Ce mémoire de thèse traite de la fiabilité des circuits intégrés monolithiques en Arséniure de Gallium pour l'amplification de puissance micro-ondes a bord des satellites de télécommunications et d'observation. L'objectif de ce travail est de déterminer des règles de réduction des contraintes (en termes de température, courant, tension, puissance) appliquées aux circuits micro-ondes. La première partie énonce les notions fondamentales de la fiabilité des composants en Arséniure de Gallium suivis d'une synthèse des principaux mécanismes de défaillances des transistors à effet de champ en Arséniure de Gallium. Le second chapitre propose une méthodologie permettant l'évaluation de la fiabilité des circuits intégrés à semi conducteur basée sur la définition des véhicules de test et sur la mise en oeuvre d'essais de fiabilité appropriés. A partir des résultats obtenus lors des essais de stockage à haute température et de vieillissement sous contraintes électriques statiques, la fiabilité de la technologie est évaluée. Cette partie fait l'objet du troisième chapitre. Nous validons dans le quatrième chapitre l'application considérée (l'amplification de puissance en bande X) au travers d'essais de vieillissement sous contraintes électriques dynamiques. Le mécanisme de dégradation activé lors du fonctionnement du transistor en amplification de puissance est dû à la multiplication des porteurs par ionisation par impact. A partir de cette analyse, une méthodologie alliant la simulation électrique non-linéaire avec des essais de vieillissement accéléré de courte durée est dégagée. Cette méthodologie permet d'évaluer la fiabilité des transistors de puissance en Arséniure de Gallium dés le stade de la conception des équipements.

Dans cette thèse on a développé des algorithmes semi-implicites procédures partagées et monolithiques pour l'interaction entre un fluide gouverné par le modèle de Navier Stokes et une structure. Dans le premier chapitre, on présente un algorithme semi-implicite procédures partagées pour l'interaction entre un fluide et une structure gouvernée soit par les équations d'élasticité linéaire ou soit par le modèle de Saint-Venant Kirchhoff non linéaire. Dans le second chapitre, on propose un algorithme semi-implicite procédures partagées pour l'interaction entre un fluide et une structure de modèle linéaire et on montre un résultat de stabilité inconditionnelle en temps de l'algorithme. Un problème d'optimisation est résolu dans les deux algorithmes précédents, afin de satisfaire les conditions de continuité des vitesses et d'égalité des contraintes à l'interface. Durant les itérations de BFGS pour résoudre le problème d'optimisation, le maillage fluide reste fixe et la matrice fluide n'est factorisée qu'une seule fois, ce qui réduit l'effort de calcul. Dans le troisième chapitre, un algorithme semi-implicite monolithique pour l'interaction entre un fluide et une structure de modèle linéaire est proposé. L'algorithme utilise un maillage global pour le domaine fluide structure. La condition de continuité des vitesses à l'interface est automatiquement satisfaite et celle de l'égalité des contraintes n'apparaît pas explicitement dans la formulation faible. A chaque pas de temps on résout un système monolithique d'inconnues vitesse et pression définies sur le domaine global. Le temps CPU est réduit quand l'approche monolithique est utilisée à la place des procédures partagées.

La cinétique et l'exothermicité de la synthèse de Fischer-Tropsch en font un réaction délicate à mener. L'utilisation de réacteurs miniaturisés, qui permettent un meilleur contrôle thermique et utilisent des modes de mise en contact des réactifs et du catalyseur essentiellement contrôlés par la diffusion, pourrait apparaître comme un moyen d'améliorer la maîtrise des conditions de synthèse. Le but de ce travail est de proposer des outils permettant l'application et l'étude de la dite synthèse dans des réacteurs de 200μL de volume.<br />Des réacteurs assemblés à partir de feuillets structurés ont été réalisés. Un méthode de greffage de catalyseur Co/SiO2 sur un inox préalablement traité a été proposée. Le rôle du prétraitement est de permettre l'adhésion du revêtement catalytique sur le substrat. La méthode de greffage par sol-gel assisté par aérosol a permis d'obtenir des films catalytiques d'épaisseur contrôlée.<br />Les revêtements ont été testés en synthèse de Fischer-Tropsch sous conditions de réactions variables et dans deux réacteurs différents. L'examen des performances expérimentales a permis l'établissement de la vitesse de consommation de CO, modélisée pour les deux environnement fluidiques pour une gamme de conversion de 10 à 30 %. La comparaison avec des systèmes catalytiques similaires souligne le potentiel supérieur des réacteurs structurés miniatures en terme d'accroissement de la productivité principalement.

