Conception de capteurs supraconducteurs destinés à des mesures radio astronomiques : élaboration et caractérisation de jonctions tunnel en niobium aluminium

= Conception of superconducting detectors for radioastronomical measurements : Development and characterisation of niobium/aluminium tunnel junctions

• Auteur / Autrice : Thomas Lehnert
• Direction : Pierre-Louis Vuillermoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 1994
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anodisation

Supraconducteurs

Radioastronomie

Résumé

Les jonctions SIS ( Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur ) sont employées dans les récepteurs radio astronomiques comme mélangeur en hyperfréquence. Dans cette thèse, nous résumons d'abord les bases théoriques pour la compréhension du principe et des particularités d'un capteur SIS. Nous avons fabriqué des jonctions tunnel de très petite surface formées d'électrodes en niobium et d'une barrière tunnel en oxyde d'aluminium. Une tâche majeure de ce travail réside dans l'étude des propriétés des matériaux figurant dans l'élaboration des éléments SIS et de leurs incidences sur les courbes I(V). Notamment nous examinons l'effet de proximité lié à une couche intermédiaire d'aluminium. Les tricouches sont caractérisées à l'aide de l'oxydation anodique. Le principe de cette méthode ainsi que les courbes d'anodisation sont présentés. Le comportement de ces jonctions au cours de traitements thermiques a été étudié. Nous avons montré que la densité de courant de la jonction peut être réduite lors du recuit. Ceci représente d'important d'avantages sur le plan pratique. Les résultats des tests en hyperfréquences obtenus dans les domaines fréquentiels autour de 100, de 230 et de 350 GHz sont présentés. Dans les éléments SIS destinés aux récepteurs à structure ouverte, les jonctions tunnel s'intègrent dans une structure d'accord fixe. Dans ces dispositifs nous avons observé un effet de résonance provoqué par l'oscillation Josephson. Cet effet se manifeste par l'apparition de branches sur les courbes I(V). Finalement nous discutons de la réalisation des jonctions tunnel avec une électrode conductrice normale. Ses avantages et ses inconvénients par rapport aux jonctions SIS sont évoqués.

SIS junctions ( Superconductor-Insulator-Superconductor ) are employed in radioastronomical receivers as frequency mixers in the millimeter and submillimeter wavelength range. In this thesis, we summarise first the theoretical background required for a comprehension of the particularities of a SIS direct detector or a SIS mixer. We have fabricated small-area tunnel junctions consisting of niobium electrodes and an aluminium oxide barrier. One of the major tasks of this work was to study the influence of material properties and fabrication parameters on the I(V) curve of the tunnel junction. The proximity effect, related to an aluminium intermediate layer, was investigated in detail. The trilayers are characterised by using the anodic oxidation. The principle of this method and the corresponding anodisation curves are shown. The behaviour of these junctions during thermal annealing was studied. We found that the current density of the junctions could be reduced during annealing. This has important practical advantages. The results of the mixer experiments in the frequency range around 100, 230 and 350 GHz are discussed. In SIS elements for open-structure receivers, the tunnel junctions are integrated in planar superconducting tuning structures. In these devices we observed well-pronounced current steps in the I(V) curve. They could be interpreted as a resonance effect generated by the Josephson oscillation of the junction. Finally, tunnel junctions with a normal conducting aluminium have been developed. Their performance is compared with the SIS elements.