EP1891677A2 - Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle utilisant un guide d'onde, et procedes de fabrication de ce detecteur - Google Patents

Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle utilisant un guide d'onde, et procedes de fabrication de ce detecteur

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EP1891677A2
EP1891677A2 EP06778916A EP06778916A EP1891677A2 EP 1891677 A2 EP1891677 A2 EP 1891677A2 EP 06778916 A EP06778916 A EP 06778916A EP 06778916 A EP06778916 A EP 06778916A EP 1891677 A2 EP1891677 A2 EP 1891677A2
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EP
European Patent Office
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detector
layer
light
substrate
detection element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06778916A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Frey
Jean-Claude Villegier
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Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1891677A2 publication Critical patent/EP1891677A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0204—Compact construction
    • G01J1/0209—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1223—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths high refractive index type, i.e. high-contrast waveguides
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasensitive optical detector, with a high temporal resolution, and in particular a superconducting single photon detector, more simply called SSPD, this detector using a waveguide, as well as of manufacturing such a detector.
  • SSPD superconducting single photon detector
  • the invention also applies to coding and detecting the key of the quantum code in a cryptographic system. It also applies to the manufacture of detector arrays for very high sensitivity imaging, as well as to photon or correlated photon tomography. STATE OF THE PRIOR ART
  • Emerging techniques such as quantum computation and cryptography, astronomy, microelectronics integrated circuit failure testing, photonic detection medical imaging (SPEC, PET, TEMP) or the detection of biological objects require radiation detectors, particularly in the visible range or the infra-red near-field, which are very fast, have very low jitter, have very little noise and are extremely sensitive: they must be able to to detect very weak flows, even a single photon.
  • SPEC photonic detection medical imaging
  • PET photonic detection medical imaging
  • TEMP photonic detection medical imaging
  • SSPDs have potentially all the qualities mentioned above and are good candidates to replace current avalanche photodiodes and photomultiplier tubes, whose performance is limited, particularly in the infrared domain.
  • SSPDs exist in the form of STJs, ie superconducting tunnel junctions, and in the form of bolometers, among which are the ultrafast bolometers called HEBs, namely electron bolometers. hot (in English, hot electron bolometers).
  • HEBs use ultra-thin superconducting films whose thickness is less than 10 nm to obtain very short characteristic times of the order of 10 ps (see [FR 2 812 455]).
  • the preferred material is niobium nitride (NbN) in cubic phase B1.
  • the NbN film is epitaxially grown on a substrate which is typically sapphire and whose orientation is 1102 (R plane); and after structuring, this film forms meanders whose width goes from 100 nm to 200 nm, the film thus forming a coil in the active part of the detector (see [Villler 04]).
  • Detection efficiency or the conversion efficiency of the photon into an electrical signal, is a key parameter that must be optimized and that would be worth 100% for an ideal detector. It depends on the filling rate (coverage rate of the incident beam and the active area of the detector), the optical absorption in the NbN layer and the hot spot capacity, which is formed as a result of the absorption of the photon, to create a transient resistive barrier across the width of the superconducting track.
  • the serpentine structure was designed to increase the filling ratio with respect to a simple NbN straight track, deposited on a sapphire substrate and illuminated under normal incidence.
  • the interval between two Parallel and adjacent portions of the superconducting track is as small as the width of this superconducting track, and the fill rate is about 50%. It can hardly exceed this value because of the current technological limitations associated with the electronic lithography that is used to form the serpentine structure.
  • the optical absorption by NbN is of the order of 30% for a thickness of 4 nm.
  • the only way to increase it would be to increase the thickness of the NbN layer, but the ratio between the hot spot section and the superconducting belt section would decrease, since the width of this track is limited to higher values. at about 100 nm by the electron beam that is used to form the track. This condition would cause a collapse in overall efficiency (see [Korneev 03]).
  • the detection efficiency can not exceed about 15% with this architecture. It reaches 5% to 7% at the wavelengths used for telecommunications in the latest generation of detectors (see [Korneev 04]).
  • the light which has passed through the NbN without having been absorbed is then returned to the NbN by a concave mirror (see [FR 2 812 455]) or by a plane mirror (see [Le Coupanec 03]).
  • the NbN film is optionally covered with an anti-reflection layer to eliminate the reflection losses of the incident wave.
  • the expected detection efficiency is
  • the length of NbN needed to absorb the light is typically a few tens of microns (the calculations being made in one dimension, for planar guides).
  • the present invention aims to solve the problem of the design of an ultrasensitive optical detector, with high temporal resolution, in particular of an SSPD type detector having a very good efficiency and, more specifically, of the design. such detectors operating with a waveguide.
  • the structure proposed in the present invention makes it possible to considerably improve the detection efficiency compared with the best performance achieved so far.
  • this structure uses, for this purpose, a highly confined waveguide, which is superimposed on a superconducting track of reduced length, this track absorbing almost all the injected light.
  • the longitudinal coupling geometry makes it possible to improve the detection efficiency, compared with known devices, and to absorb the energy without specifically using a hot spot, by generating a PSC, that is, ie a phase slip center, or by generating a Josephson vortex, according to the detection structure considered, which allows a greater width for the superconducting track and therefore allows to relax manufacturing constraints.
  • a reduced length superconducting track provides a more uniform temperature and critical current which, on the one hand, also improves efficiency and on the other hand reduces noise and jitter by reducing electronic fluctuations. classical and quantum.
  • the manufacture of the structure is compatible with integrated optics technology sectors that are well controlled today, which opens the way to new applications of such ultra-sensitive and ultra-fast detectors, for example in spectrometry, in interferometry or imaging.
  • the subject of the present invention is an optical detector, intended to detect at least one photon, this detector comprising a dielectric substrate and, on this substrate, at least one detection element, which is designed to generate an electrical signal at from the energy of the photon or photons received, and a guide element, intended to guide the photon or these photons whose energy is then absorbed by the detection element at an absorption zone, this detector being characterized in that the sensing element is substantially rectilinear on the dielectric substrate and has a reduced length, in that the guide element comprises a high confinement light guide disposed on the sensing element, the light waveguide is monomode and the absorption zone is thin and has a thickness of less than 100 nm.
  • monomode monomode vertically and horizontally. It should be noted that the waveguide referred to in [Jackson 03] is monomode only vertically: it is multimode horizontally, which implies the use, for the detection zone, of a coil of great length, forming meanders.
  • the detection element comprises a monolayer of a material which is chosen from bolometric materials and superconducting materials.
  • the detection element comprises a superconducting multilayer forming a tunnel junction and / or a Josephson junction.
  • the difference between the optical index of the light waveguide and the optical index of the substrate is preferably at least equal to 1.
  • the length of the detection element is preferably less than or equal to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the detection element at the level of the photon absorption zone is less than 10 nm.
  • the detector further comprises a tapered optical guide (in English, optical taper) which is optically coupled to the light waveguide, and a monomode optical fiber, intended to inject the one or more photons in the light waveguide via the tapered optical guide.
  • the detection element comprises a superconducting nitride phase.
