La thèse porte sur le développement de composants à base d’hétérojonction AlGaN/GaN. Cette hétérojonction permet de bénéficier d’une excellente mobilité (2000 cm²/V.s) grâce à l’apparition d’un gaz d’électron dans le GaN. Cependant, les composants fabriqués sur cette hétérojonction sont normally-on. Pour des raisons de sécurité et d’habitude de conception des composants normally-off sont nécessaires. Il existe de nombreuses façons de fabriquer des transistors normally-off à base d’hétérojonction AlGaN/GaN, dans cette thèse nous avons choisi d’étudier un MOSCHEMT, cette structure est caractérisée par une grille de type MOS et des accès de type HEMT possédant les excellentes propriétés de l’hétérojonction, en fonction des paramètres technologiques : épitaxie, process et structure des composants. L’une des variations technologiques étudiées est une structure cascodée permettant d’améliorer les performances à l’état passant sans détériorer la caractéristique en blocage des composants. L’objectif est de concevoir un composant normally-off sur substrat silicium 200 mm avec une tension de seuil supérieure à 1V, pouvant tenir 600 V en blocage, avec un calibre en courant entre 10 A et 30 A et compatible en salle blanche CMOS. Le manuscrit comporte quatre chapitres. Grâce à une étude bibliographique, le premier chapitre présente les différentes méthodes permettant d’obtenir un transistor normally-off à base de nitrure de gallium. Ce chapitre présente et justifie le choix technologique du CEA-LETI. Le deuxième chapitre présente les modèles ainsi que les méthodes de caractérisations utilisés au cours de la thèse. Le troisième chapitre traite des résultats obtenus en faisant varier les paramètres de fabrication sur les MOSC-HEMT. Enfin, le quatrième chapitre montre une étude sur une technologie innovante de type cascode. Cette structure doit permettre d’augmenter la tension de claquage des transistors sans détériorer l’état passant. / This thesis focuses on the development of AlGaN/GaN heterojunction components or HEMT. This heterojunction has an excellent mobility (2000 cm² / V.s) thanks to the appearance of an electron gas in the GaN. However, the components made with this heterojunction are normally-on. For safety reasons particularly, normally-off components are required. There are many ways to make normally-off transistors based on AlGaN/GaN heterojunction. In this thesis we chose to study a MOSCHEMT strucutre. This structure is characterized by a MOS type gate and HEMT type accesses. The study shows the effects of technological parameters (epitaxy, process and component structure) on the electrical behaviour of the components. Another structure studied is the monolithic cascode, which can improve on-state performance of the MOSC-HEMT without damaging the characteristic in reverse of the components. The objective of this thesis is to design a normally-off component on silicon substrate 200 mm with a threshold voltage higher than 1V, able to hold 600 V in reverse, with a current rating between 10 A and 30 A and compatible in CMOS clean room. The manuscript has four chapters. Through a bibliographic review, the first chapter presents the different methods to obtain a normally-off transistor based on gallium nitride. This chapter presents and justifies the technological choice of CEA-LETI. The second chapter presents the models as well as the methods of characterizations used during the thesis. The third chapter deals with the results obtained by varying the manufacturing parameters on the MOSC-HEMTs. Finally, the fourth chapter shows a study on innovative cascode technology. This structure must make it possible to increase the breakdown voltage of the transistors without damaging the on state.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont bien adaptés pour fonctionner dans des environnements à haute température, haute puissance, haute tension et haute radiation. Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur à large bande d'énergie interdite. Ce matériau possède des caractéristiques en température et une tenue aux champs électriques bien supérieure à celles de silicium. Ces caractéristiques permettent des améliorations significatives dans une grande variété d'applications et de systèmes. Parmi les interrupteurs existants, le JFET en SiC est l'interrupteur le plus avancé dans son développement technologique, et il est au stade de la pré-commercialisation. Le travail réalisé au cours de cette thèse consiste à caractériser électriquement des JFET- SiC de SiCED en fonction de la température (25°C-300°C). Des mesures ont été réalisé en statique (courant-tension), en dynamique (capacité-tension) et en commutation sur charge R-L (résistive-inductives) et dans un bras d'onduleur. Un modèle multi-physique du transistor VJFET de SiCED à un canal latéral a été présenté. Le modèle a été développé en langage MAST et validé aussi bien en mode de fonctionnement statique que dynamique en utilisant le simulateur SABER. Ce modèle inclut une représentation asymétrique du canal latéral et les capacités de jonction de la structure. La validation du modèle montre une bonne concordance entre les mesures et la simulation.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d'intégrer ces composants dans un système électronique, l'analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L'objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d'hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d'analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L'étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L'étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%.

