1PARIS -22 septembre 2005

Développement Concerté de

Matrices de Bolomètres

Philippe Camus

Pour la collaboration DCMB

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• Objectifs

• contexte scientifique• évolution des technologies

• Organisation

• Moyens mis en place

• Objectifs de la R&T Cnes 2005

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Labo TachesCSNSM Couches thermométriques (semicon, supra)

IEF Architecture bolométrique, Réalisation SQUIDs

LPSC Antennes, MPI

LISIF/LERMA/APC Antennes, traitement GHz-THz, ampli SiGe

CRTBT/LAOG Multiplexage haute impédance, cryogénie, MPI

LPN Réalisation HEMTs

IAS Tests supra

APC Tests échantillons supra, réalisation SQUIDs (avec IEF), multiplexage SQUIDs

CESR Etude CEB

Site internet : http://crtbt.grenoble.cnrs.fr/astro/dcmb_pub

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COBE (1989) T=(2.728±0.004)K

∆T/T≈10-5 à 7°

Singularité: Big-Bang

Univers transparent

Surface de dernière diffusion

Univers opaque (diffusion Thomson)

WMAP (2002)

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• Détecteur thermique– Système macroscopique– Mesure de l’échauffement

résultant de l’absorption du rayonnement

– Thermomètre = élément résistif

• Meilleur détecteur large bande dans la gamme 200µm-3mm

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Exemple de réalisation de bolomètres individuels• Bolomètre « Spiderweb » (Caltech-

JPL)– Absorbeur en toile d’araignée

(Si3N4)

• e~1µm, l~5µm, maille~100µm• Métalisation Au

– Thermomètre Ge NTD

• Polarisation Sensitive Bolometer (PSB)– 2 bolomètres dans 1 module– Métallisation dans une direction

~2

L1 thermistor

Dual Analyzer (PSBs)

L2 thermistor

Détecteurs Planck-HFI

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1E-18

1E-17

1E-16

1E-15

0,1 1

T (K)

NE

P (

W/K

^1

/2)

1 : Si3N4 - poutres 2 : Si3N4 - poutres3 : Si3N4 - membrane4 : Si3N4 - membranes5 : Si - poutres6 : Si - poutres

Performances des bolomètres composites

24 TGkNEP Bph

1) Données Sider Web, 8 poutres de Si3N4 1mmX4mX1m2) Leivo (APL, 72 (11), 1998) : 4 poutres Si3N4 100mX25mX200nm3) Leivo (id) : membrane pleine de 0.4mmX0.4mmX200nm4) Membrane CSNSM (NIMA 444 (2000) 419-422) : Si3N4 5mmX5mmX100nm5) LETI [30] : 4 poutres Si 0.7mmX5.9mX5m6) LETI [30] : 4 poutres texturées Si 0.7mmX4.7mX5m

NEP 2 4kBT 2Gd 4kB TPél 1

L2

5mm

LETI

Olimpo

SpiderWeb

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Mesures des modes B

• Expériences possibles:

• Erreurs de mesure des modes B:

• Requiert– Beaucoup de détecteurs– Long temps d’intégration

• Expériences sol et satellite

• SAMPAN ( 20000 détecteurs )

Expérience fcielTemps

d'observation Sensibilité

par détecteur NBolos

Sol (antarctique)

0,01 6 mois 300Ks^0.5 1000

Ballon 0,01 1 jour / 10 jours

100Ks^0.5 1000

Satellite 1 une année 100Ks^0.5 1000 (4)

r=0.1

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Structure bolométrique

- composite classique

- antenne

Senseur TES- Senseur (Csnsm)- Squid (APC/Csnsm/IEF)- Electronique(APC/CESR)

Senseur Haute Impédance- Senseur (Csnsm)- MUX Hemt (LPN)- Electronique (Crtbt)

Caractérisation

- Réponse fréquence/polarisation

- Optique

Conception antennes HFSS (LPSC)

Martin-Puplett (Crtbt/LPSC)

Croystat optique à dilution- Diabolo (CRTBT)- Caméra IRAM 30m (CRTBT)- Symbol (IAS)

Microfabrication (IEF-MINERVE)Couches minces (Csnsm)Nanofab (Crtbt)HEMT (LPN)

