Oscillateur comportant des jonctions Josephson avec des électrodes supraconductrices à haute température, détecteur hétérodyne comprenant un tel oscillateur, et procédé de fabrication d'un tel oscillateur La présente invention concerne un oscillateur propre à émettre des ondes électromagnétiques, l'oscillateur comprenant une première et une deuxième électrodes, au moins deux empilements de jonctions Josephson, chaque empilement ayant une première extrémité reliée électriquement à la première électrode et une deuxième extrémité reliée électriquement à la deuxième électrode, chaque empilement s'étendant selon une direction verticale, chaque jonction Josephson comportant deux couches supraconductrices et une couche non-supraconductrice disposée entre les deux couches supraconductrices selon la direction verticale.

L'invention concerne également un détecteur hétérodyne comprenant un mélangeur et un tel oscillateur.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel oscillateur.

L'invention concerne en particulier la gamme de fréquences comprises entre 300 GHz et 3 THz, et s'applique dans les domaines militaire et sécuritaire, notamment pour la détection d'agents chimiques ou biologiques, ou encore pour la détection d'armes dissimulées.

On connaît un oscillateur du type précité de l'article « Fluxon modes and phase- locking at 600 GHz in superconducting tunnel junction nonuniform arrays » de Salez et al., publié dans 'Journal of Applied Physics' en 2010. Cet oscillateur est propre à émettre des ondes électromagnétiques submillimétriques dans la gamme de fréquences comprises entre 240 GHz et 720 GHz, lorsqu'il est parcouru par un courant. L'oscillateur comprend une électrode inférieure, une électrode supérieure et une pluralité d'empilements verticaux de jonctions Josephson, chacun étant disposé et connecté électriquement entre l'électrode inférieure et l'électrode supérieure.

Les jonctions Josephson sont des jonctions de type SIS (de l'anglais Superconductor-Insulator-Superconductor) et comportent chacune deux couches de matériau supraconducteur séparées par une couche de matériau isolant. Le matériau supraconducteur est du niobium, le niobium étant un matériau supraconducteur à basse température et présentant une température critique de l'ordre de 9°K. Le matériau isolant est un oxyde d'aluminium. Les électrodes supérieure et inférieure sont en niobium, et les empilements de jonctions Josephson sont isolées les uns des autres par de la silice.

Toutefois, un tel oscillateur requiert un refroidissement important afin de maintenir à l'état supraconducteur le niobium des jonctions Josephson, et des électrodes inférieure et supérieure. Un tel oscillateur nécessite donc un dispositif de cryogénie volumineux et consomme beaucoup d'énergie.

L'invention a donc pour but de proposer un oscillateur permettant de limiter la consommation d'énergie.

A cet effet, l'invention a pour objet un oscillateur du type précité, caractérisé en ce que les couches supraconductrices d'au moins une jonction Josephson sont réalisées en un matériau supraconducteur à haute température, le matériau supraconducteur à haute température présentant une température critique supérieure à 30 °K, de préférence supérieure à 60 °K.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, l'oscillateur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- les empilements de jonctions Josephson sont agencés selon une direction longitudinale perpendiculaire à la direction verticale, et l'espacement entre deux empilements selon la direction longitudinale est différent d'une paire d'empilements successifs à l'autre ;

- au moins un empilement comprend une première et une deuxième piles s'étendant selon la direction verticale et disposées en une même position selon une direction longitudinale perpendiculaire à la direction verticale, chaque pile comportant au moins une jonction Josephson de sorte qu'une couche supraconductrice supérieure est agencée au sommet de chaque pile, et ledit au moins un empilement comprend en outre un film conducteur de liaison connecté électriquement à la couche supraconductrice supérieure de chaque pile ;

- le film conducteur de liaison est réalisé en un élément parmi le groupe consistant en : l'or, l'argent et le cuivre ; et

- le matériau supraconducteur à haute température est un élément parmi le groupe consistant en : un oxyde mixte de la famille du baryum, de cuivre et d'yttrium et un oxyde mixte de la famille du cuivre, de calcium, de strontium et de bismuth.

