension à la fois dans l'état avec irradiation de lumière et dans l'état sans irradiation de lumière sont respectivement celles représentées par les courbes 1, 2 et 3 en trait plein et par 35 's courbes 1 ', 2 ' et 3 ' en traits interrompus sur la 11 i 2552267 figure 8 Par conséquent, dans l'état sans irradiation de lumière, on règle le point de fonctionnement au point C sur la courbe en trait plein à l'aide d'un état de polarisation prédéterminé Lorsque, dans le 5 mode avec irradiation de lumière, la lumière éclaire le dispositif, le point de fonctionnement se déplace jusqu'à un point D se trouvant sur la courbe 2 ' en traits interrompus On détecte cette variation de tension de manière à effectuer l'opération de photodétection. Toutefois, avec le rapport de composition de 0,32 e x O 0,35 mentionné cidessus et avec l'élément présentant des caractéristiques comportant de l'hystêrsis comme représenté sur la figure 8, lorsque la quantité de lumlère est élevée, ou lorsque le bruit de fond est im15 portant, le point de fonctionnement se déplace jusqulâ d'autres points (par exemple du point C de la courbe 2 jusqu'aux points E ou F présentant la même valeur de courant des courbes 1 ' ou 3 '), ce qui se traduit par une opération instable. Par contre, dans la-présente invention, on utilise le rapport de composition de 0,05 x du type à liaisons faibles ne présentant pas d'hystêrisis. Par conséquent, on peut éviter l'inconvénient mentionné 25 ci-dessus d'un fonctionnement instable. On remarquera que lorsque le rapport de composition est 0,32 ne peut être adopté dans la présente invention. La figure 9 montre la dépendance de la variation de la tension entre A et B vis-à-vis de la tension 35 de polarisation dans le cas d'une irradiation sous la même puissance optique. 12 2552267 La figure 10 montre la dépendance de la tension de réponse vis-à-vis de la longueur d'onde L'écart d'énergie de supraconduction est presque égale à 2 me V, qui est de trois ordres de grandeur plus étroit que ceux des semi-conducteurs ordinaires Par conséquent, ce détecteur optique fonctionnera dans une région se situant dans la plage de longueur d'onde des infrarouges. Le dispositif de photodétection représenté sur la figure 11 est sensiblement le même que celui repré10 senté sur les figures 2, 3 et 4, sauf qu'un film réfléchissant 30 est formé entre le film supraconducteur 11 et le substrat 12 Le film réfléchissant 30 sert à empêcher la lumière de se propager jusqu'au substrat 12 à travers le film supraconducteur 11 On peut ainsi améliorer encore 15 la sensibilité de détection de la lumière du dispositif de photodétection Le film réfléchissant 30 peut comprendre une couche métallique en argent, en platine ou analogue, et formée sur le substrat 12, ainsi qu'une mince couche isolante pour empêcher un court-circuit Il convient de 20 remarquer que l'on a utilisé sur la figure 11 les mêmes références pour désigner les mêmes parties représentées sur la figure 4. La présente invention utilise un supraconducteur polycristallin ayant une nature analogue à un semiconducteur, comme par exemple Ba Pb x Bix 03 ( 0, 05 13 2552267 accrue de façon remarquable par l'effet d'addition à l'endroit du point o les jonctions Josephson sont reliées en série, ce qui permet d'obtenir un dispositif de photodétection ayant une sensibilité très élevée Ce qu'il convient également de remarquer est que le moyen fournissant le courant de polarisation et le moyen détectant la tension peuvent être reliés en commun à la masse dans la présente invention, ce qui permet d'obtenir un dispositif de photodétection très peu sensible aux bruits. Plus particulièrement, dans le dispositif de photodétection de la présente invention, quand on règle la température de fonctionnement pour qu'elle se trouve entre la température de transition du film supraconducteur polycristallin et 4,2 K, les caractéristiques courant15 tension de ce dispositif ne sont pas celles du type à hystéreésis mais celles du type à liaisons faibles Par conséquent, même si les signaux d'entrée sont importants et si le bruit de fond est élevé, on peut stabiliser le fonctionnement. 14 2552267 REVENDICATIONS 1 Dispositif de photodétection comportant des jonctions Josephson, caractérisé par le fait qu'il comprend: un substrat isolant ( 12); un film supraconducteur polycristallin ( 11) de Ba Pbl x Bi X 03 (o 0,05 22 B} formées de façon contig Ue de part et d'autre de ladite première région de telle sorte que la largeur de chacune desdites seconde et troisième régions soit plus grande que celle de ladite première région; un moyen ( 25) pour fournir un courant de polarisation prédéterminé entre lesdites seconde et troisième régions; et un moyen ( 26) pour détecter une variation de tension entre lesdites seconde et troisième régions, 25 une des bornes dudit moyen de fourniture de courant et une des bornes dudit moyen de détection étant reliées en commun à la masse. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche réfléchissant la lumière 30 est formée entre ledit substrat et ledit film supraconducteur. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que x est de l'ordre de 0,275 à 0,32, que la condition de température est comprise entre 5 K et une 2552267 valeur inférieure à la température de transition. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que x est d'environ 3 et la condition de température est voisine de 6,5 K 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque largeur précitée desdites seconde et troisième régions est égale à au moins 1,5 fois la largeur de ladite première région.