Les transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Si/SiGe:C disponibles aujourd'hui dans les technologies BiCMOS atteignent des fréquences de coupure fT et fmax supérieures à 200GHz. Cela leur permet d'adresser des applications dans le domaine millimétrique jusqu'à 100GHz telles que les radars anticollision pour l'automobile et les communications optiques et sans fil à haut débit. Cette thèse a pour objet le développement et l'étude de TBH Si/SiGe:C pour les technologies BiCMOS millimétriques. Après un rappel des principes de fonctionnement du transistor bipolaire, nous montrons les méthodes de fabrication, caractérisation et modélisation des dispositifs de dernière génération. Les architectures choisies et les performances obtenues par les principaux acteurs du marché sont détaillées. Nous présentons ensuite des études menées pour le développement de la technologie BiCMOS9MW de STMicroelectronics. Une version faible-coût du TBH rapide ainsi qu'un dispositif haute-tension compatible avec la technologie sont présentés et les résultats à l'état de l'art obtenus sur les deux architectures sont montrés. Nous étudions également l'impact des variations des paramètres technologiques et de la géométrie des dispositifs sur les principales caractéristiques de ces composants. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de nouvelles solutions technologiques afin d'améliorer encore la fréquence de transition des TBH Si/SiGe:C. Un optimisation du profil vertical du TBH a pu être réalisée grâce au développement d'un nouveau module de collecteur utilisant une épitaxie sélective et la réduction du budget thermique vu par les dispositifs durant leur fabrication. Cette dernière étude a permis d'atteindre une fréquence de transition fT· supérieure à 400GHz à température ambiante, ce qui représente la meilleure performance obtenue à ce jour pour un transistor en technologie silicium. / Si/SiGe:C heterojunction bipolar transistors integrated in BiCMOS technologies now reach cut-off frequencies fT and fmax larger than 200GHz. This allows them to address millimeter-wave applications up to 100GHz such as anti-collision automobile radars and optical and wireless communications. The purpose of this thesis is the development and the study of Si/SiGe:C HBTs for millimeter-wave BiCMOS technologies. After a reminder of the bipolar transistor theory, we show the methods of fabrication, characterization and modeling of high-speed devices. The architectures chosen by the main manufacturers of the semiconductor market are detailed and the obtained performances are compared. Then, we present the investigations driven for the development of the BiCMOS9MW technology from STMicroelectronics. A low-cost version of the high-speed HBT and a high-voltage device fully compatible with the technology are presented and the state-of-the-art results are shown. We also study the impact of the variations of the technological parameters and the design mIes on the main characteristics of devices. The last part of this work is dedicated to the development of new technological solutions in order to further improve the transition frequency fT of Si/SiGe:C HBTs. An optimization of the vertical profile has been realized thanks to the development of a new collector module using a selective epitaxy and to the reduction of the thermal budget during the devices fabrication. This last study leads to an improvement of the transition frequency fT above 400GHz at room temperature, this is the best performance obtained to date for a transistor in silicon technology.

Le but de cette thèse est d'explorer les opportunités de design au-delà des fréquences millimétriques en se rapprochant le plus possible de la bande THz en technologie CMOS. L’application spécifique est la détection hétérodyne pour l'imagerie THz. Sachant qu’on vise des fréquences autour de 280 GHz et on travaille avec la technologie CMOS 65 nm, les composant réalisés fonctionnent 80 GHz au-dessus de la fréquence de coupure fmax des transistors utilisés. En termes de réalisation on a développé deux oscillateurs à verrouillage par injection sous-harmonique fonctionnant autour de 280 GHz. La fréquence d’injection de chaque oscillateur est d’environ 47 GHz (1/6 de la fréquence de sortie). Afin de produire des oscillations au-delà de fmax, des techniques de génération harmonique ont été utilisées (push-push, triple-push, etc). Les oscillateurs génèrent des signaux de – 19 et – 14 dBm de puissance à 280 GHz. Chaque composant a été utilisé comme oscillateur local pour des récepteurs hétérodynes fonctionnant à la même fréquence. Ces récepteurs n’ont pas de LNA au début de la chaîne à cause des faibles fréquences de coure néanmoins ils utilisent des mélangeurs passifs afin de pouvoir multiplier des signaux au-delà des limites. Les deux récepteurs développés ont un gain de conversion de – 6 dB et ont des figures de bruit (NF) de 36 et 30 dB. La version la plus performante du récepteur (30 dB de NF) a été intégrée avec une antenne développée par le Labsticc afin de pouvoir réaliser des images Sub-THz avec la détection hétérodyne. / The main goal of this thesis is to explore design opportunities beyond the millimeter wave frequencies and to get as close as possible to the THz band using CMOS technologies. The main application is the heterodyne detection for THz imaging. The cut-off frequencies ft/fmax of the used process (65 nm CMOS) are 150/205 GHz, the chosen operation frequency of the developed systems is 280 GHz which means that the circuits developed during this thesis operate at least 80 GHz beyond their fmax cut-off frequency. Two 280 GHz sub-harmonic injection locked oscillators were developed, the injection frequency corresponds to one sixth of the ouput frequency. In order to generate oscillations beyond fmax, harmonic boost techniques are used such as the push-push and triple push techniques. The output power of the oscillators are - 19 and - 14 dBm at 280 GHz. Both components were used as local oscillators for two heterodyne receivers operating around the same frequency. In order to down-covert the Sub-THz signal, a passive resistive mixer is used; this kind of circuit allows mixing beyond the active transistor limits. Also there is no LNA at the begining of the Rx chain since the cut-off frequencies are very low and there will be no gain for amplification at 280 GHz. The conversion gain of both receivers is - 6 dB however the NF's are 36 dB and 30 dB. The best receiver (30 dB) is co-integrated with an antenna (developed by Labsticc) using the same process allowing heterodyne detection THz imaging.