L'invention a également pour objet un détecteur hétérodyne comprenant un mélangeur et un oscillateur, caractérisé en ce que l'oscillateur est tel que défini ci-dessus.

Suivant un autre aspect avantageux de l'invention, l'oscillateur comprend la caractéristique suivante :

- le mélangeur comporte un bolomètre à électrons chauds.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un oscillateur propre à émettre des ondes électromagnétiques, l'oscillateur comprenant une première et une deuxième électrodes reliées par un empilement de jonctions Josephson, le procédé comprenant l'étape suivante :

- le dépôt d'une couche de matériau supraconducteur à haute température sur un substrat, le matériau supraconducteur à haute température présentant une température critique supérieure à 30 °K, de préférence supérieure à 60 °K,

le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :

- une première attaque de la couche déposée jusqu'au substrat, afin de séparer la couche déposée en un premier bloc et un deuxième bloc distincts et séparés par une rainure,

- une deuxième attaque de chacun des deux blocs distincts, afin d'obtenir au moins une pile dans chacun des deux blocs distincts tout en conservant une épaisseur minimale de matériau supraconducteur, l'épaisseur minimale de matériau supraconducteur conservée du premier bloc formant la première électrode reliée à la ou les piles obtenue(s) à partir du premier bloc et celle conservée du deuxième bloc formant la deuxième électrode reliée à la ou les piles obtenue(s) à partir du deuxième bloc,

- la connexion électrique des piles par paire(s), les deux piles d'une paire correspondante étant disposées de part et d'autre de la rainure et connectées électriquement via un film conducteur déposé au sommet des piles de la paire, chaque paire de piles connectées électriquement formant un empilement de jonctions Josephson, l'empilement ayant une première extrémité reliée électriquement à la première électrode et une deuxième extrémité reliée électriquement à la deuxième électrode.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le procédé comprend en outre le dépôt d'un matériau isolant entre les piles, avant l'étape de connexion électrique des piles par paire(s) ;

- les première et deuxième attaques sont effectuées par une lithographie et une gravure, telle qu'une gravure par faisceau d'ions ; et

- le substrat est un substrat cristallin, tel qu'un substrat en oxyde de magnésium ou en saphir.

Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d'un détecteur hétérodyne comprenant un mélangeur et un oscillateur,

- la figure 2 est une représentation schématique de l'oscillateur de la figure 1 , - la figure 3 est un organigramme d'un procédé de fabrication de l'oscillateur de la figure 1 , et

- les figures 4 à 7 sont des représentations schématiques de différentes étapes du procédé de fabrication de la figure 3.

Sur la figure 1 , un détecteur hétérodyne 10 comprend un mélangeur 12 et un oscillateur 14, et est propre à détecter un signal reçu, après avoir transposé la fréquence du spectre du signal reçu à une fréquence inférieure.

Le mélangeur 12 est propre à mélanger le signal reçu avec un signal rayonné par l'oscillateur 14. Le mélangeur 12 comprend un bolomètre à électrons chauds 16 comportant un micro-pont, non représenté, en matériau supraconducteur, de préférence en matériau supraconducteur à haute température, c'est-à-dire dont la température critique est supérieure à 30 °K.

L'oscillateur 14, également appelé oscillateur local, est propre à rayonner un signal dont la fréquence est proche de celle du signal reçu, de sorte que la valeur de la différence entre la fréquence du signal reçu et celle du signal rayonné par l'oscillateur local 14 est bien plus faible que la valeur de la fréquence du signal reçu ou que celle du signal rayonné.

L'oscillateur local 14 est un oscillateur submillimétrique propre à rayonner des signaux dans la gamme de fréquences comprises entre 300 GHz et 3 THz, de préférence dans la gamme de fréquences comprises entre 400 GHz et 600 GHz.