  • This phase is preferably niobium nitride.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing the detector according to the invention, in which the detection element is formed on a first substrate, the light waveguide is formed in a light waveguiding layer, and the hybridization layer is light waveguiding on the first substrate, carrying the sensing element, the steps of forming the light waveguide and hybridization reporting being performed so that the sensing element is between the substrate and the guide light wave.
  • the step of forming the light waveguide is carried out before the hybridization transfer step.
  • the step of forming the light waveguide is performed after the hybridization transfer step.
  • the present invention furthermore relates to another method of manufacturing the detector according to the invention, in which a layer of detector material is formed on a first substrate, a light waveguiding layer having a high refractive index is formed. on the layer of detector material and the light waveguiding layer and the detector material layer are etched by means of the same lithography mask, respectively to form the light waveguide and the light source element. detection.
  • the present invention also relates to another method of manufacturing the detector according to the invention, in which a layer of detector material is formed on a first substrate, forming a light waveguiding layer having a high refractive index, on the layer of detector material, the waveguiding layer is etched light to form the light waveguide and etching the layer of detector material, using as mask the light waveguide layer which has been etched, to form the detection element.
  • the light waveguiding layer is deposited on the layer of detector material.
  • the light waveguiding layer is transferred to the layer of detector material.
  • the light waveguiding layer is formed on a second substrate, this light waveguiding layer is hybridized on the layer of detector material, the second substrate and then etching the light waveguiding layer.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a particular embodiment of the SSPD type detector, object of the invention
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates a method of manufacturing the detector of FIG. 1
  • FIG. 3 diagrammatically illustrates another method of manufacturing this detector before etching the superconducting layer
  • FIGS. 4 and 5 are respectively section AA and section BB of FIG. 3 after etching of the superconducting layer.
  • the detector of FIG. 1 comprises a dielectric substrate 2, a superconducting track 4, which is for example made of NbN and which is formed on this substrate, and a highly confined light waveguide 6, which is formed on this track 4 .
  • cryostat in which the substrate is placed, neither the control means of the detector nor the means for processing the electrical signals provided by the latter are shown.
  • this guide 6 Under this guide 6 is a thin superconducting layer which has been etched in a straight line to form the track 4.
  • the thickness of this layer is typically 4 nm.
  • the injection of light that propagates in the fiber 8 can be done with a very good coupling rate (greater than 90%) if a lenticular fiber is used, associated with a tapered guide (in English, typing) lateral inverted 10 (see documents [Shani 89], and [Mcnab 03]).
  • this tapered guide 10 can be optimized to operate with a given rectilinear polarization of the light, or independently of the polarization but with more constraints on the technology.
  • the waveguide 6 is not only highly confining, but also monomode vertically and horizontally, to increase the light energy density and therefore the probability of absorption over a short distance from the superconducting track 4.
  • the materials and the geometry are chosen so that the length of the track 4 is much smaller than that of the unrolled coil, which is 150 to 200 ⁇ m: a track length of less than or equal to 100 ⁇ m is chosen.
  • the longitudinal coupling between the guided light wave and the superconducting fluid, close to the transition, generates a PSC or phase-slip center, in the case of a bridge, or a vortex Josephson ", in the case of a Josephson junction.
  • the generation of a PSC does not necessarily assume the existence of an initial hot spot, which allows a greater width (300 nm to 1 ⁇ m or more) for the superconducting track 4.
  • the absorption of the photon energy is done over a short and definite longitudinal distance of the superconducting track, and the realization of the structure, which is less narrow, is facilitated.
  • the voltage pulse generated by a PSC (or by a "Josephson vortex" in the case of a Josephson junction) is quite independent of the position of the PSC on the track 4 and reproducible with respect to its amplitude and its temporal width, because it depends little on the local irregularities of the superconducting track 4.
  • the detection of the light energy, which is brought by the waveguide 6 into the superconducting track 4, can be done: according to the principle of hot threshold electron bolometers, which use a subcritical current bias (see
  • the range of wavelengths that can be envisaged for the detector corresponds to the intersection of the absorption spectrum of the superconducting material, of which the track 4 is made, and of the monomode operating zone of the waveguide 6 This range is therefore very wide and can be modulated according to the intended application (in the visible range or the ultraviolet range or the infrared range).
  • a first method of manufacturing the detector is described below with reference to FIG. 2 which corresponds to section AA of FIG. 1, except that the scales are not respected.
  • an SOI substrate comprising guiding structures
  • a sapphire or MgO substrate which is covered by structures etched in a superconducting layer.
  • This report consists of a collective hybridization and takes place by molecular bonding.
  • the SOI substrate comprises N guiding structures, each comprising a light waveguide coupled to a tapered guide whereas the sapphire or MgO substrate comprises N corresponding etched structures (tracks).
  • silicon waveguide arrays 6 are formed, which are organized into chips in an SOI substrate 16, or silicon on insulator substrate (silicon on insulator) and which are encapsulated in a silica layer 18, with the necessary optical connections and a good surface condition: the guides are flush or an additional silica layer having a thickness of 5 nm to 10 nm is deposited for better bonding adhesion.
  • the thickness of the silicon guides 6 is less than 300 nm and their width is less than
  • positioning patterns 20 are formed in the same silicon layer as the guides 6.
  • deep windows 22 are buried by deep etching in the SOI substrate 16, up to silica 24 of this SOI substrate, in particular at the contacts 7 and positioning patterns 20, leaving thick "beams" 26 of silicon on the rear face of the substrate
  • the silicon layer forms a frame constituted by the set of beams, this frame being in one piece and rigid enough to ensure a homogeneous alignment on the surface of the substrate 2.
  • the bonding is then carried out at a suitable temperature (which is for example between ambient temperature - typically 20 ° C. - and 50 ° C.), of the layer 14 to the layer 18, thereby forming an interface 28 between these layers, then possibly a rapid annealing at a few hundred degrees Celsius above this adapted temperature, this bonding and this possible annealing being performed after aligning the SOI substrate 16 and the sapphire substrate 7 according to the positioning patterns, in the visible range, through the silica.
  • the lateral alignment accuracy is then about ⁇ 0.5 ⁇ m, which is sufficient for structures having widths of this order of magnitude.
  • the rear face of the silicon is uniformly planed so that the stresses after gluing, during the thermal excursion towards the operating temperature of the detectors (4K), are imposed by the sapphire which is thicker (typical thickness: 400 ⁇ m).
  • an individual hybridization of pre-cut SOI chips is carried out on a solid sapphire or MgO plate substrate, bearing the structures engraved in NbN. This results in the advantage of having less differential expansion stresses after bonding.
  • the refractive index of the silicon guide (3,5) is greater than the refractive index of the substrate, which is 1.75 or 1.8 to 1, 55 ⁇ m.
  • the light injected into the guide is absorbed at 99% after 30 ⁇ m of propagation, for a SOI guide of 300 nm ⁇ 300 nm and a NbN track of 4 nm ⁇ 300 nm, separated from the guide by a thickness of
  • SiO 2 of 20 nm Another variant of this first method consists in sticking on the substrate, comprising the structures of etched detectors (obtained in step 1.), no longer networks (in English, arrays) of waveguides already etched but a layer unstructured of a material having a high refractive index: for example, a very thin sheet of silicon, which is pre-bonded to a support, or the thin layer of an SOI substrate, is used. Then the support is peeled off or the SOI substrate is etched or planed to the thin layer of silicon.