Les aubes des turbomachines modernes sont de plus en plus fines, légères et chargées aérodynamiquement. Cette tendance accroît l'apparition de phénomènes aéroélastiques tel que le flottement qui conduit à la rupture si l'amortissement est insuffisant. Bien que les outils numériques soient de plus en plus robustes, la fiabilité de sa prédiction demeure insuffisante. La nature critique du phénomène et le manque de données expérimentales pour des écoulements typiques de l'industrie encouragent des travaux de recherche. Dans ce contexte, la présente thèse est dédiée à l'étude du flottement dans des configurations récentes de turbine à travers l'analyse aérodynamique des écoulements subsoniques ou supersoniques soumis à un mode de structure vibratoire imposé. L'objectif est de fournir des éléments de compréhension des mécanismes potentiellement générateurs de flottement pour une meilleure intégration lors de la conception des aubes. L’approche consiste à mener des travaux expérimentaux et numériques. La partie expérimentale s'appuie sur un secteur de grille annulaire constitué de sept aubes dont une peut osciller de manière contrôlée. Les fluctuations de pressions instationnaires générées sont mesurées avec la technique dite des coefficients d'influence pour différents paramètres mécaniques et aérodynamiques : déformées modales pures et combinées, fréquence réduite, nombre de Mach, angle d'incidence. Complétée par des mesures de niveau de turbulence, la base de données vise à évaluer l'influence de ces paramètres sur la réponse aéroélastique, à valider le principe de superposition linéaire et à soutenir les codes numériques. La partie numérique se base sur des calculs instationnaires linéarisés dans le domaine fréquentiel en utilisant la technique dite des "ondes propagatives" (traveling wave mode).Deux cas de turbines spatiales industrielles sont étudiés.• Des calculs 2D sont réalisés sur une turbine monobloc ou blisk. L'amortissement mécanique quasi-nul entraîne des déformées complexes avec couplage de modes et des fréquences réduites très élevées. Bien que les aubes soient prédites stables, une méthodologie basée sur des décompositions géométriques élémentaires est présentée afin d'identifier les contributions déstabilisantes. Les résultats aboutissent étonnamment aux conclusions de la théorie du flottement classique : la torsion est une source potentielle d'instabilité. De plus, le coefficient d'amortissement aérodynamique a été trouvé extrêmement sensible au déphasage interaube et aux fréquences de coupure (modes cut-on/cut-off).• Des calculs 3D sont ensuite réalisés sur une turbine supersonique. L'écoulement présente des ondes de chocs avec décollement de la couche limite et le mouvement de l'aube est de nature élémentaire, i.e. purement axial. Les aubes ont été prédites instables pour les modes rétrogrades et stables pour les modes propagatifs. En dépit des fortes hypothèses, des analyses quasi-stationnaires rendent compte des mécanismes de flottement : la phase entre le mouvement du choc et l'excitation établit la frontière entre configurations stable et instable. / Modern turbomachines are designed towards thinner, lighter and highly loaded blades. This gives rise to increased sensitivity to flow induced vibrations such as flutter, which leads to structure failure in a short period of time if not sufficiently damped. Although numerical tools are more and more reliable, flutter prediction still depends on a large degree on simplified models. In addition, the critical nature of flutter, resulting in poor welldocumented real cases in the open literature, and the lack of experimental database typical of engine flows make its apprehension even more challenging. In that context, the present thesis is dedicated to study flutter in recent turbines through aerodynamic analysis of subsonic or supersonic flows in response to a prescribed vibratory mode of the structure. The objective is to highlight some mechanisms potentially responsible for flutter in order to be in better position when designing blades. The strategy consists in leading both experimental and numerical investigations. The experimental part is based on a worldwide unique annular turbine sector cascade employed for measuring the aeroelastic response by means of the aerodynamic influence coefficient technique. The cascade comprises seven low pressure gas turbine blades one of which can oscillate in a controlled way as a rigid body. Aeroelastic responses are measured at various mechanical and aerodynamic parameters: pure and combined modeshapes, reduced frequency, Mach number, incidence angle. In addition to turbulence level measurements, the database aims at assessing the influence of these parameters on the aerodynamic damping, at validating the linear combination principle and at providing input for numerical tools. The numerical part is based on unsteady computations linearized in the frequency domain and performed in the traveling wave mode. The focus is put on two industrial space turbines: 2D computations are performed on an integrally bladed disk, also called blisk; its very low viscous material damping results in complex motions with combined modes and extremely high reduced frequency. The blisk operates at low subsonic conditions without strong non-linearities. Although the blades have been predicted aeroelastically stable, an original methodology based on elementary decompositions of the blade motion is presented to identify the destabilizing movements. The results suggest that the so-called classical flutter is surprisingly prone to occur. Moreover, the aerodynamic damping has been found extremely sensitive to the interblade phase angle and cut-on/cut-off conditions.• 3D computations are then performed on a supersonic turbine, which features shockwaves and boundary layer separation. In contrast, the blade motion is of elementary nature, i.e. purely axial. The blades have been predicted aeroelastically unstable for backward traveling waves and stable for forward traveling waves. The low reduced frequencies allow quasi-steady analysis, which still account for flutter mechanisms: the shock wave motion establishes the boundary between stable and unstable configurations.