L'oscillateur 14, visible sur la figure 2, comprend une première électrode 18, une deuxième électrode 20 et une pluralité d'empilements 22 de jonctions Josephson. Pour la clarté du dessin, seuls deux empilements 22 sont représentés sur la figure 2.

La fréquence et la puissance du signal émis par l'oscillateur local 14 sont ajustables et stabilisées via de faibles courants, tels que des courants de l'ordre du mA, et de faibles tensions, telles que des tensions de l'ordre du mV, appliquées aux première et deuxième électrodes 18, 20.

Les première et deuxième électrodes 18, 20 sont en matériau supraconducteur, de préférence en matériau supraconducteur à haute température, c'est-à-dire en matériau supraconducteur dont la température critique est supérieure à 30 °K. La température critique des première et deuxième électrodes 18, 20 supraconductrices est, par exemple supérieure à 60 °K.

Les première et deuxième électrodes 18, 20 sont réalisées sous forme d'une couche de matériau supraconducteur déposée sur un substrat 24.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, les première et deuxième électrodes

18, 20 sont en un oxyde mixte de cuivre, de calcium, de strontium et de bismuth, également noté BiSrCaCuO, selon la formule CunC ₊ x- En variante, les première et deuxième électrodes 18, 20 sont en un oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium, également noté YBaCuO, selon la formule YBa ₂ Cu ₃ 0 ₇ .

La première électrode 18 est une électrode d'amenée du courant électrique dans les empilements de jonctions Josephson 22, et la deuxième électrode 20 est une électrode d'évacuation du courant depuis les empilements de jonctions Josephson 22 vers l'extérieur de l'oscillateur 14.

Chaque empilement 22 a une première extrémité 26 reliée électriquement à la première électrode 18 et une deuxième extrémité 28 reliée électriquement à la deuxième électrode 20. Chaque empilement 22 s'étend selon une direction verticale Z. Chaque empilement 22 comprend une première pile 30 et une deuxième pile 32 s'étendant selon la direction verticale Z et disposées sensiblement en une même position selon une direction longitudinale X perpendiculaire à la direction verticale Z. Chaque empilement 22 comprend en outre un film conducteur de liaison 34 connecté électriquement entre les première et deuxième piles 30, 32 de chaque empilement 22.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les empilements de jonctions Josephson 22 sont agencés selon la direction longitudinale X, et l'espacement W entre deux empilements 22 selon la direction longitudinale X est différent d'une paire d'empilements 22 successifs à l'autre.

Le substrat 24 est un substrat cristallin, tel qu'un substrat en oxyde de magnésium ou en saphir.

La première extrémité 26 de chaque empilement 22 est venue de matière avec la première électrode 18, et la deuxième extrémité 28 de chaque empilement 22 est venue de matière avec la deuxième électrode 20.

Chaque pile 30, 32 comporte au moins une jonction Josephson 36. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, chaque pile 30, 32 comporte une pluralité de jonctions Josephson 36.

Les deux piles 30, 32 d'un même empilement 22 sont séparées l'une de l'autre, selon une direction transversale Y perpendiculaire aux directions longitudinale X et verticale Z, par une rainure 38.

Le film conducteur de liaison 34 est de préférence en or. En variante, le film conducteur de liaison 34 est en argent, ou en cuivre, ou encore tout autre matériau conducteur.

Chaque jonction Josephson 36 comporte deux couches supraconductrices 40A, 40B, à savoir une couche supraconductrice inférieure 40A et une couche supraconductrice supérieure 40B, et une couche non-supraconductrice 42 disposée entre les deux couches supraconductrices 40A, 40B selon la direction verticale Z.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, la couche supraconductrice supérieure 40B d'une jonction Josephson 36 est venue de matière avec la couche supraconductrice inférieure 40A d'une autre jonction Josephson 36 disposée au-dessus d'elle.