  • FIG. 3 is a schematic top view of the fabricated structure, prior to etching of the superconducting layer 32.
  • a high-index layer for example amorphous silicon, whose refractive index is for example 3 to 1.55 ⁇ m, is physically or chemically deposited (this index can vary between 3 and 3 , Depending on the deposition parameters used), on a superconducting layer 32 which is for example made of NbN and which has previously been deposited on a dielectric substrate 34.
  • a superconducting layer 32 which is for example made of NbN and which has previously been deposited on a dielectric substrate 34.
  • the layer of high refractive index not be filed but transferred to the layer of detector material by gluing and thinning.
  • the amorphous silicon layer and the NbN layer are etched, using the same lithography mask, to form an amorphous silicon guide and a NbN track which are superimposed, in the zone provided for the detection ( typical section with single mode operation: 400 nm x 400 nm).
  • This engraving with the same mask lithography makes it possible to avoid the difficulties of alignment of the very narrow structures that one forms.
  • the materials allow it, to etch the layer forming the waveguides and to use the etched layer obtained as a mask for etching the layer of detector material (NbN for example).
  • the NbN track is formed to widen and is covered by a dielectric material 36, for example MgO, which forms a barrier layer during simultaneous etching.
  • the larger NbN areas are connected to the gold contacts (not shown).
  • FIG. 4 corresponds to section AA (respectively BB) of FIG. 3, after etching, except that the scales are not respected.
  • the refractive index of the amorphous silicon is greater than the refractive index of the substrate, which is 1.75 to 1.8 to 1.55 ⁇ m.
  • the mode is less confined than in the case of the SOI, which relaxes the constraints at the level of the injection.
  • the absorption distance is of the order of 25 ⁇ m for a 99% absorption for an amorphous silicon guide of 400 nm ⁇ 400 nm section.
  • the injection of light can still be done by means of a lenticular fiber and an inverted tapered guide.
  • Other materials can be used to form the waveguide. They are prepared in the form of layers, by deposition on NbN of cubic structure, with the possibility of using a buffer layer, for example MgO, CeO 2 or SrTiO 3 , to improve the texture of the deposited layers which are example polycrystalline silicon or epitaxial, or LiNbO 3 , or BaTiO 3 , or SiC.
  • a detector according to the invention is not limited to the detection of a single photon: such a detector makes it possible to simultaneously detect several tens, or even several hundreds of photons, according to the reading electronics used.
  • NbN thicknesses than those given in the examples can be used.
  • other superconductors than NbN are usable, for example other superconducting nitride phases or high temperature superconducting cuprate phases.
  • MoN, TaN, TiN, VN, MgB 2 can be mentioned.
  • any material capable of detecting a low light energy and of restoring an electrical signal corresponding to this energy for example a bolometric material or a semiconductor material.
  • This material may be in the form of a monolayer or be used in a stack constituting a tunnel junction and / or Josephson, this stack being for example of the NbN / MgO / NbN or manganite / barrier layer / manganite type, or alternatively ferromagnetic metal / barrier layer / ferromagnetic metal or metal (ferromagnetic or non-ferromagnetic) / barrier layer / superconducting layer (see [Fratila 05]).
  • the absorption zone, at which the energy of the photon or photons is absorbed by the detection element that comprises a detector according to the invention is thin: its thickness is less than 100 nm.
  • the thickness of this absorption zone is less than 50 nm; it can even be less than 10 nm, or even 5 nm.
  • the guide element which comprises a detector according to the invention, guides the light wave in the same mode at least along the length of the detection zone.
  • the luminous spatial profile is preserved during the propagation as in any waveguide.
  • LeCoupanec 03 LeCoupanec, W. K. Lo, K. R.

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Abstract

Détecteur optique ultrasensible, à grande résolution temporelle, utilisant un guide d'onde, et procédés de fabrication de ce détecteur. Ce détecteur, destiné à détecter au moins un photon, comprend un substrat diélectrique (2) et, sur ce substrat, au moins un élément de détection pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, et un élément de guidage pour guider ce ou ces photons dont l'énergie est alors absorbée par l'élément de détection (4) au niveau d'une zone d'absorption dont l'épaisseur est inférieure à 100 nm. L'élément de détection est sensiblement rectiligne sur le substrat et a une longueur réduite, et l'élément de guidage comprend un guide d'onde lumineuse monomode à fort confinement (6) , placé sur l'élément de détection. L'invention s'applique notamment à la détection et à la localisation des défauts de fonctionnement d'un circuit intégré semiconducteur.

Description

DETECTEUR OPTIQUE ULTRASENSIBLE, A GRANDE RESOLUTION
TEMPORELLE, UTILISANT UN GUIDE D'ONDE, ET PROCEDES DE
FABRICATION DE CE DETECTEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un détecteur optique ultrasensible, à grande résolution temporelle, et notamment un détecteur supraconducteur de photon unique (en anglais, superconducting single photon detector) , plus simplement appelé SSPD, ce détecteur utilisant un guide d'onde, ainsi que des procédés de fabrication d'un tel détecteur.
Elle s'applique notamment à la détection et à la localisation des défauts de fonctionnement d'un circuit intégré semi-conducteur, par détection de l'émission de photons spécifiques par des transistors défaillants.
Elle s'applique aussi aux circuits de réception et de routage pour les télécommunications à très haut débit, en particulier à ceux qui sont destinés aux satellites de télécommunication, à cause de la très faible dissipation thermique du détecteur objet de l'invention.
L'invention s'applique en outre au codage et à la détection de la clé du code quantique dans un système de cryptographie . Elle s'applique également à la fabrication de matrices de détecteurs pour l'imagerie de très haute sensibilité, ainsi qu'à la tomographie à un photon ou à photons corrélés . ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Des techniques émergentes telles que le calcul et la cryptographie quantique, l'astronomie, le test de défaillance de circuits intégrés en micro- électronique, l'imagerie médicale à détection photonique (SPEC, TEP, TEMP) ou la détection d'objets biologiques nécessitent des détecteurs de rayonnements, en particulier dans le domaine visible ou le domaine proche infra-rouge, qui soient très rapides, aient une gigue (en anglais, jitter) très faible, fassent très peu de bruit et soient extrêmement sensibles : ils doivent être capables de détecter de très faibles flux, voire un photon unique.
A ce sujet, on se reportera au document [Verevkin 03] ou au document [Romestain 04] qui, comme les autres documents cités par la suite, sont mentionnés à la fin de la présente description.
Les SSPD ont potentiellement toutes les qualités mentionnées ci-dessus et sont de bons candidats pour remplacer les photodiodes à avalanche et les tubes photomultiplicateurs actuels, dont les performances sont limitées, particulièrement dans le domaine infrarouge.
