Ce travail de thèse, qui se rattache au domaine des composants télécom, concerne l'étude de composants passifs élémentaires constitués de lignes de transmission coplanaires alliant ferrite et métamatériaux. Ces composants sont susceptibles de réaliser de nouvelles fonctions en électronique des hautes fréquences en combinant plusieurs phénomènes comme ceux de non réciprocité, des comportements main droite - main gauche et l'agilité en fréquence. Les applications visées portent sur un grand champ de composants microondes comme des antennes, des isolateurs, déphaseurs, coupleurs, filtres - agiles et performants. La modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces composants ont été effectuées dans le cadre d'une collaboration entre l'INL et le LT2C. Les outils mis en œuvre dans ce travail comprennent la réalisation de ces composants en salle blanche, leur caractérisation en hyperfréquences (en général jusqu'à 20 GHz), leur simulation par un logiciel commercial de simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que le développement de techniques d'extraction de paramètres (Matlab). La mise en œuvre de ces outils a permis d'appréhender le comportement de ces lignes en termes de constante de propagation et de diagramme de dispersion. Sur le plan pratique, des composants inductifs et/ou capacitifs (capacités à fente ou interdigitées) ont été intégrés à des lignes de transmission coplanaires sur 2 types de substrats. Le premier substrat, diélectrique (Al203), sert de référence, tandis que le second est ferrimagnétique (YIG ou Y3Fe5O12) et présente un effet de non-réciprocité de la propagation du signal dans la configuration retenue. Sur alumine, les valeurs des capacités et des inductances intégrées atteignent 80 fF et 400 pH respectivement. Sur YIG, à partir d'études paramétriques originales sur différentes topologies de structures de test, les effets de non réciprocité attendus ainsi que les phénomènes de résonance gyromagnétique ont bien été mis en évidence. La simulation électromagnétique des structures est validée par un accord correct entre simulations et mesures. Il ressort de cette étude que la non réciprocité d'une ligne sur YIG chargée par des inductances parallèles peut être améliorée jusqu'à 15 dB environ par rapport à une simple ligne coplanaire sur YIG pour certaines bandes de fréquences. Enfin l'agilité en fréquence de la structure de bande des lignes CRLH est établie. Ces travaux ouvrent de très intéressantes perspectives pour le développement de nouveaux composants microondes et sont susceptibles de constituer un socle solide pour une suite des activités dans cette thématique.

Nous avons proposé d'étudier le potentiel de l'outil d'épitaxie HVPE ( Hydride Vapour Phase Epitaxy) au façonnage d'objets semiconducteurs à l'échelle sub-micrométrique par croissance à morphologie contrôlée. Un bâti HVPE 3 pouces a tout d'abord été conçu et installé. La croissance de GaAs (100) a été calibrée et modélisée thermodynamiquement et cinématiquement. La croissance sélective de réseaux de bandes a été ensuite validée à l'échelle micrométrique et sub-micrométrique par le façonnage de "grating lines", avec des rapports de formes inégalés dans la littérature par l'approche bottom-up. Des pointes GaAs dopées Zn ont été synthétisées pour l'injection de spin. Nous avons enfin démontré la faisabilité par VLS-HVPE, de nanofils de GaAs de diamètre constant sur des longueurs inégalées (40 µm en moyenne), et présentant une remarquable qualité cristallographique. Cette dernière étude permet d'envisager des perspectives d'application liées aux nanofils longs pour les III-V, jusque là exploitées uniquement pour le silicium. Tous les résultats sont expliqués à partir de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. On décrit comment la cinétique de décomposition rapide de ces précurseurs permet de jouer de l'anisotropie de croissance intrinsèque des cristaux pour le contrôle des morphologies. Ces travaux montrent que dans le contexte des nanosciences, la HVPE, outil épitaxial des fortes vitesses de croissance, mérite paradoxalement une audience élargie, et pourrait s'inscrire comme un outil complémentaire efficace MOVPE et MBE pour la synthèse ascendante de certain type d'objets nanométriques

Le sujet de thèse porte sur des micro/nanorésonateurs ainsi que leurs électroniques de lecture. Les composants mécaniques sont utilisés pour mesurer des masses inférieures à l'attogramme (10-18 g) ou de très faibles concentrations de gaz. Ces composants peuvent ensuite être mis en réseau afin de réaliser des spectromètres de masse ou des détecteurs de gaz. Afin d'atteindre les résolutions nécessaires, il a été choisi d'utiliser une détection harmonique de résonance détectant les variations de la fréquence de résonance d'une nanostructure mécanique. Les dimensions du résonateur sont réduites afin d'augmenter sensibilité en masse, cependant le niveau du signal électrique en sortie du composant est également réduit. Ce faible signal nécessite donc de concevoir de nouvelles transductions électromécaniques ainsi que des architectures électroniques qui minimisent le bruit, les couplages parasites et qui peuvent être mise en réseau.