Les couches supraconductrices 40A, 40B d'au moins une jonction Josephson 36 sont réalisées en un matériau supraconducteur à haute température, c'est-à-dire en un matériau supraconducteur présentant une température critique supérieure à 30 °K. Dans le mode de réalisation décrit, les couches supraconductrices 40A, 40B de chaque jonction Josephson 36 sont réalisées en matériau supraconducteur à haute température.

La température critique des couches supraconductrices 40A, 40B est, par exemple, supérieure à 60 °K.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, les couches supraconductrices 40A, 40B sont en un oxyde mixte d'yttrium, de baryum et de cuivre, noté YBaCuO, selon la formule YBa ₂ Cu ₃ 0 ₇ . En variante, les couches supraconductrices 40A, 40B et la couche non-supraconductrice 42 sont en oxyde mixte de bismuth, de strontium, de calcium et de cuivre, noté BiSrCaCuO, selon la formule Bi ₂ Sr ₂ Can ₊ i Cun0 ₂ n ₊ 4- L'oxyde mixte de bismuth, de strontium, de calcium et de cuivre présente des jonctions Josephson intrinsèques.

Les couches supraconductrices 40A, 40B et la couche non-supraconductrice 42 formant chaque jonction Josephson des piles 30, 32 sont disposées de sorte qu'une couche supraconductrice supérieure 40B est agencée au sommet de chaque pile 30, 32. Le film conducteur de liaison 34 est alors connecté électriquement à la couche supraconductrice supérieure 40B de chaque pile 30, 32.

Le procédé de fabrication de l'oscillateur 14 va maintenant être décrit à l'aide de la figure 3.

Le procédé de fabrication débute à l'étape 100 par le dépôt d'une couche 102 de matériau supraconducteur à haute température sur le substrat 24, comme représenté sur la figure 4. La couche de matériau 102 déposée est un empilement successif de couches supraconductrices en oxyde mixte d'yttrium, de baryum et de cuivre (YBaCuO) et de couches non-supraconductrices d'un autre oxyde mixte, tel qu'un oxyde mixte de praséodyme, de baryum et de cuivre, noté PrBaCuO, selon la formule PrBa ₂ Cu ₃ 0 ₇ . En variante, le matériau supraconducteur à haute température de la couche 102 est, par exemple, un oxyde mixte de cuivre, de calcium, de strontium et de bismuth BiSrCaCuO.

Lors du dépôt de la couche de matériau supraconducteur à haute température

102, le substrat cristallin 24 est chauffé à une température de l'ordre de 700 ^, afin de faciliter la croissance de la couche de matériau supraconducteur 102 à partir du substrat 24 jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 400 nm.

Après le dépôt de la couche de matériau supraconducteur à haute température 102, le procédé comprend, lors de l'étape 1 10, une première lithographie optique suivie d'une première attaque de la couche déposée 102 jusqu'au substrat 24 afin de séparer la couche déposée 102 en un premier bloc 1 12 et un deuxième bloc 1 14, comme représenté sur la figure 5. Les premier et deuxième blocs 1 12, 1 14 sont distincts et séparés l'un de l'autre par la rainure 38. La première attaque est effectuée par un bombardement à faisceau d'ions. En d'autres termes, lors de l'étape 1 10, la couche déposée 102 est bombardée par un faisceau d'ions sur toute la largeur de la rainure 38 et jusqu'à atteindre le substrat 24.

La rainure 38 présente selon la direction transversale Y une largeur L nettement inférieure à la longueur d'onde du signal rayonné. La longueur d'onde du signal rayonné par l'oscillateur local 14 est de l'ordre du millimètre, et la rainure 38 présente une largeur par exemple égale à 10 μηι.