Les SSPD existent sous forme de STJ, c'est- à-dire de jonctions tunnel supraconductrices (en anglais, superconducting tunnel junetions) , et sous forme de bolomètres, parmi lesquels on trouve les bolomètres ultrarapides appelés HEB, à savoir les bolomètres à électrons chauds (en anglais, hot électron bolometers) . Les HEB utilisent des films supraconducteurs ultra-minces, dont l'épaisseur vaut moins de 10 nm, pour obtenir des temps caractéristiques très courts, de l'ordre de 10 ps (voir [FR 2 812 455]). Pour ces films, le matériau de prédilection est le nitrure de niobium (NbN) en phase cubique Bl .
Dans ces HEB, le film de NbN est épitaxié sur un substrat qui est typiquement en saphir et dont l'orientation est 1102 (plan R) ; et après structuration, ce film forme des méandres dont la largeur va de 100 nm à 200 nm, le film formant ainsi un serpentin dans la partie active du détecteur (voir [Villégier 04] ) .
La fabrication, le fonctionnement et la caractérisation de ces détecteurs SSPD sont décrits par exemple dans [Goltsman 03] ou [Korneev 03]. L'efficacité de détection, ou efficacité de conversion du photon en un signal électrique, est un paramètre-clé qu'il faut optimiser et qui vaudrait 100% pour un détecteur idéal. II dépend du taux de remplissage (taux de recouvrement du faisceau incident et de la zone active du détecteur), de l'absorption optique dans la couche de NbN et de la capacité du point chaud (en anglais, hot spot), qui est formé par suite de l'absorption du photon, à créer une barrière résistive transitoire sur toute la largeur de la piste supraconductrice .
La structure en serpentin a été imaginée pour augmenter le taux de remplissage par rapport à une simple piste droite de NbN, déposée sur un substrat de saphir et éclairée sous une incidence normale. Dans les dernières réalisations, l'intervalle entre deux portions parallèles et adjacentes de la piste supraconductrice est aussi petit que la largeur de cette piste supraconductrice, et le taux de remplissage vaut environ 50%. Il ne peut guère dépasser cette valeur du fait des limitations technologiques actuelles, associées à la lithographie électronique qui est utilisée pour former la structure en serpentin.
On peut envisager de meilleurs taux de recouvrement avec d'autres techniques, mais une structure dont les méandres sont trop rapprochés favorise la diaphonie (en anglais, cross-talk) et nécessite une longueur accrue de matériau supraconducteur .
L'absorption optique par le NbN est de l'ordre de 30% pour une épaisseur de 4 nm. La seule façon de l'augmenter serait d'augmenter l'épaisseur de la couche de NbN, mais le rapport entre la section du point chaud et la section de la bande supraconductrice diminuerait, puisque la largeur de cette piste est limitée à des valeurs supérieures à environ 100 nm par le faisceau d'électrons qui est utilisé pour former la piste. Cette condition provoquerait un effondrement de l'efficacité globale (voir [Korneev 03]).
L'efficacité de détection ne peut donc excéder environ 15% avec cette architecture. Elle atteint 5% à 7% aux longueurs d'onde utilisées pour les télécommunications dans la dernière génération de détecteurs (voir [Korneev 04]) .
Il serait probablement difficile de faire beaucoup mieux, à cause des irrégularités de largeur de la piste de NbN et de la grande longueur de cette piste (150 μm à 200 μm lorsque cette piste est déroulée) , qui engendrent des fluctuations électroniques classiques ou quantiques .
Plusieurs approches ont été proposées pour augmenter le couplage de la lumière dans la région absorbante du détecteur.
On a par exemple proposé d'utiliser un miroir et une éventuelle couche anti-reflet. La lumière qui a traversé le NbN sans avoir été absorbée est alors renvoyée sur le NbN par un miroir concave (voir [FR 2 812 455]) ou par un miroir plan (voir [Le Coupanec 03]) . Le film de NbN est éventuellement recouvert d'une couche anti-reflet pour éliminer les , pertes par réflexion de l'onde incidente. L'efficacité de détection attendue est de
40% mais elle est de toute façon limitée par le taux de remplissage (50%) qui est inhérent à toute conception de film que l'on attaque sous incidence normale.
On a également proposé d'utiliser un couplage par guide d'onde (voir [Jackson 03]) . Selon cette approche, la lumière issue d'une fibre optique monomode est injectée par un élément d'optique diffractive dans un guide d'onde plan multimode en silicium. Le serpentin de NbN, qui est déposé pardessus ce guide de silicium, absorbe l'onde évanescente qui se propage à la surface du guide, et le photon, que l'on vient détecter, est susceptible d'être absorbé par un trait des méandres formés par le serpentin, à chaque passage de l'onde évanescente. La probabilité d'absorption par le NbN est en principe de 100% si les méandres sont suffisamment nombreux.
On pourra également se reporter au document [Yang 04] gui étudie l'absorption d'une couche de NbN, placée dans un empilement comprenant un substrat et une couche de guidage qui est formée sur ce substrat et sert de guide d'onde. La couche de NbN peut être formée sur cette couche servant de guide d'onde ou entre cette dernière et le substrat. Une onde lumineuse se propage dans l'empilement par l'intermédiaire de la couche de guidage .
En supposant que cette dernière soit une couche de saphir d'épaisseur appropriée, la longueur de NbN nécessaire pour absorber la lumière est typiquement de quelques dizaines de micromètres (les calculs étant faits en une dimension, pour des guides plans) .
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre le problème de la conception d'un détecteur optique ultrasensible, à grande résolution temporelle, en particulier d'un détecteur de type SSPD ayant une très bonne efficacité et, plus spécifiquement, de la conception de tels détecteurs fonctionnant avec un guide d'onde.
Les architectures de l'art antérieur ne permettent pas de résoudre ce problème ou, du moins, permettent seulement de le résoudre partiellement. En effet, la faisabilité de la structure comportant un serpentin de NbN sur un guide de type SOI, structure qui est proposée dans le document [Jackson 03], n'est pas clairement démontrée du point de vue technologique : la croissance épitaxiale de NbN sur Si nécessite des traitements de surface délicats du Si et l'étude du dépôt de couches épitaxiales d'interface.
Et, dans l'étude qui est faite dans le document [Yang 04], ni la structuration du guide et du NbN dans le plan des couches, ni la réalisation pratique de la structure considérée ne sont envisagées : on ne donne aucune solution technologique incluant le choix des matériaux, le procédé de fabrication et les modalités d'injection de lumière dans la structure.
La structure proposée dans la présente invention permet d'améliorer considérablement l'efficacité de détection par rapport aux meilleures performances atteintes jusqu'à présent.
Selon un mode de réalisation préféré, cette structure utilise, pour ce faire, un guide d'onde à fort confinement, qui est superposé à une piste supraconductrice de longueur réduite, cette piste absorbant quasiment toute la lumière injectée.
La faisabilité de l'architecture de cette structure est démontrée et décrite, dans la suite, en termes de choix de matériaux et de conditions de procédé.