L'utilisation de la radio flexible permet d'envisager des réseaux sans fil évolutifs, plus efficaces et plus intelligents. Le terme "~radio flexible~" est un terme très général, qui peut s'appliquer à une implanta- tion logicielle des opérations, à une implantation matérielle adaptable basée sur des accélérateurs matériels, ou encore à des implantations mixtes. Il regroupe en fait toutes les implantations de terminaux radio qui ne sont pas figées. Les travaux réalisés durant cette thèse tournent autour de deux points. Le premier est l'utilisation des processeurs graphiques pour la radio flexible, et plus particulièrement pour la radio logicielle. Ces cibles offrent des performances impressionnantes en termes de débit brut de calcul, en se basant sur architecture massivement parallèle. Le parallélisme de données utilisé dans ces processeurs diffère cependant du parallélisme de tâches souvent exploitées dans les applications de radio logicielle. Différentes approches pour résoudre ce problème sont étudiées. Les résultats obtenus sur ce point permettent une nette amélioration du débit de calcul atteignable avec une implantation logicielle, tout en libérant le processeur pour d'autres tâches. Le deuxième point abordé dans cette étude concerne la définition d'un environnement perme- ttant de supporter différentes possibilités d'implantation de la radio flexible. Cet environnement englobe le support de la plateforme hétérogène, et la gestion des applications sur ces plateformes. Bien qu'encore expérimental, les premiers résultats obtenus avec l'environnement montrent ses capacités d'adaptation, et le rendent utilisable pour des applications radio variées sur des plateformes hétérogènes.

Cette thèse présente la conception de différentes fonctions pouvant entrer dans la constitution d'un convertisseur de fréquence incluant la génération de l'oscillateur local. La première partie de ce travail présente un synthétiseur de fréquence fixe (PLL) centré sur 15 GHz. Le circuit exploite une technologie CMOS 130 nm proposée par STMicroelectronics. L'objectif visé est d'obtenir une faible consommation tout en préservant des performances en bruit de phase proche de l'état de l'art. Les mesures du circuit, en accord avec les simulations, ont révélé un bruit de phase de -68,9 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse pour une fréquence de sortie de 15 GHz, mais une amélioration de ce bruit d'environ -20 dBc/Hz a pu être démontrée par simulation en corrigeant légèrement la pompe de charge. La consommation de l'ensemble s'établit à 28 mW. La deuxième partie de ce travail démontre la faisabilité d'un mélangeur résistif doublement équilibré à très faibles pertes. Une topologie originale est développée pour transposer efficacement un signal RF en bande K ou en bande V vers une fréquence intermédiaire, fixée arbitrairement à 1 GHz. Le circuit exploite le principe de l'échantillonnage (Bande K), ou du sous-échantillonage (Bande V) en tension pour fortement réduire ces pertes de conversion par rapport à un mélangeur passif classique. Pour fonctionner correctement, celui-ci nécessite cependant une tension de commande OL à très faible rapport cyclique. Deux circuits réalisant la mise en forme du signal OL sont démontrés et fonctionnent jusqu'à 26 GHz. Le mélangeur a été réalisée à partir d'une filière technologique BiCMOS 130 nm de IBM. Les mesures révèlent des performances à l'état de l'art, avec des pertes de conversion de -2,1 dB et un facteur de bruit de 6,3 dB à 19GHz. La plage de fonctionnement RF s'étale de 4 à 27 GHz. Le même circuit testé dans une configuration de sous-échantillonnage fonctionne entre 16 et 64 GHz sur la voie RF. A 58 GHz, les pertes de conversion approchent 8 dB avec un facteur de bruit de 9,5 dB.

Les avancées des dernières décennies dans le domaine de l'électronique ont permis l'intégration plus facile des dispositifs de commande à base de convertisseur sur un plus grand nombre d'applications. L'utilisation de ces dispositifs de commande offre des avantages importants au niveau du dimensionnement et de l'efficacité énergétique, mais, en contrepartie, leur modèle dynamique présente une complexité accrue en particulier à cause des dynamiques hétérogènes des différents composants. Ainsi, en général, on retrouve une dynamique très rapide liée au changement de fonctionnement des composants et une dynamique du reste du système plus lente par rapport à la première.<br />Les travaux de cette thèse abordent les problèmes de la modélisation hybride de ce type de systèmes. Un des points importants des travaux effectués est la mise en place d'en ensemble d'outils et de méthodes permettant d'obtenir un modèle automate hybride équivalent d'un système physique avec des interrupteurs. Dans l'approche proposée l'automate hybride est obtenu par la composition des équations du système issues de l'approche bond-graph commuté et des contraintes introduites par les interrupteurs.<br />La méthodologie proposée est ensuite utilisée pour définir un modèle de simulation sous Simulink.<br />Le problème de la commande est abordé dans le cadre particulier du démarrage d'un convertisseur à double résonance issu d'une application en imagerie médicale.

