Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

Le sujet de ce travail est la conception d'une caméra bolométrique à bas niveau de bruit pouvant contenir jusqu'à un millier de pixels. Ce type d'architecture est proposé pour la réalisation d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à l'astronomie millimétrique. La caméra offrira d'intéressantes perspectives pour la cosmologie et la physique galactique. Nous avons défini les spécifications de la chaîne optique et des détecteurs, pour une utilisation optimale du radiotélescope de 30m de l'IRAM. Nous avons ouvert la voie à la réalisation de matrices de bolomètres par des procédés de microfabrication. Une partie importante du travail est consacrée à la caractérisation électrique de couches minces thermométriques de NbSi à très basse température (0,1 K). Nous avons étudié le problème du multiplexage des signaux, afin de mesurer un grand nombre de détecteurs en évitant les inconvénients liés au câblage. Nous proposons une électronique de proximité fonctionnant à très basse température.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS.

Divers aspects de la radiométrie à substitution électrique sont abordés : la bolométrie résistive (bilan énergétique et modèle électrothermique), le bruit excédentaire d'un film mince d'YBCO dans la transition de phase et la régulation de température à haute résolution. L'électronique faible bruit avec porte-échantillon optimisé est dédiée à la thermométrie résistive et au contrôle de température avec perturbations calibrées de puissance de chauffage et corrélation de deux moniteurs de température observateurs indépendants. Des expériences en boucle ouvertes à 273K (thermomètres platine) et en boucle fermée à 90K (thermomètres YBCO) sont réalisées. Celles-ci donnent une dérive thermique de 0,1E-6K/s et des variations contrôlées de température de 30E-6Kp. Une résolution en température de 2,8E-6K est mesurée pour 0,83mA, une bande passante de 1Hz et 400s de mesure, et serait améliorée d'un facteur 700 pour 5mA. Un seuil de détection de 6pW est estimé pour le radiomètre (puissance incidente maximale de 1mW, 5mA et 250s).