Deux solutions technologiques sont proposées pour la réalisation d'une telle structure :
- report, par hybridation (collage) , d'un substrat portant le guide sur un autre substrat portant une couche supraconductrice que l'on a gravée pour former la piste supraconductrice, ou
- dépôt d'une couche ayant un indice de réfraction élevé sur la couche supraconductrice puis gravure des deux couches .
Des avantages de cette structure sont donnés ci-après.
Premièrement, la géométrie de couplage longitudinal permet d'améliorer l'efficacité de détection, par rapport aux dispositifs connus, et d'absorber l'énergie sans faire spécifiquement appel à un point chaud, par génération d'un PSC, c'est-à-dire d'un centre de glissement de phase (en anglais, phase slip center) , ou par génération d'un vortex Josephson, selon la structure de détection considérée, ce qui autorise une plus grande largeur pour la piste supraconductrice et permet donc de relâcher les contraintes de fabrication.
Deuxièmement, une piste supraconductrice de longueur réduite assure une température et un courant critique plus uniformes, ce qui d'une part contribue aussi à améliorer l'efficacité et, d'autre part, réduit le bruit et la gigue, en réduisant les fluctuations électroniques classiques et quantiques. Troisièmement, la fabrication de la structure est compatible avec des filières technologiques d'optique intégrée qui sont bien maîtrisées aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications de tels détecteurs ultra- sensibles et ultra-rapides, par exemple en spectrométrie, en interférométrie ou en imagerie. De façon précise, la présente invention a pour objet un détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon, ce détecteur comprenant un substrat diélectrique et, sur ce substrat, au moins un élément de détection, qui est prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, et un élément de guidage, prévu pour guider ce ou ces photons dont l'énergie est alors absorbée par l'élément de détection au niveau d'une zone d'absorption, ce détecteur étant caractérisé en ce que l'élément de détection est sensiblement rectiligne sur le substrat diélectrique et a une longueur réduite, en ce que l'élément de guidage comprend un guide d'one lumineuse à fort confinement, placé sur l'élément de détection, en ce que le guide d'onde lumineuse est monomode et en ce que la zone d'absorption est mince et a une épaisseur inférieure à 100 nm.
Par « monomode » , on entend monomode verticalement et horizontalement. II convient de noter que le guide d'onde dont il est question dans le document [Jackson 03] n'est monomode que verticalement : il est multimode horizontalement, ce qui implique l'utilisation, pour la zone de détection, d'un serpentin de grande longueur, formant des méandres.
Selon un premier mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention, l'élément de détection comprend une monocouche d'un matériau qui est choisi parmi les matériaux bolométriques et les matériaux supraconducteurs. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, l'élément de détection comprend une multicouche supraconductrice formant une jonction tunnel et/ou une jonction Josephson. La différence entre l'indice optique du guide d'onde lumineuse et l'indice optique du substrat est de préférence au moins égale à 1.
En outre, la longueur de l'élément de détection est de préférence inférieure ou égale à 100 μm.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'épaisseur de l'élément de détection, au niveau de la zone d'absorption des photons, est inférieure à 10 nm. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le détecteur comprend en outre un guide optique effilé (en anglais, optical taper) qui est optiquement couplé au guide d'onde lumineuse, et une fibre optique monomode, prévue pour injecter le ou les photons dans le guide d'onde lumineuse par l'intermédiaire du guide optique effilé.
De préférence, l'élément de détection comprend une phase de nitrure supraconductrice .
Cette phase est de préférence du nitrure de niobium.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du détecteur objet de l'invention, dans lequel on forme l'élément de détection sur un premier substrat, on forme le guide d'onde lumineuse dans une couche de guidage d'onde lumineuse, et l'on reporte par hybridation la couche de guidage d'onde lumineuse sur le premier substrat, portant l'élément de détection, les étapes de formation du guide d'onde lumineuse et de report par hybridation étant réalisées de façon que l'élément de détection se situe entre le substrat et le guide d'onde lumineuse.
Selon un premier mode de mise en œuvre particulier du procédé objet de l'invention, l'étape de formation du guide d'onde lumineuse est réalisée avant l'étape de report par hybridation. Selon un deuxième mode de mise en œuvre particulier, l'étape de formation du guide d'onde lumineuse est réalisée après l'étape de report par hybridation.
La présente invention concerne en outre un autre procédé de fabrication du détecteur objet de l'invention, dans lequel on forme une couche de matériau détecteur sur un premier substrat, on forme une couche de guidage d'onde lumineuse, ayant un indice de réfraction élevé, sur la couche de matériau détecteur et l'on grave la couche de guidage d'onde lumineuse et la couche de matériau détecteur, au moyen d'un même masque lithographie, pour former respectivement le guide d'onde lumineuse et l'élément de détection. La présente invention concerne aussi un autre procédé de fabrication du détecteur objet de l'invention, dans lequel on forme une couche de matériau détecteur sur un premier substrat, on forme une couche de guidage d'onde lumineuse, ayant un indice de réfraction élevé, sur la couche de matériau détecteur, on grave la couche de guidage d'onde lumineuse pour former le guide d'onde lumineuse et l'on grave la couche de matériau détecteur, en utilisant en tant que masque la couche de guidage d'onde lumineuse que l'on a gravée, pour former l'élément de détection. Selon un premier mode de mise en œuvre particulier commun à ces autres procédés, on dépose la couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre particulier commun à ces autres procédés, on reporte la couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur.
Dans ce cas, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on forme la couche de guidage d'onde lumineuse sur un deuxième substrat, on hybride cette couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur, on élimine le deuxième substrat et l'on grave ensuite la couche de guidage d'onde lumineuse.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnée ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation particulier du détecteur de type SSPD, objet de l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un procédé de fabrication du détecteur de la figure 1, - la figure 3 illustre schématiquement un autre procédé de fabrication de ce détecteur avant gravure de la couche supraconductrice, et
- les figures 4 et 5 sont respectivement la coupe AA et la coupe BB de la figure 3 après gravure de la couche supraconductrice.
EXPOSE DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Avant de décrire un exemple de détecteur supraconducteur de photons unique, conforme à l'invention, en faisant référence à la figure 1, remarquons que ce détecteur doit pouvoir fonctionner avec un très faible flux de photons. La probabilité d'absorption d'un photon est supposée proportionnelle à l'intensité locale que l'on aurait avec un flux de photons important et continu (mêmes cartographies) .
Le détecteur de la figure 1 comprend un substrat diélectrique 2, une piste supraconductrice 4, qui est par exemple en NbN et qui est formée sur ce substrat, et un guide d'onde lumineuse 6 à fort confinement, qui est formé sur cette piste 4.
On n'a pas représenté le cryostat, dans lequel on place le substrat, ni les moyens de commande du détecteur, ni les moyens de traitement des signaux électriques fournis par celui-ci.
On voit néanmoins les contacts 7 qui sont respectivement prévus aux extrémités de la piste 4 pour la connexion de ces moyens de commande et de ces moyens de traitement . La lumière issue d'une fibre optique monomode 8 est injectée dans le guide d'onde 6. Le fort confinement de ce dernier résulte d'une forte différence d'indice optique, au moins égale à 1, entre le cœur du guide et le substrat 2 ou le superstrat non représenté, gui recouvre éventuellement le détecteur formé sur le substrat 8.