Un nouveau circuit de protection contre les surtensions a été développé. Dans ce circuit de protection, la partie<br />dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification<br />technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du<br />transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. En même temps, elle réduit au minimum les<br />problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de<br />ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des<br />transistors pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi.<br />Ce modèle se distingue des modèles existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire.<br />Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la<br />différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du<br />transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégés<br />que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux<br />MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.

Ce rapport de synthèse présente l'activité de recherche conduite au LEG par<br />Jean-Christophe Crébier sur intégration monolithique autour et au sein des<br />composants de puissance. La première partie présente les grandes lignes de ce<br />thème de recherche à travers la présentation des activités de recherche passées et<br />en cours et leurs positionnements par rapport à la communauté nationale et<br />internationale, scientifique et industrielles. Deux volets traitent par en particulier<br />des thèmes : auto-alimentation des commande de grille et protection réflexe en<br />tension. L'approche système, le contexte particulier de l'intégration monolithique<br />et les forts couplages de l'activité aux procédés technologiques sont abordés en<br />détails. La seconde partie du document de synthèse présente les perspectives de<br />recherche rattachées à cette thématique. On découvre entre autres les évolutions<br />futures envisagées vis à vis des travaux actuels. En particulier, la vision globale<br />des perspectives intégration de l'environnement électronique du composant de<br />puissance est bien détaillée, depuis l'alimentation, l'amplification de l'étage de<br />commande rapprochée jusqu'aux protections et dispositifs d'interfaçages. Un<br />volet particulier aborde le thème de la conception et plus particulièrement celui<br />de la conception assistée et de la capitalisation en intégration des systèmes de<br />puissance sur silicium.

La problématique entourant la mise en oeuvre, la conception et le conditionnement de micro-capteurs au sein d'une application embarquée représente un enjeu industriel majeur, consiste en un vaste ensemble de défis techniques et touche à de nombreux champs de recherche scientifiques comme d'applications commerciales. Ce mémoire de thèse compile de manière pédagogique et détaillée la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d'un capteur MEMS constitué d'un simple micro-filament destiné à la mesure, mutuellement, de la température, de la pression et de l'humidité d'une ambiance gazeuse, en utilisant un même et mutuel étage de conditionnement du signal - ce qui en tant que tel constitue une méthode d'intégration particulièrement originale qui est arbitrairement référencée comme "intégration totale". Aussi, le principe physique sous jacent à ce triplet de mesurage est la diffusion par conduction de la chaleur, produite par effet Joule dans l'élément sensible, à travers l'échantillon gazeux l'environnant. Ainsi, le principe de fonctionnement consiste en ce que, la réponse transitoire d'un tel ensemble permet d'une part de mettre en évidence, simultanément et de manière diagonalisable, à une température donnée, l'influence de la pression et de l'humidité sur la conductivité thermique et la capacité calorifique du couple sonde/échantillon. D'autre part, l'élément sensible est spécifiquement prévu pour que dans les conditions initiales du régime transitoire de l'échauffement, sa résistance électrique ne soit sensible qu'à la seule température ambiante, indépendamment des deux mesurandes.

