Développement de Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel pour le comptage de photons en astronomie

This work describes the development of S/Al-AlOx-Al/S Superconducting Tunnel Junctions (STJ) to count photons for astronomical applications in the near-infrared. The incoming light energy is converted into excited charges in a superconducting layer (S, either Nb or Ta) with a population proportional to the deposited energy. The photon energy can thus be evaluated by integrating the tunnel current induced in a voltage biased junction at a very low temperature (100 mK). The performance of STJs for light detection is discussed in the first chapter and compared with the best performances obtained with other techniques based on either superconductors (Hot Electron Bolometers, Transiting Edge Sensors) or semiconductors (Avalanche Photodiodes, Photomultipliers, CCDs). At the beginning of the thesis, a previous manufacturing process made it possible to obtain good quality Nb based junctions and preliminary results for photon counting. The objective of the thesis was to replace Nb as absorber with Ta, an intrinsically more sensitive material, and secondly to develop a new and more efficient manufacturing process. We first focused on the optimization of the Tantalum thin film quality. Structural analysis showed that these films can be grown epitaxially by magnetron sputtering onto an R-plane sapphire substrate heated to 600°C and covered by a thin Nb buffer layer. Electrical transport measurement from room to low temperatures gave excellent Relative Resistive Ratios of about 50 corresponding to mean free path of the order of 100 nm. Then, we conceived an original manufacturing process batch on 3 inch diameter sapphire substrate with five mask levels. These masks made it possible to produce single pixel STJs of different sizes (from 25*25 to 50*50 square microns) and shapes (some of the devices are rhombus- and others sine-shaped). We also produced multiple junctions onto a common absorber as well as 9-pixel arrays. Thanks to the development of this process we obtained a very large percentage of quality junctions (>90%) with excellent measured normal resistances of a few micro-ohm cm^2 and low leakage currents of the order of one nA. Finally, we have demonstrated the photon counting capability of these devices at the border of visible and near-infrared (0.78 micron) wavelengths. Better energy resolution can even be achieved by further improvements in the experimental set-up, showing that such detectors are very promising for low light level applications in ground based astronomy (optical or near-infrared) or alternatively for cryptography and telecommunication applications at 1,55 micron.Cette thèse présente la poursuite des travaux grenoblois de développement des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de types S/Al-AlO_x-Al/S pour le comptage de photons individuels en vue d'applications astronomiques dans l'infrarouge proche. La couche supraconductrice S, en niobium ou en tantale dans notre cas, est photo-absorbante et permet la conversion de l'énergie d'un photon incident en une population de charges excitées dont le nombre est proportionnel à l'énergie déposée et la durée de vie suffisante pour qu'elles soient comptées par effet tunnel. Il suffit pour cela de polariser en tension des jonctions à très basse température (100mK) et d'intégrer les impulsions de courant tunnel photo-induit pour évaluer l'énergie absorbée. L'intérêt des JSET pour la détection lumineuse est discuté dans le premier chapitre au travers de la comparaison des techniques performantes actuelles, aussi bien à base de supraconducteurs (Bolomètres à transition supraconductrice, Bolomètres à électrons chauds) que classiques (Photo-Diodes à Avalanche, Photo-Multiplicateurs, CCD et CMOS). Au démarrage de cette thèse, un procédé de fabrication avait permis d'obtenir des jonctions à base de niobium de bonne qualité et des résultats préliminaires en comptage de photons. L'objectif double était de passer à des jonctions à base de tantale, intrinsèquement plus sensibles, avec un nouveau procédé de fabrication collective plus performant. Dans un premier temps nous avons optimisé la qualité cristalline du dépôt de tantale. Les analyses structurales par rayons X montrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron à 600$^o$C sur substrat saphir plan-R recouvert d'une sous couche de Nb sont épitaxiés suivant l'axe (100). Les mesures de transport électrique à basse température donnent d'excellents rapports résistifs relatifs (de l'ordre de 45) conduisant à des libres parcours moyens de l'ordre de 100 nm. Dans un second temps, un nouveau procédé original de fabrication collective des jonctions a été imaginé et un jeu de 5 masques a été réalisé. Ces masques permettent la réalisation de jonctions individuelles de différentes tailles (de 25 par 25 à 50 par 50 microns carrés) et formes (quelques dispositifs ont une géométrie en losange ou en forme sinusoïdale). Ils autorisent aussi la réalisation de jonctions multiples sur un absorbeur commun ou de réseau de 9 jonctions (pixels). Le développement de ce procédé et sa fiabilisation ont permis d'obtenir un très fort pourcentage ( >90$%) de jonctions de qualité. Nous avons ainsi obtenu d'excellentes résistances normales de quelques microohm.cm^2 et de faible courant de fuite sous le gap de l'ordre du nA. Enfin, nous avons mis en évidence le fonctionnement de ces dispositifs en comptage de photons à la frontière du visible et de l'infrarouge proche (0,78 micron de longueur d'onde). Et même si une meilleure résolution énergétique requiert encore quelques adaptations expérimentales, les détecteurs obtenus sont particulièrement prometteurs pour l'astronomie au sol, des rayons X à l'infrarouge, aussi bien que pour les télécommunications à 1,55 micron où les possibilités des JSET restent sans équivalent