Sous ce guide 6 se trouve une couche mince supraconductrice que l'on a gravée en ligne droite pour former la piste 4. L'épaisseur de cette couche vaut typiquement 4 nm. L'injection de la lumière qui se propage dans la fibre 8 peut se faire avec un très bon taux de couplage (supérieur à 90%) si l'on utilise une fibre lentillée, associée à un guide effilé (en anglais, taper) latéral inversé 10 (voir les documents [Shani 89] , et [Mcnab 03]) .
La géométrie de ce guide effilé 10 peut être optimisée pour fonctionner avec une polarisation rectiligne donnée de la lumière, ou indépendamment de la polarisation mais avec plus de contraintes sur la technologie.
Le guide d'onde 6 est non seulement à fort confinement, mais aussi monomode verticalement et horizontalement, pour augmenter la densité d'énergie lumineuse et donc la probabilité d'absorption sur une courte distance de la piste supraconductrice 4.
Pour que la structure de détection soit réellement avantageuse par rapport à la structure qui utilise un serpentin, les matériaux et la géométrie sont choisis de façon que la longueur de la piste 4 soit nettement inférieure à celle du serpentin déroulé, qui vaut 150 à 200 μm : on choisit une longueur de piste inférieure ou égale à 100 μm.
Le couplage longitudinal entre l'onde lumineuse guidée et le fluide supraconducteur, proche de la transition, génère un PSC ou centre de glissement de phase (en anglais, phase-slip center) , dans le cas d'un pont, ou un « vortex Josephson », dans le cas d'une jonction Josephson.
Ces mécanismes sont décrits et observés dans des conditions assez voisines de polarisation et de fonctionnement des détecteurs à point chaud (voir [Jelila 98]) .
La génération d'un PSC ne suppose pas forcément l'existence d'un point chaud initial, ce qui autorise une plus grande largeur (300 nm à 1 μm, voire plus) pour la piste supraconductrice 4.
L'absorption de l'énergie photonique se fait sur une distance longitudinale courte et définie de la piste supraconductrice, et la réalisation de la structure, qui est moins étroite, est facilitée.
Par ailleurs, l'impulsion de tension générée par un PSC (ou par un « vortex Josephson » dans le cas d'une jonction Josephson) est assez indépendante de la position du PSC sur la piste 4 et reproductible en ce qui concerne son amplitude et sa largeur temporelle, car elle dépend peu des irrégularités locales de la piste supraconductrice 4.
La détection de l'énergie lumineuse, qui est amenée par le guide d'onde 6 dans la piste supraconductrice 4, peut se faire : soit conformément au principe des bolomètres à électrons chauds à seuil, qui utilisent une polarisation en courant sous-critique (voir
[Korneev 04]) , en incluant ici en outre le mécanisme des PSC,
- soit par mesure de la variation rapide du courant Josephson (détection d'un « vortex Josephson ») d'une jonction supraconductrice (STJ) ou d'un SQUID, soit par détection de la variation d'impédance d'une jonction tunnel supraconductrice, que l'on polarise dans son « gap » de quasi-particules, suivant le principe des récepteurs SIS (en supprimant le courant Josephson au moyen d'un champ magnétique) .
La gamme des longueurs d'onde que l'on peut envisager pour le détecteur correspond à l'intersection du spectre d'absorption du matériau supraconducteur, dont est faite la piste 4, et de la zone de fonctionnement monomode du guide d'onde 6. Cette gamme est donc très large et peut être modulée en fonction de l'application visée (dans le domaine visible ou le domaine ultraviolet ou le domaine infrarouge) .
Dans la suite, on décrit des procédés de fabrication d'un détecteur conforme à l'invention.
Le diamètre des substrats, qui sont actuellement utilisés pour fabriquer les structures de détecteurs SSPD, ce diamètre étant égal à 75 mm, peut facilement être étendu à 100 mm, 200 mm ou 300 mm. Il est donc parfaitement compatible avec le diamètre des substrats de silicium qui sont utilisés dans l'industrie micro-électronique (avec la solution par hybridation) , et permet la production à bas coût de nombreuses puces (en anglais, chips) sur un même substrat. On peut également envisager la fabrication de tous les composants possibles, associant les technologies de l'optique intégrée et les détecteurs à un photon (spectromètres, imageurs, etc.) .
On décrit ci-après un premier procédé de fabrication du détecteur en faisant référence à la figure 2 qui correspond à la coupe AA de la figure 1, à ceci près que les échelles ne sont pas respectées.
Selon ce premier procédé, on reporte un substrat SOI, comportant des structures guidantes, sur un substrat de saphir ou de MgO, qui est recouvert par des structures gravées dans une couche supraconductrice . Ce report consiste en une hybridation collective et a lieu par collage par adhérence moléculaire .
On fabrique alors simultanément un certain nombre N de détecteurs et le substrat SOI comporte N structures guidantes, comprenant chacune un guide d'onde lumineuse couplé à un guide effilé tandis que le substrat de saphir ou de MgO comporte N structures gravées correspondantes (pistes) .
Les étapes de ce premier procédé sont données ci-après.
1. D'une part, on réalise des réseaux (en anglais, arrays) de structures gravées 4 en NbN (épaisseur d'environ 4 nm, largeur 300 nm à 1 μm) , pourvues de contacts 7 en or ou en platine (épaisseur d'environ 15 nm) , ainsi que des croix d'alignement 12 sur le substrat de saphir 2. Puis on recouvre le tout d'une couche de silice 14 qui est environ trois fois plus épaisse (environ 60 nm) que les contacts. Le dépôt de cette couche de silice 14 a lieu par PECVD vers 3500C ou par pulvérisation (en anglais, sputtering) . On rabote ensuite très uniformément le tout par polissage mécano-chimique sur 40 nm environ, jusqu'à atteindre les contacts 7.
2. D'autre part, on forme des réseaux de guides d'onde 6 de silicium, qui sont organisés en puces dans un substrat SOI 16, ou substrat silicium sur isolant (en anglais, silicon on insulator) et qui sont encapsulés dans une couche de silice 18, avec les connexions optiques nécessaires et un bon état de surface : on fait affleurer les guides ou l'on dépose une couche supplémentaire de silice, ayant une épaisseur de 5 nm à 10 nm pour une meilleure adhérence de collage.
L'épaisseur des guides 6 en silicium est inférieure à 300 nm et leur largeur est inférieure à
500 nm pour avoir un fonctionnement monomode à 1,55 μm.
Au cours de la même étape, on forme des motifs de positionnement 20 dans la même couche de silicium que les guides 6. En outre, on creuse par gravure sèche ou chimique des fenêtres profondes 22 dans le substrat SOI 16, jusqu'à la couche de silice 24 de ce substrat SOI, en particulier au niveau des contacts 7 et des motifs de positionnement 20, en laissant des « poutres » épaisses 26 de silicium sur la face arrière du substrat
SOI, certaines poutres étant situées au-dessus des guides 6 tandis que d'autres poutres transversales relient les guides les uns aux autres.