L'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs déénergie électrique nécessite une gestion thermique toujours plus performante. La thermique devient même l'élément dimensionnant de ces convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs. Le diamant présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles particulièrement adaptées à la gestion thermique des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance. C'est en effet le meilleur matériau isolant et conducteur thermique connu à ce jour. La possibilité de réaliser du diamant polycristallin de manière reproductible par synthèse CVD ouvre aujourd'hui à ce matériau un grand champ d'applications industrielles. Nous avons étudié les potentialités d'applications au domaine particulier de l'électronique de puissance. Nous avons tout d'abord développé une plateforme de simulation COMSOL qui nous permette d'évaluer différentes structures pour optimiser le système de refroidissement des composants d'électronique de puissance. Nous avons alors étudié deux solutions, l'utilisation d'un substrat diamant épais pour reporter les composants ou le dépôt direct d'une fine couche de passivation sur les composants en fin de fabrication. Nous avons ainsi développé une structure à substrat diamant et micropoteaux en cuivre qui permet d'extraire jusqu'à 800 W/cm² sous le composant pour un échauffement de 120°C. Cette structure a été réalisée technologiquement pour valider toute la démarche de simulation et conception. Ce prototype propose des performances particulièrement intéressantes pour l'intégration des convertisseurs d'électronique de puissance à haute densité de puissance. Nous avons également étudié la passivation des composants avec du diamant CVD en lieu et place du SiO2. L'intérêt d'une telle passivation est démontré en simulation et les différentes étapes de la réalisation technologique sont étudiées. Cette dernière partie met en évidence des difficultés qu'il faudra lever si l'on souhaite utiliser le diamant comme couche de passivation.

Cette thèse porte sur le dépôt et la caractérisation diélectrique des matériaux perovskites La-Ti-O-N pour des applications antennaires hyperfréquences. Ces composés ont été déposés en couches minces par pulvérisation réactive à partir de cibles oxyde et oxynitrure. Selon le gaz réactif utilisé, plusieurs compositions ont été atteintes, couvrant un large spectre de propriétés diélectriques. Les films oxynitrures LaTiO2N montrent des constantes diélectriques élevées en basses et hautes fréquences, qui s'accompagnent de fortes pertes diélectriques. Des accordabilités limitées ont été mesurées à basses fréquences (8 % sous un champ de 16,7 kV/cm). Les couches oxydes montrent de très faibles pertes diélectriques (~ 1 %) à 10 GHz sans agilité. La combinaison composite de ces deux phases a pu être réalisée par dépôt multicouches. Une accordabilité de 15 % sous 44 kV/cm a été mesurée sur une bicouche oxynitrure/oxyde, associée à une baisse significative des pertes diélectriques.

Ce document est organisé en trois parties : - Partie 1, Synthèse des travaux : Cette première partie présente de façon complète l'ensemble de mon parcours en mettant en avant toutes ses contributions et originalités. - Partie 2, Sélection des publications significatives : Cette deuxième partie illustre les contributions menées en présentant plusieurs articles scientifiques. Partie 3 : Travaux de recherche détaillés et perspectives (document séparé) Cette troisième partie présente de façon approfondie les différents travaux que j'ai menés depuis l'obtention de mon doctorat. Elle propose tout d'abord une introduction afin de positionner les différentes contributions et les trois axes de recherche autour desquels s'articulent mes travaux. Chaque axe est ensuite détaillé et une sélection de certains travaux est proposée afin d'illustrer l'activité menée. Enfin, une conclusion et des perspectives sont proposées afin de préciser les actions envisagées dans l'avenir.

La compatibilité électromagnétique (CEM) est l'une des contraintes majeures de la conception des structures de l'électronique de puissance. Pour le cas des convertisseurs statiques, la commutation des semi-conducteurs et leurs interactions avec les éléments parasites liés à l'environnement sont la source principale des perturbations conduites. Cette interaction ne cesse d'augmenter notamment avec l'industrialisation des nouvelles générations de semi-conducteurs à grand gap qui deviennent de plus en plus impressionnantes grâces à leurs faibles pertes en commutation et à leur rapidité croissante. Malheureusement, l'étude de ces perturbations est souvent considérée comme le dernier obstacle à la commercialisation et elle n'est pas prise comme contrainte de conception. L'estimation a priori de ces perturbations par la simulation peut permettre un gain considérable tant sur le plan économique que sur le temps de traitement. Dans ce mémoire, nous mettons l'accent sur les modèles de composants semi-conducteurs et leurs effets sur les perturbations conduites dans les convertisseurs statiques. Cette étude mettra aussi en évidence les problèmes liés aux simulations temporelles ou fréquentielles et l'utilité de chacune. Ensuite, nous proposons des modèles pour le MOSFET et pour la diode Shottky en technologie carbure de silicium et nous analysons l'influence de leurs paramètres sur les perturbations conduites dans un circuit de hacheur. Nous exposons aussi une approche permettant d'obtenir des temps de simulation plus raisonnables en introduisant le principe de contrôle des signaux parasites et des cycles de fonctionnement. Finalement, nous introduisons une nouvelle méthode de description des commutations par des sources équivalentes. Nous montrons qu'il est possible à partir de l'étude de la loi de commande de proposer une méthode de synthèse d'une cellule de commutation permettant de reconstruire ses grandeurs électriques de sortie.