Le procédé de fabrication se poursuit lors de l'étape 120, par une deuxième attaque de chacun des deux blocs 1 12, 1 14 distincts afin d'obtenir au moins une pile 30, 32 dans chacun des blocs 1 12, 1 14 distants tout en conservant une épaisseur minimale E _min de matériau supraconducteur, comme représenté sur la figure 6. L'épaisseur minimale E _min présente une valeur comprise entre 30 nm et 100 nm, de préférence égale à 80 nm.

Chaque pile 30, 32 ainsi formée présente une hauteur selon la direction verticale Z de l'ordre de 400 nm.

L'épaisseur minimale E _min de matériau supraconducteur conservée du premier bloc 1 12 forme la première électrode 18 reliée à la ou chaque première pile 30 obtenue à partir du premier bloc 1 12. L'épaisseur minimale E _min de matériau supraconducteur conservée du deuxième bloc 1 14 forme la deuxième électrode 20 reliée à la ou les deuxièmes piles 32 obtenues à partir du deuxième bloc 1 14. Les piles 30, 32 sont en forme de parallépipède rectangle s'étendant selon la direction verticale Z et sont également appelées mésas. Chaque mésa 30, 32 présente suivant un plan parallèle aux directions longitudinales X et transversales Y une section en forme de carré, dont le côté est par exemple égal à 50 μηι.

La deuxième attaque 120 est effectuée par lithographie et bombardement par faisceau d'ions. Autrement dit, chaque bloc 1 12, 1 14 est, à l'exception des zones correspondant aux piles 30, 32, bombardé d'ions pour éliminer le matériau supraconducteur de chaque bloc afin de ne conserver que l'épaisseur minimale Emin de matériau supraconducteur au pied des piles 30, 32 qui n'ont pas été bombardées.

Chaque pile 30, 32 comporte une pluralité de jonctions Josephson 36 empilées l'une au-dessus de l'autre. En effet, l'oxyde mixte d'yttrium, de baryum et de cuivre YBaCuO étant un matériau à comportement tridimensionnel, un empilement alterné de couches supraconductrices en YBaCuO et de couches non-supraconductrices en oxyde mixte de praséodyme, de baryum et de cuivre PrBaCuO réalisé lors de l'étape 100 produit cette pluralité de jonctions Josephson 36 empilées.

En variante, l'oxyde mixte de cuivre, de calcium, de strontium et de bismuth BiSrCaCuO est un matériau à comportement bidimensionnel, et comporte naturellement un empilement alterné de couches supraconductrices et non-supraconductrices.

En complément, la deuxième attaque 120 est effectuée de manière à ce que les premières piles 30, d'une part, et les deuxièmes piles 32, d'autre part, soient respectivement alignées selon la direction longitudinale X. L'espacement W entre deux premières piles 30, respectivement entre deux deuxièmes piles 32, selon la direction longitudinale X est en outre différent d'une paire de premières piles 30 successives à l'autre, respectivement d'une paire de deuxièmes piles 32 successives à l'autre. Les premières piles 30 et les deuxièmes piles 32 sont disposées de part et d'autre de la rainure 38, chaque première pile 30 étant en regard d'une deuxième pile 32 correspondante.

En complément, après l'étape de formation des piles 30, 32 via la deuxième attaque 120, un matériau isolant 122 est déposé lors de l'étape 130 entre les piles 30, 32, comme représenté sur la figure 7. Le matériel isolant 122 est déposé jusqu'à dépasser la hauteur du sommet des piles 30, 32 selon la direction verticale Z. Une étape de lithographie optique et de gravure par ion réactif RIE (de l'anglais Reactive Ion Etching) permet d'ouvrir un trou dans le matériau isolant 122 jusqu'au piles 30,32.

Le procédé de fabrication comporte enfin une étape 140 de connexion électrique des piles 30, 32 par paire, à l'aide du film conducteur de liaison 34, comme représenté sur la figure 2. Les deux piles 30, 32 d'une paire correspondante sont disposées de part et d'autre de la rainure 38 et connectées électriquement via le film conducteur 34 déposé au sommet des piles 30, 32 de la paire. Autrement dit, chaque première pile 30 est connectée électriquement à la deuxième pile 32 disposée en regard d'elle selon la direction transversale Y par l'intermédiaire d'un film conducteur de liaison 34 respectif.