Les différentes fenêtres sont ainsi indépendantes, de sorte que la couche de silicium forme un cadre constitué par l'ensemble des poutres, ce cadre étant d'un seul tenant et assez rigide pour garantir un alignement homogène sur la surface du substrat 2.
3. On effectue ensuite le collage, à une température adaptée (qui est par exemple comprise entre la température ambiante - typiquement 200C - et 5O0C), de la couche 14 à la couche 18, en formant ainsi une interface 28 entre ces couches, puis éventuellement un recuit rapide à quelques centaines de degrés Celsius au-dessus de cette température adaptée, ce collage et cet éventuel recuit étant effectués après avoir aligné le substrat SOI 16 et le substrat de saphir 7 suivant les motifs de positionnement, dans le domaine visible, à travers la silice. La précision d'alignement latéral vaut alors environ +_ 0,5 μm, ce qui est suffisant pour des structures ayant des largeurs de cet ordre de grandeur .
4. On fait ensuite une gravure sélective de la silice avec arrêt sur l'or ou le platine, sur le saphir et sur le NbN, pour accéder de façon adaptée aux contacts électriques.
5. Puis on découpe les puces à la scie. 6. Ensuite, on établit les connexions optiques et électriques et l'on refroidit les détecteurs que l'on souhaite utiliser.
Si les détecteurs et la taille de ces derniers le nécessitent, on rabote uniformément la face arrière du silicium afin que les contraintes après collage, lors de l'excursion thermique vers la température de fonctionnement des détecteurs (4K) , soient imposées par le saphir qui est plus épais (épaisseur typique : 400 μm) .
Dans une variante du premier procédé, on procède à une hybridation individuelle de puces de SOI pré-découpées sur un substrat pleine plaque de saphir ou de MgO, portant les structures gravées en NbN. Il en résulte l'avantage d'avoir moins de contraintes de dilatation différentielle après collage.
Il convient de noter que le guidage dans le silicium est possible car l'indice de réfraction du guide en silicium (3,5) est supérieur à l'indice de réfraction du substrat, qui vaut 1,75 ou 1,8 à 1,55 μm.
En outre, il a été démontré que l'injection de lumière dans un guide SOI pouvait se faire avec un très bon taux de couplage (supérieur à 90%) , à partir d'une fibre lentillée semi-sphérique, à l'aide d'un guide effilé latéral inversé (voir [Mcnab 2003]) .
La lumière injectée dans le guide est absorbée à 99% au bout de 30 μm de propagation, pour un guide SOI de 300 nm x 300 nm et une piste de NbN de 4 nm x 300 nm, séparée du guide par une épaisseur de
SiO2 de 20 nm. Une autre variante de ce premier procédé consiste à coller sur le substrat, comportant les structures de détecteurs gravées (obtenues à l'étape 1.) , non plus des réseaux (en anglais, arrays) de guides d'ondes déjà gravés mais une couche non structurée d'un matériau ayant un indice de réfraction élevé : on utilise par exemple une feuille très mince de silicium, qui est pré-collée sur un support, ou la couche mince d'un substrat SOI. Puis on décolle le support ou l'on procède à une gravure ou à un rabotage du substrat SOI jusqu'à la couche mince de silicium.
Ensuite, on procède à la lithographie et à la gravure des guides que l'on aligne avec les croix de positionnement sur le NbN. La précision d'alignement, de l'ordre de +• 0,5 μm, est suffisante.
On décrit ci-après un deuxième procédé de fabrication de type auto-aligné en faisant référence à la figure 3 qui est une vue de dessus schématique de la structure fabriquée, avant gravure de la couche supraconductrice 32.
On procède d'abord à un dépôt physique ou chimique d'une couche 30 d'indice élevé, par exemple en silicium amorphe dont l'indice de réfraction vaut par exemple 3 à 1,55 μm (cet indice peut varier entre 3 et 3,5 selon les paramètres de dépôt utilisés), sur une couche supraconductrice 32 qui est par exemple en NbN et que l'on a préalablement déposée sur un substrat diélectrique 34. En variante, il est possible que la couche d'indice de réfraction élevé ne soit pas déposée mais reportée sur la couche de matériau détecteur par collage et amincissement.
Puis on procède à la gravure de la couche de silicium amorphe et de la couche de NbN, en utilisant le même masque lithographie, pour former un guide en silicium amorphe et une piste en NbN qui sont superposés, dans la zone prévue pour la détection (section typique avec fonctionnement monomode : 400 nm x 400 nm) . Cette gravure avec un même masque lithographie permet d'éviter les difficultés d'alignement des structures très étroites que l'on forme .
En variante, il est possible, si les matériaux le permettent, de graver la couche formant les guides d'ondes et d'utiliser la couche gravée obtenue comme masque pour la gravure de la couche de matériau détecteur (NbN par exemple) .
A chaque extrémité de la zone de détection, la piste de NbN est formée de façon à s'élargir et elle est recouverte par un matériau diélectrique 36, par exemple MgO, qui forme une couche d'arrêt lors de la gravure simultanée. Les zones de NbN plus larges sont reliées aux contacts en or (non représentés) . La figure 4 (respectivement 5) correspond à la coupe AA (respectivement BB) de la figure 3, après gravure, à ceci près que les échelles ne sont pas respectées .
Le guidage de la lumière dans une telle structure est possible car l'indice de réfraction du silicium amorphe est supérieur à l'indice de réfraction du substrat, qui vaut 1,75 à 1,8 à 1,55 μm. Le mode est moins confiné que dans le cas du SOI, ce qui relâche les contraintes au niveau de l'injection. La distance d'absorption est de l'ordre de 25 μm pour une absorption à 99% pour un guide de silicium amorphe de section 400 nm x 400 nm.
L'injection de lumière peut encore se faire au moyen d'une fibre lentillée et d'un guide effilé inversé . D'autres matériaux peuvent être utilisés pour former le guide d'onde. Ils sont préparés sous forme de couches, par dépôt sur du NbN de structure cubique, avec la possibilité d'utiliser une couche-tampon par exemple en MgO, en CeO2 ou en SrTiO3, pour améliorer la texture des couches déposées qui sont par exemple en silicium polycristallin ou épitaxial, ou en LiNbO3, ou en BaTiO3, ou en SiC.
Un détecteur conforme à l'invention n'est pas limité à la détection d'un photon unique : un tel détecteur permet de détecter simultanément plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de photons, suivant l'électronique de lecture utilisée.
De plus, dans la présente invention, on peut utiliser des épaisseurs de NbN supérieures à celles qui ont été données dans les exemples. En outre, d'autres supraconducteurs que le NbN sont utilisables, par exemple d'autres phases de nitrures supraconductrices ou encore des phases de cuprates supraconductrices à haute température. On peut citer à titre d'exemple MoN, TaN, TiN, VN, MgB2, YBa2Cu3O7-XrReBa2Cu3O7-X, Nb-Ti(N), MoGe, MoRe, NbSi et HgBaCaCuO .