Nous étudions un mélangeur d'ondes térahertz (THz) réalisé avec le supraconducteur à haute température critique YBaCuO en couches ultraminces (10 à 50 nm). Le travail vise à concevoir un démonstrateur portable pour la détection hétérodyne térahertz passive, avec une cryogénie simplifiée à 60-80 kelvin (projet ANR MASTHER).Le principe de détection est le bolomètre à électrons chauds (HEB) jusqu'à présent développé avec des supraconducteurs à basse température critique. L'effet HEB est mis en ¿uvre dans une constriction en YBaCuO (quelques centaines de nm de dimensions latérales). Cette structure conduit à un détecteur THz sensible et rapide (bande passante instantanée de 100 GHz). Le rayonnement THz est couplé à la constriction par une antenne planaire large bande.En premier lieu, les échanges thermiques entre réservoirs d'électrons et de phonons (YBaCuO et son substrat) sont modélisés. Nous établissons ainsi les conditions optimales pour le HEB en termes de dimensions de la constriction et de puissance de l'oscillateur local requises pour un mélange performant (gain et bruit). Par rapport aux modèles antérieurs, nous introduisons une approche de "point chaud" nouvelle incluant l'influence de la fréquence THz dans YBaCuO, ainsi que l'adaptation d'impédance entre la constriction et l'antenne. En second lieu, nous décrivons l'optimisation des étapes de micro-fabrication des HEB, en particulier les lithographies électronique et optique, pour obtenir des constrictions de 300 nm de côté. De premiers dispositifs ont été testés en détection directe infrarouge. Les performances entre des couches d'YBaCuO ultraminces préparées suivant différentes techniques sont comparées. / We report on the development of a terahertz (THz) wave mixer made from high critical temperature superconducting YBaCuO ultrathin films (10 to 50 nm). The work is part of the MASTHER ANR project aiming at a portable demonstrator for passive terahertz heterodyne detection, implementing simplified cryogenics (60 to 80 kelvin). The detection principle is that of the hot electron bolometer (HEB) so far mainly developed with low critical temperature superconductors. The HEB effect is implemented in an YBaCuO constriction (a few hundred nm in lateral dimensions). This structure can lead to a sensitive and fast THz detector (theoretical instantaneous bandwidth of 100 GHz). The THz radiation is coupled to the YBaCuO constriction by means of a wideband planar antenna. The new aspects first concern the modeling of heat exchange between electrons and phonons reservoirs (YBaCuO and its substrate). Our results establish the optimum operating conditions in terms of dimensions of the constriction and the local oscillator power required for high performance THz mixing (conversion gain and noise temperature). We are introducing in particular a new "hot spot" modeling approach, which takes into account the influence of the terahertz frequency in the YBaCuO material and the impedance matching between the antenna and the constriction. Second, we have developed and optimized the HEB micro-fabrication process in clean room, especially the electronic and optical lithography steps, to obtain constrictions of 300 nm lateral size. Our first devices have been tested by direct detection in the infrared. The performance between YBaCuO ultrathin films prepared using various techniques are compared.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS. / EDELWEISS is a direct non-baryonic cold dark matter detection experiment in the form of weakly interacting massive particles (also known as WIMPs), which currently constitute the most popular candidates to account for the missing mass in the Universe. To this purpose, EDELWEISS uses germanium bolometers at cryogenic temperature (20 mK approximately) in the Underground Laboratory of Modane (LSM) at the French-Italian border. Since 2008, a new type of detector is operated, equipped with concentric electrodes to optimize the rejection of surface events (coplanar-grid detectors). This thesis work is divided into several research orientations. First, we carried out measurements concerning charge collection in the crystals. The velocity laws of the carriers (electrons and holes) have been determined in germanium at 20 mK in the <100> orientation, and a complete study of charge sharing has been done, including an evaluation of the transport anisotropy and of the straggling of the carriers. These results lead to a better understanding of the inner properties of the EDELWEISS detectors. Then, studies relating to the improvement of the performances were carried out. In particular, we have optimized the space-charge cancellation procedure in the crystals and improved the passive rejection of surface events (β). The fiducial volume of the detectors has been evaluated using two X-ray lines from cosmically activated radionuclides: 68Ge and 65Zn. Lastly, an exhaustive study of the low energy spectra has been carried out, which makes it possible to develop a systematic analysis method for the search of low-mass WIMPs in EDELWEISS.

Le but de cette thèse est d'établir une modélisation électromagnétique du détecteur bolométrique térahertz (THz). Ce travail aide à faciliter la conception de bolomètre THz dont la structure est basée sur celle de bolomètre infrarouge à température ambiante. Le contexte de la thèse est l'imagerie THz active. Nous avons étudié le comportement électromagnétique d'un bolomètre à antenne de bande spectrale 1 - 5 THz. Deux modes de simulation ont été réalisées : l'une est en mode de réception et l'autre est d'émission. La combinaison de ces modes de simulation constitue un outil important pour concevoir le bolomètre THz. La technique de spectroscopie par transformée de Fourier a été utilisée pour caractériser expérimentalement le comportement électromagnétique du détecteur. Nous avons mesuré la réflectivité de la surface du plan focal de détecteur ainsi que la réponse spectrale du détecteur. Les deux sont confrontées avec la simulation et elles se trouvent en bon accord. Avec les connaissances obtenues des résultats théorique et mesuré, la recherche aide à améliorer des performances du détecteur actuel. Nous avons aussi proposé un design pour le bolomètre de faible fréquence (850 GHz). Ce dernier ouvre la perspective d'emmener la technologie de bolomètre d'infrarouge vers la bande sous-térahertz où l'imagerie est beaucoup plus favorable.