Chaque paire de piles 30, 32 connectée électriquement forme alors un empilement de jonctions Josephson 22, l'empilement 22 ayant sa première extrémité 26 reliée électriquement à la première électrode 18 et sa deuxième extrémité 28 reliée électriquement à la deuxième électrode 20, comme représenté sur la figure 2.

Lors du fonctionnement de l'oscillateur 14, le courant arrive par la première électrode 18 (flèche 11 ), puis circule à travers la première pile 30 de chaque empilement de jonctions Josephson 22 (flèche 12). Le courant électrique passe alors dans chaque film conducteur de liaison 34 (flèche 13), puis circule à travers les deuxièmes piles 32 de chaque empilement 22 (flèche 14) pour sortir de l'oscillateur 14 via la deuxième électrode 20 (flèche 15). Lorsqu'elles sont parcourues par le courant électrique, les jonctions Josephson 36 de chaque empilement 22 émettent des ondes électromagnétiques qui sont alors mélangées par le mélangeur 12 avec le signal reçu par le détecteur hétérodyne 10 depuis l'extérieur du détecteur.

Le procédé de fabrication selon l'invention permet ainsi d'obtenir un oscillateur 14 comprenant une pluralité d'empilements 22 de jonctions Josephson connectés électriquement entre deux électrodes supraconductrices à haute température 18, 20, les couches supraconductrices 40A, 40B de chaque jonction Josephson étant réalisées en un matériau supraconducteur à haute température, c'est-à-dire présentant une température critique supérieure à 30 °K. Le matériau supraconducteur des couches supraconductrices 40A, 40B de chaque jonction Josephson présente une température critique de préférence supérieure à 60 °K, et est, par exemple, un oxyde mixte de cuivre, de calcium, de strontium et de bismuth BiSrCaCuO, ou encore un oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium YBaCuO.

L'oscillateur 14 selon l'invention requiert donc un refroidissement à une température supérieure à 30 °K, de préférence supérieure à 60 °K, qui est bien plus faible qu'avec l'oscillateur de l'état de la technique qui requiert un refroidissement à une température de l'ordre de 9 °K. L'oscillateur 14 selon l'invention permet donc de limiter la consommation d'énergie et nécessite en outre un dispositif de cryogénie d'encombrement plus réduit que pour l'oscillateur de l'état de la technique.

L'espacement W de valeur variable d'une paire d'empilements 22 successifs à l'autre, permet d'obtenir une meilleure adaptation d'impédance afin de délivrer une puissance plus élevée en sortie de l'oscillateur.

L'espacement W de valeur variable permet l'existence dans l'oscillateur local 14 d'un mode particulier de génération du rayonnement microonde, appelé « mode de fluxons », continûment accordable en mode opératoire sur une vaste plage de fréquences, telle que pour des fréquences comprises entre 300 GHz et 3 THz. Les courants alternatifs dus à l'effet Josephson dans les deux piles adjacentes 30 et 32 d'un même empilement 22 se synchroniseront en phase du fait de la faible largeur L de la rainure 38.

L'ajout du matériau isolant 122 entre les piles 30, 32 d'un même empilement 22 permet de soutenir le film conducteur de liaison 34 déposé au sommet des piles 30, 32 correspondantes.

On conçoit ainsi que l'oscillateur 14 selon l'invention permet de limiter la consommation d'énergie tout en nécessitant un dispositif de cryogénie de taille réduite.

L'homme du métier comprendra qu'on entend par film conducteur de liaison 34 un film métallique de liaison. Le film métallique de liaison 34 est, par exemple, un film en or, ou en argent ou encore en cuivre.