Plus généralement, comme on l'a déjà mentionné, on peut utiliser d'autres matériaux que des supraconducteurs. On peut en effet utiliser n'importe quel matériau capable de détecter une faible énergie lumineuse et de restituer un signal électrique correspondant à cette énergie, par exemple un matériau bolométrique ou un matériau semiconducteur. Ce matériau peut se présenter sous la forme d'une monocouche ou être utilisé dans un empilement constitutif d'une jonction tunnel et/ou Josephson, cet empilement étant par exemple du type NbN/MgO/NbN ou manganite/couche de barrière/manganite, ou encore métal ferromagnétique/couche de barrière/métal ferromagnétique ou métal (ferromagnétique ou non) /couche de barrière/couche supraconductrice (voir [Fratila 05] ) .
On précise que la zone d'absorption, au niveau de laquelle l'énergie du ou des photons est absorbée par l'élément de détection que comporte un détecteur conforme à l'invention, est mince : son épaisseur est inférieure à 100 nm.
De façon avantageuse, l'épaisseur de cette zone d'absorption est inférieure à 50 nm ; elle peut même être inférieure à 10 nm, voire à 5 nm.
En effet, plus la zone d'absorption est mince, plus le détecteur est rapide, ce qui est l'un des buts visés par l'invention. Par contre, le couplage est d'autant plus délicat. Ce couplage peut néanmoins être obtenu par un choix adapté de matériaux et de dimension pour le détecteur optique comme cela est décrit plus haut (voir en particulier l'exemple du premier procédé, qui a été donné en faisant référence à la figure 2 et selon lequel on réalise un détecteur conforme à l'invention dans lequel la zone de détection en NbN a une épaisseur d'environ 4 nm) .
On précise en outre que l'élément de guidage, que comporte un détecteur conforme à l'invention, guide l'onde lumineuse selon un même mode au moins sur la longueur de la zone de détection. Ainsi, le profil spatial lumineux se conserve lors de la propagation comme dans tout guide d'onde.
Certes, le document [US 2004/17975] décrit un détecteur optique comportant un « taper » mais ce dernier ne peut être considéré comme un guide d'onde car la variation progressive de sa section transforme le mode de l'onde de façon adiabatique au cours de la propagation (voir le paragraphe [0035] de ce document) .
Les documents cités dans la présente description sont les suivants :
[FR 2 812 455] FR 2 812 455 A, invention de R. Sobolewski et al. (Schlumberger and Rochester University, 2/2002)
[Gol'tsman 03] Gol'tsman et al.,
"Fabrication of Nanostructured Superconducting Single Photon Detectors" , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 13(2), 192, June 2003 [Jackson 03] D. Jackson, J. Stern, "High bandwith, improved quantum efficiency detector development for multi-GHz class OKD throughput" , Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Single Photon Detector Workshop, NIST, Gaithersburg, 4/2003
[Jelila 98] F. S. Jelila et al., "Time of nucleation of phase- slip centers in YBa2Cu3O7 superconducting bridges", Phys . Rev. Lett . 81, 1933 (1998)
[Korneev 03] A. Korneev et al., "GHz counting rate NbN single-photon detector for IR diagnostics of VLSI CMOS circuits" , Microelectronics Engineering 69, 274 (2003)
[Korneev 04] A. Korneev et al., "Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors" , Appl . Phys. Lett. 84, 5338 (2004)
[LeCoupanec 03] LeCoupanec, W. K. Lo, K. R.
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Claims

006/05052529REVENDICATIONS
1. Détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon, ce détecteur comprenant un substrat diélectrique (2) et, sur ce substrat, au moins un élément de détection, qui est prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, et un élément de guidage, prévu pour guider ce ou ces photons dont l'énergie est alors absorbée par l'élément de détection au niveau d'une zone d'absorption, ce détecteur étant caractérisé en ce que l'élément de détection (4) est sensiblement rectiligne sur le substrat diélectrique et a une longueur réduite, en ce que l'élément de guidage comprend un guide d'onde lumineuse à fort confinement (6), placé sur l'élément de détection, en ce que le guide d'onde lumineuse est monomode et en ce que la zone d'absorption est mince et a une épaisseur inférieure à 100 nm.
2. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel l'élément de détection comprend une monocouche d'un matériau qui est choisi parmi les matériaux bolométriques et les matériaux supraconducteurs.
3. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel l'élément de détection comprend une multicouche supraconductrice formant une jonction tunnel et/ou une jonction Josephson.
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la différence entre l'indice optique du guide d'onde lumineuse (6) et l'indice optique du substrat est au moins égale à 1.
5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la longueur de l'élément de détection (4) est inférieure ou égale à 100 μm.
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'épaisseur de l'élément de détection (4), au niveau de la zone d'absorption des photons, est inférieure à 10 nm.
7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un guide optique effilé (10) , qui est optiquement couplé au guide d'onde lumineuse (6), et une fibre optique monomode (8) , prévue pour injecter le ou les photons dans le guide d'onde lumineuse par l'intermédiaire du guide optique effilé.
8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'élément de détection (4) comprend une phase de nitrure supraconductrice .
9. Détecteur selon la revendication 8, dans lequel cette phase est du nitrure de niobium.
10. Procédé de fabrication du détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on forme l'élément de détection (4) sur un premier substrat, on forme le guide d'onde lumineuse dans une couche de guidage d'onde lumineuse, et l'on reporte par hybridation la couche de guidage d'onde lumineuse sur le premier substrat, portant l'élément de détection, les étapes de formation du guide d'onde lumineuse et de report par hybridation étant réalisées de façon que l'élément de détection se situe entre le substrat et le guide d'onde lumineuse.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape de formation du guide d'onde lumineuse est réalisée avant l'étape de report par hybridation.
12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape de formation du guide d'onde lumineuse est réalisée après l'étape de report par hybridation.
13. Procédé de fabrication du détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on forme une couche de matériau détecteur sur un premier substrat, on forme une couche de guidage d'onde lumineuse, ayant un indice de réfraction élevé, sur la couche de matériau détecteur et l'on grave la couche de guidage d'onde lumineuse et la couche de matériau détecteur, au moyen d'un même masque lithographie, pour former respectivement le guide d'onde lumineuse (6) et l'élément de détection (4) .
14. Procédé de fabrication du détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on forme une couche de matériau détecteur sur un premier substrat, on forme une couche de guidage d'onde lumineuse, ayant un indice de réfraction élevé, sur la couche de matériau détecteur, on grave la couche de guidage d'onde lumineuse pour former le guide d'onde lumineuse (6) et l'on grave la couche de matériau détecteur, en utilisant en tant que masque la couche de guidage d'onde lumineuse que l'on a gravée, pour former l'élément de détection (4) .
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel on dépose la couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel on reporte la couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on forme la couche de guidage d'onde lumineuse sur un deuxième substrat, on hybride cette couche de guidage d'onde lumineuse sur la couche de matériau détecteur, on élimine le deuxième substrat et l'on grave ensuite la couche de guidage d'onde lumineuse.
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