Jonctions tunnel supraconductrices à barrière de MgO
 
CEA/DRFMC-SPSMS, Groupe Dispositifs Supraconducteurs
Fri, Oct. 27th 2006, 11:00
Bât. 1005 P.434D, CEA-Grenoble
L’état supraconducteur observé dans de nombreux matériaux révèle des propriétés physiques microscopiques comme macroscopiques singulières (condensation de paires de Cooper, cohérence spatiale et temporelle à longue portées, gap d’excitation, diamagnétisme,..)[1] bien adaptées à la réalisation de dispositifs électromagnétiques analogiques et numériques, déjà exploités, des micro-ondes jusqu’au domaine THz [2-4]. Depuis plus de 20 ans, les dispositifs de commutation rapide, les récepteurs de radioastronomie basés sur l’effet tunnel photon-assisté, la plupart des magnétomètres à SQUIDs et le volt-étalon font appel à la maîtrise de la jonction tunnel supraconductrice ‘SIS’ (Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur) présentant des effets Josephson et de gap du courant tunnel de quasiparticules. La barrière tunnel doit présenter des caractéristiques de grande transparence, de hauteur de potentiel définie, d’uniformité de couverture de l’électrode de base contrôlées et reproductibles afin de permettre la réalisation d’effets tunnel et Josephson uniquement élastiques. Les électrodes supraconductrices des dispositifs initialement en alliages de plomb sont maintenant principalement réalisées par pulvérisation magnétron en couches minces poly-cristallines de niobium ou de nitrure de niobium (NbN) en phase cubiques. Différentes barrières d’oxydes natifs ont été réalisées (PbO-In2O3/Pb-In; Nb2O5-x/Nb ; Nb2NYO5-x/NbN ; Al2O3/Al-Nb ;..) puis des barrières rapportées, pulvérisées in-situ comme des films MgO d’épaisseur inférieure au nm formant une nappe de ‘tri-couche SIS’ NbN/MgO/NbN. Les mailles cristallines cubiques de paramètres cristallins voisins, 0,42 nm pour MgO contre 0,44 nm pour NbN permettent également d’utiliser ces couches très minces de MgO comme ’template’ pour favoriser la texturation du NbN. Des travaux sur les barrières de MgO de grande transparence et sur leur recuit thermique vers 250°C, seront présentés. Ils mettent en évidence une densification de la barrière en fonction des conditions de dépôt et de recuit, qui permet de réduire les effets tunnel inélastiques. Ils ont été réalisés dés 1986 lors d’un séjour à Hypres, puis au Leti dans les années 90, au DRFMC récemment, principalement sur deux équipements multicibles. L’exploitation à basse température des effets tunnels (effets élastiques et inélastiques -Raman ou IR exaltés- résolus en énergie, modes tunnels résonants) et Josephson (modes de cavités, effets de réflexion d’Andreev) permettent de disposer d’informations spectroscopiques supplémentaires sur les propriétés diélectriques de la barrière comme sur son environnement électromagnétique et chimique. L’analyse des caractéristiques courant tension de telles jonctions SIS de petite taille et de grande densité de courant apporte également de précieux renseignements sur les effets de porteurs chauds et de dissipation thermique dans la jonction qui pourraient également être exploités dans d’autres types de matériaux et dispositifs. La maîtrise d’une jonction tunnel SIS possédant une barrière élastique et de son environnement diélectrique permet en outre de solutionner des problèmes de décohérence dans les Qu-bits et ouvre la voie de l’électrodynamique quantique (QED) intégrée sur puce[7]. Enfin, une barrière TaXN, proche de la transition isolant-métal, adaptée à la réalisation d’un circuit ‘HyperSCAN’ ANR pour télécoms spatiales [8] permet d’observer un effet Josephson Géant oscillant à 1,9THz. [1] M. Tinkham, ‘Introduction to Superconductivity’, Second Edition, McGraw-Hill, (1996) [2] D.K. Brock, E.K. Track, J. M. Rowell, ‘Superconductor ICs: the 100 GHz second generation’, IEEE Spectrum, 37, 40, (2000). [3] Z-Y. Shen, ’High-Temperature Superconducting Microwave Circuits’, Artech House (1994) [4] J. R. Tucker, M. J. Feldman, ‘Quantum Detection at Millimeter Wavelength’, Rev. Mod. Phys. 57, 1055 (1985) [5]J-C. Villégier et al ”RF-Sputter Deposited MgOx films as high quality adjustable Tunnel Barriers”, IEEE Trans. on Magnetics, MAG 25, p 1227, (1989). [6] V. Larrey, thèse Université de Paris VI, 1998 J-C. Villégier, B. Delaet, V. Larrey, P. Febvre, J-W. Tao, G. Angénieux, "Extraction of material parameters in NbN multilayer technology for RSFQ circuits", PHYSICA C 326-327, (1999) pp 133-143. [7] M. Steffen et al, SCIENCE, 313, 1423, 8 September 2006 [8] R. Setzu, E. Baggetta, J-C Villégier, Compte-rendu interne Convention CNES-CEA (2006) ANR-Télécommunications ‘HyperSC

 

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