Olimpo IRAM

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Moyens mis en place

• Fabrication des structures isolantes– Gravure humide (Nanofab)– Gravure profonde (IEF/Minerve)

• Calcul EM (LPSC/Grenoble) + mesure

• Evaporation NbSi (Csnsm)

• Electronique froide (Hemt-QPC) (LPN)

• Filiaire supra (couches + squid + ampli SiGe)

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Structure classique

NbSi 100X400me = 100 nm

Matrice Olimpo

23 pixels, membranes de 3 mmNEP < 5.10-16 W/Hz1/2@300mK

20x10-3

15

10

5

0

V

20x10-9

151050

A

Bolo @296mK Bolo @300-310mK Bolo @350mK Membrane @293mK Membrane @342mK

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• Gravure du NbSi

• Réalisation / gravure profonde pour membranes

• Isolation antennes / thermomètres avec SiN / SiO2

Matrice de bolomètres à antennes

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Calculs EM ( HFSS )

Collaboration DCMB - d’après O.Guillaudin (LPSC)

• conception antennes large bande• optimisation du shunt dissipatif• sélectivité à la polarisation• validation expérimentale

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Thermomètre

• Caractérisation:

• Semi-conducteur: A # -5-10– Si implanté– Ge NTD (Haller-Beeman)– Couches minces Nb/Si (CSNSM)

• Supraconducteur: A#100 1000– Ti

• Tc≈400mK– Mo/Cu, Mo/Au…

• Variation de Tc: effet de proximité– Couches minces Nb/Si (CSNSM)

A T

R

dR

dT

Ti 1.5mmX1.5mmX40nmA=1000

15PARIS -22 septembre 2005

15PARIS -22 septembre 2005

Nano-switches pour multiplexage Y.JIN et al. http://www.LPN.cnrs.fr

Nano-switches : issus de la rechercher en physique mésoscopiquebénéficient du transport d’e- balistiques et de la réduction quantique de bruit

Réalisés du LPN : 2DEG (gaz d’électrons 2D) + NanofabricationTempérature de fonctionnement : testée jusqu’à 38mKCapacité du contrôle : Roff / Ron > 107 (variation de la tension de commande 0,25V)Capacitance d’entrée estimée : ~1fFÀ court terme : réduire le courant de fuite < 0,1pA et réaliser 200 switches

13 switches montés dans un boîtier céramique

Détail du switch avec une configuration de QPC

(Quantum Point Contact)Caractéristique électrique à 4,2K

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16PARIS -22 septembre 2005

Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruitY.JIN et al. http://www.LPN.cnrs.fr

HEMTs pseudomorphiques du LPN en régime diffusif, mesurés à 4,2K- niveau du bruit 0,3nV/√Hz à 100kHz- puissance dissipée 0,25mW- capacitance d’entrée ~40pF

Spectre de bruit à 4,2K

À moyen terme :Cryo-transistors à ultra faible puissance dissipée et à ultra bas bruit

Transistor balistique

(quasimentsans pièges et

sans collisions)

Réductions :

puissance dissipée

bruits

4,2K

Nouveau développementHEMTs à très haute mobilité d’e- du LPNen régime balistique, mesurés à 4,2K- 1ère démonstration du gain en tension >1- puissance dissipée 0,6nW

I-V à 4,2K

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Lecture basse impédance: SQUID

• Réalisation de SQUID DC– IEF/CSNSM/APC

• Objectif: implantation a proximité des bolomètres

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Amplificateur 4K pour SQUID à base de transistor SiGe

• Collaboration avec le LISIF (D. Prêle)

• Transistor bipolaire SiGe– Amplification en tension– grande bande passante– Adapté aux basses impédances– Caractéristiques de bruit adaptées au

Squid

• (Prêle et al., 2005, soumis a IEEE)

• En cours de caractérisation

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Objectifs R&T Cnes 2005 ( juin 2006 )

• Démonstration performances d’une matrice Olimpo (23 pixels)

• Caractérisation de la conception des matrices de bolomètres à antennes (204 pixels)

• MUX matrice 204 pixels• Optimisation HEMT QPC, évaluation de la fiabilité en

environnement spatial• Proposition de concepts de détecteurs pour la mission

SAMPAN