Le prochain défi de la cosmologie observationnelle est la mesure et la caractérisation précise des modes B, signatures des ondes gravitationnelles primordiales dans les anisotropies polarisées du Fond Diffus Cosmologique (FDC ou CMB pour Cosmic Microwave Background). La détection des ondes gravitationnelles provenant de l'inflation (une phase d'expansion exponentielle aux tous premiers instants après le Big Bang) serait une découverte majeure pour la cosmologie et pour la physique fondamentale. L'amplitude du mode B étant fixée par l'énergie caractéristique de l'inflation, cette mesure nous donnerait immédiatement l'échelle d'énergie associée à cette physique, peut-être liée à la grande unification des interactions. Le signal des modes B primordiaux est cependant au moins trois ordres de grandeur inférieur aux anisotropies en température. Atteindre la physique sous-jacente aux modes B via une caractérisation du spectre de puissance angulaire conduit à définir une expérience dédiée pour la mesure de la polarisation du CMB avec une sensibilité en polarisation limitée uniquement par les limites astrophysiques. Ceci nécessite une grande sensibilité de détection mais également une immunité accrue aux effets parasites instrumentaux susceptibles de masquer le signal cosmologique. Ces deux caractéristiques sont précisément au centre de deux programmes R&D qui sont DCMB (Développement Concerté de Matrices de Bolomètres) et BSD (B-mode Superconducting Detectors) auxquels mon équipe d'instrumentation millimétrique participe activement. <br />Dans le cadre de la collaboration nationale DCMB, nous avons pour objectif de développer de véritables matrices de bolomètres supraconducteurs incluant le système d'acquisition multiplexé dans un ensemble cryo-mécanique cohérent. L'immunité aux effets parasites instrumentaux pour les futurs instruments de mesure de la polarisation du CMB passe par le développement d'architectures de détection évoluée s'appuyant sur la technologie planaire supraconductrice Niobium et n'exigeant pas une parfaite similitude des détecteurs. La collaboration BSD que j'ai initiée en 2007 entre plusieurs laboratoires d'Ile de France développe actuellement les composants hyperfréquences de base pour la réalisation de telles architectures : antennes, déphaseurs, filtres, coupleurs de puissance. Ces composants permettront de réaliser un démonstrateur d'architecture de détection évoluée d'ici 2010. <br />Notre objectif est d'utiliser dans un premier temps ces développements pour des observations au sol en préparation aux projets spatiaux. Dans le cadre de la collaboration BRAIN-MBI entre l'Italie, le Royaume-Uni, les Etats-Unis et la France, nous développons actuellement un instrument d'un type nouveau basé sur l'interférométrie bolométrique pour la recherche des modes B de polarisation du CMB. Cet instrument combine ainsi les avantages de l'interférométrie pour la mesure des anisotropies du CMB avec la sensibilité des bolomètres. Nous prévoyons l'installation d'un premier module d'ici fin 2010 sur la station Concordia en Antarctique.

Nous avons démontré la faisabilité de bolomètres suspendus YBaCuO sensibles et<br />relativement rapides par micro-usinage du substrat de silicium. Ce travail comprend une partie<br />technologique décrivant trois techniques de fabrication de structures suspendues YBaCuO et<br />une partie de caractérisation. Les films d'YBaCuO obtenus sur silicium avec une double<br />couche tampon CeO2 / YSZ sont texturés dans la direction c et ne possèdent qu'une seule<br />orientation dans le plan. Leur température critique mesurée à résistance nulle vaut 88 K, et<br />leur densité de courant critique dépasse 106 A / cm2 à 77 K. La gravure ionique réactive (GIR)<br />du substrat de silicium nous a permis de réaliser un grand nombre d'échantillons et de valider<br />ainsi nos calculs par confrontation avec les mesures. La technique de fabrication utilisant un<br />substrat SIMOX s'est révélée très peu dégradante pour l'YBaCuO et très prometteuse pour la<br />détection. Enfin, nous avons défini un méandre constitué de 17 brins de largeur de piste 4 µm,<br />et fabriqué par GIR. Les performances de ce détecteur de surface 100 * 100 µm2, mesurées à<br />85 K dans la gamme de longueur d'onde 3-5 µm, sont au niveau des meilleures publiées:<br />Sensibilité (3-5 µm) = 11950 V / W<br />Temps de réponse t = 564 µs<br />NEP optique = 4,0 10-12 W Hz-1/2<br />Détectivité D* = 2,5 109 cm Hz-1/2 / W