Cette these a pour cadre l'optimisation de films minces (1-10 microns) polymeres hybrides pour la realisation de composants passifs et actifs de l'optique integree. Nous avons plus precisement etudie la mobilite de molecules d'azobenzene soumises a des excitations electriques et photoniques dans deux types de matrices sol-gel : - dans une matrice faiblement reticulee, le processus de photo-isomerisation conduit a des phenomenes de migration moleculaire pouvant provoquer des deformations de surface spectaculaires (> 1 micron). Notre etude a porte plus particulierement sur la reponse du materiau vis-a-vis du de l'intensite, de la polarisation et des frequences spatiales de la figure d'illumination (franges d'interferences). On decrit aussi la realisation d'un coupleur a reseau, qui constitue l'un des composants passifs de l'optique integree. - dans une matrice fortement reticulee, l'orientation thermo-assistee des molecules d'azobenzene par un champ electrostatique applique au film permet de briser la centrosymetrie du materiau et de lui conferer des proprietes non-lineaires quadratiques. Les mecanismes d'orientation ont ete plus finement etudies en analysant l'influence de la concentration moleculaire sur l'efficacite du doublage de frequence par le materiau. On montre qu'un moyen d'ecranter les interactions dipolaires et ainsi d'augmenter notablement la mobilite des molecules actives est d'incorporer dans le materiau des groupements steriques passifs. Appliquee a des molecules optimisees par l'ingenierie moleculaire, cette strategie supramoleculaire a permis d'obtenir de forts coefficients electro-optiques stables a temperature ambiante et depassant ceux des meilleurs materiaux inorganiques (> 50 pm/v a 832 nm). Si de plus, les groupements steriques presentent des proprietes de photoconduction, on realise un materiau photorefractif. Nous avons analyse les proprietes originales d'un systeme presentant un effet photorefractif sans champ applique. .

Ces dernières années ont vu apparaître sur le marché les premiers transistors de puissance de type MOSFET en carbure de silicium. Ce type de composant est particulièrement adapté à la réalisation d’équipement électrique à haut rendement et capable de fonctionner à haute température. Néanmoins, la question de la fiabilité doit être posée avant de pouvoir envisager la mise en œuvre de ces composants dans des applications aéronautiques ou spatiales. Les mécanismes de défaillance liés à l’oxyde de grille ont pendant longtemps retardé la mise sur le marché des transistors à grille isolée en carbure de silicium. Cette étude s’attache donc à estimer la durée de vie des MOSFET SiC de 1ére génération. Dans un premier temps, le mécanisme connu sous le nom de Time Dependent Dielectric Breakdown(TDDB) a été étudié au travers de résultats expérimentaux issus de la bibliographie. Notre analyse nous a permis de justifier de l’emploi d’une loi de Weibull pour modéliser la distribution des temps à défaillance issue de ces tests. Les résultats nous ont également permis de confirmer l’amélioration significative de la fiabilité de ces structures vis-à-vis de ce mécanisme. Dans un second temps, l’impact du mécanisme d’instabilité de la tension de seuil sur la fiabilité a été quantifié au travers de tests de vieillissement de type HTGB. Les données de dégradation ainsi collectées ont été modélisées à l’aide d’un processus gamma non-homogène, qui nous a permis de prendre en compte la variabilité entre les composants testés dans des conditions identiques et de proposer des facteurs d’accélération en tension et en température pour ce mécanisme. Enfin, ces travaux ont permis d’ouvrir la voie à la mise en œuvre d’outils de pronostic de la durée de vie résiduelle pour les équipements électriques. / Recent years have seen SiC MOSFET reach the industrial market. This type of device is particularly adapted to the design of power electronics equipment with high efficiency and high reliability capable to operate in high ambient temperature. Nevertheless the question of the SiC MOSFET reliability has to be addressed prior to considering the implementation of such devices in an aeronautic application. The failure mechanisms linked to the gate oxide of the SiC MOSFET have for a long time prevented the introduction of the device. In this manuscript we propose to study the reliability of the first generation of SiC MOSFET. First, the mechanism known as the Time–Dependent Dielectric Breakdown is studied through experimental results extracted from literature. Our study shows the successful application of a Weibull law to model the time-to-failure distribution extracted from the accelerated tests. The results show also a significant improvement of the SiC MOSFET structure with respect to this phenomenon. In a second step, the impact of the threshold voltage instability is quantified through accelerated tests known as High Temperature Gate Bias. The collected degradation data are modeled using a non-homogeneous Gamma process. This approach allows taking into account the variability between devices tested under the same conditions. Acceleration factors have been proposed with respect to temperature and gate voltage. Eventually the study delivers a primary estimation of the remaining useful lifetime of the SiC MOSFET in a typical aeronautic application.

Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part.<p><p>Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements.<p><p>Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs.<p><p>Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées.<p><p>Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques.<p><p>D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D.<p><p>Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d'équiper la nouvelle station sol de l'ESA. Les performances requises sont une stabilité de fréquence σy (τ) ≤ 3 × 10−15 pour τ ∈ [1 − 1000 s] et un bruit de phase Sφ (1 Hz) = −93 dB.rad2 /Hz pour une autonomie de 2 ans. Cette référence de fréquence doit également possèder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO. Elisa intègre dans une boucle d'entretien un résonateur saphir (Al2 O3 ) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. A cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1 × 109 . Le mode opérationnel W GH15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et à la littérature. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10GHz - D où D est un “intervalle de confiance” égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisament éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l'écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d'usinage. D peut être compensé par l'intermédiaire d'un “Direct Digital Synthesizer” intégré dans le chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis. Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d'atteindre une sélection modale performante. Tous les éléments nécessaire à la construction d'Elisa sont analysés en détails. Une méthode originale de mesure de bruit d'amplitude de détecteurs quadratiques, l'étude d'électroniques faibles bruits, le principe d'une chaîne de synthèse sur base d'un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, nous avons focalisé notre étude sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique. Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l'ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3 × 10−15 a été mesurée pour τ ∈ [1 − 1000 s]. Elle atteint 1, 4 × 10−15 à τ = 20 s. La mesure de bruit de phase montre Sφ (1 Hz) = −98 dB.rad2 /Hz. La chaîne de synthèse permet le tranfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4, 5 × 10−15 place Elisa à l'état-de-l'art.

L'objectif de réduction de la consommation en kérosène des avions passant par une plus grande efficacité des systèmes, la distribution électrique devient un moyen privilégié pour satisfaire les besoins. Dans ce cadre, la notion d'avion « plus électrique » implique de revoir les systèmes de distribution et d'étudier, notamment, le passage en haute tension continue(HVDC). Une description générale des systèmes embarqués sur les avions civils est donnée dans ce manuscrit ainsi qu'une description des avantages et inconvénients des différents vecteurs énergétiques permettant de mieux situer les gains envisageables lors du passage à l'électrification des systèmes. Cependant, la mise en place de la distribution HVDC peut entraîner de nouveaux problèmes, notamment de qualité et/ou d'instabilité. Afin de palier ces problèmes, une architecture est proposée dans laquelle les équipements sont reliés entre eux par des coeurs de distribution eux-mêmes liés par des organes de transferts de puissances pouvant maîtriser ces transferts: on parle alors de réseau maillé. Pour pouvoir réaliser ces transferts, deux types d'équipements électroniques de puissance sont proposés : le DCPFC (Direct Current Power Flow Controler) et le MAPFC (Mixed function for Actuation and Power Flow Control). Ces équipements imposent une gestion énergétique spécifique: il faut déterminer les modes de fonctionnement des équipements ainsi que les références des puissances à transférer. Pour cela, une modélisation du réseau sous forme de graphe est effectuée, ceci se traduisant par un algorithme générique permettant de déterminer les équations structurelles du réseau ainsi que deux algorithmes servant à contrôler des grandeurs distinctes: Les grandeurs discrètes sont contrôlées par un système expert détenant un ensemble de règles de fonctionnement ; Les grandeurs continues sont gérées par un algorithme de recherche de flot dans un graphe. Après la mise en place en simulation de l'ensemble du réseau maillé, un banc d'essai expérimental valide les principes décrits théoriquement et permet l'étude de différentes gestions énergétiques (tout autant qu'il permet de tester un équipement seul ou le réseau dans une configuration non-maillée). Finalement, une exploitation des concepts sur un réseau répondant aux normes aéronautiques est développée. Ceci posant notamment des problèmes aux niveaux de la conception des équipements mais également sur l'architecture actuelle des réseaux électriques (connexion du neutre des générateurs, protection des personnes, compatibilité électromagnétique, etc.).

Nous avons étudié la formation de nanogaps par électromigration dans des nanofils d'or. Cette technique consiste à provoquer la rupture d'un nanofil en lui appliquant de fortes densités de courant et peut être utilisée pour la caractérisation électrique de nano-objets. L'étude en temps réel du processus d'électromigration par microscopie à force atomique a permis d'apporter un éclairage nouveau de la dynamique du processus. En effet, il apparaît que la structure globale du dispositif est définie dans les premiers temps de l'électromigration et nous avons montré que cette structure est directement liée à la microstructure du film métallique. Pour la première fois, des nanogaps ont été élaborés par électromigration dans des films monocristallins. Malgré l'absence de joints de grain, il est possible de former des nanogaps dans un matériau épitaxié. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des nanogaps avec une morphologie plus reproductible. Les propriétés de transports des nanogaps obtenus à partir de films polycristallins ont été caractérisées. Les caractéristiques obtenues présentent toutes des signatures particulières, attribuées à la présence d'agrégats d'or provenant de la procédure d'électromigration et/ou de polymères issus du procédé de nanofabrication. Ces résultats montrent la difficulté à réaliser des mesures à l'échelle de la molécule unique.