Dans un contexte où les limites intrinsèques des matériaux classiques de l'industrie CMOS sont en passe d'être atteintes du fait de la forte miniaturisation des composants, le développement de la microélectronique requiert la définition de nouvelles solutions pour combiner sur un même substrat (le silicium) des matériaux différents aux propriétés physiques variées. Ceci devrait permettre d'intégrer sur silicium des fonctionnalités nouvelles. Parmi les matériaux d'intérêt, les oxydes fonctionnels de la famille des pérovskites offrent une large gamme de propriétés et attirent donc une attention particulière. D'autre part, la recherche se porte aussi sur les semi-conducteurs de la classe III-V et le Ge pour leurs propriétés optiques ou de transport de charges. Cependant, la grande hétérogénéité chimique et cristallographique entre ces matériaux rend leur association sur silicium par voie épitaxiale particulièrement délicate. Dans ce contexte, ce travail de thèse consiste en une étude approfondie de l'interface Ge sur SrTiO3et des mécanismes à l'origine des modes d'accommodation et de croissance du semi-conducteur sur le substrat pérovskite. Les échantillons, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires, ont été étudiés par caractérisations in situ, au synchrotron, diffraction de rayons X en incidence rasante et spectroscopie de photoémission. Des images de microscopie électronique en transmission sont venues compléter cette étude. La combinaison de ces résultats a permis de comprendre et de décrire deux aspects spécifiques des systèmes III-V et Ge sur SrTiO3. Le mode de croissance Volmer-Weber et la compétition entre les orientations cristallines(001) et (111) du Ge sont décrits dans une première partie. La relation d'épitaxie de Ge/SrTiO3est identifiée et l'influence des énergies d'adhésion et de surface libre du semi-conducteur sur sa croissance est élucidée. Dans une deuxième partie, le mode d'accommodation du Ge est plus spécifiquement étudié. La mise en place d'un réseau de dislocations d'interface est observée expérimentalement et analysée à l'aide d'un modèle numérique. Ce travail de thèse a permis de discuter de l'interface d'un système épitaxié très hétérogène et il ouvre des perspectives intéressantes, liées aux spécificités de l'accommodation aux interfaces semi-conducteurs/oxydes, pour l'intégration monolithique de Ge et de III-V sur des substrats d'oxydes/Si.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires G2ELAB et IMEP-LAHC en lien avec le projet BQR WiSiTUDe (Grenoble-INP). Le but de cette thèse concerne la conception, modélisation et caractérisation du gate driver intégré pour transistors de puissance à base d’un transformateur sans noyau pour le transfert isolé d'ordres de commutation. La thèse est composée de deux grandes parties : - Une partie de la conception, la modélisation et la caractérisation du transformateur intégré dans deux technologies CMOS 0.35 µm bulk et CMOS 0.18 µm SOI. - Une partie de la conception, la simulation et la mise en œuvre de deux circuits de commande intégrée dans ces deux technologies. Ainsi, l’aspect du système du convertisseur de puissance sera étudié en proposant une nouvelle conception couplée commande/puissance à faible charge. Les résultats de ce travail de thèse ont permis de valider les approches proposées. Deux modèles fiables (électrique 2D et électromagnétique 3D) du transformateur ont été établis et validés via une réalisation CMOS 0.35 µm standard. De plus, un driver CMOS bulk, intégrant l’ensemble du transformateur sans noyau avec plusieurs fonctions de pilotage de la commande rapprochée a été caractérisé et validé. Finalement, un gate driver générique a été conçu en technologie CMOS SOI, intégrant dans une seule puce les étages de commande éloignée, l’isolation galvanique et la commande rapprochée pour transistors de puissance. Ce gate driver présente nombre d’avantages en termes d’interconnexion, de la consommation de la surface de silicium, de la consommation énergétique du driver et de CEM. Les perspectives du travail de thèse sont multiples, à savoir d’une part l’assemblage 3D entre le gate driver et le composant de puissance et d’autre part les convertisseurs de multi-transistors. / This thesis work focuses on the design, modelling and the implementation of integrated gate drivers for power transistors based on CMOS coreless transformer. The main objectives of thesis are the design, modeling and characterization of coreless transformer in two technologies CMOS 0.35 µm bulk and CMOS 0.18 µm SOI, as well as the design and the characterization of two integrated gate drivers in these two technologies. The results of thesis allow us to validate our proposal models for coreless transformer: 2D electrical model and 3D electromagnetic model. Moreover, one CMOS bulk isolated gate driver which monolithically integrates the coreless transformer, the secondary side control circuit for power transistors has been fabricated and validated for both high side and low side configuration in a Buck converter. Finally, a CMOS SOI isolated gate driver is designed; integrates in one single chip the external control, the coreless transformer and the close gate driver circuit for power transistors. This one-chip solution presents a numerous advantages in term of interconnect parasitic, energy consumption, silicon surface consumption, and EMI with a high level of galvanic isolation. The perspectives of this SOI gate driver are multiple, on the one hand, are the 3D assemblies between gate driver/power transistors and on the other hand, are the multiple-switch converter.

Dans ce mémoire, nous proposons une structure IGBT symétrique en courant et en tension. Cet interrupteur monolithique et commandé par MOS devrait pouvoir remplacer la structure triac, actuellement le seul dispositif bidirectionnel monolithique commercialisé, dans des applications sur le réseau alternatif. En effet, le triac est un composant commandé en courant et nécessite une énergie de commande élevée par rapport aux structures commandées en tension. Nous avons dans un premier temps analysé les principales structures bidirectionnelles commandées en tension proposées dans la littérature afin de déterminer leurs avantages et leurs limitations. Nous avons ensuite étudié, conçu et réalisé la structure IGBT bidirectionnelle en courant et en tension. L'étude menée utilise des simulations 2D afin d'évaluer l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur les performances en conduction et en commutation de l'IGBT bidirectionnel. Deux voies technologiques pour la réalisation du composant ont été proposées et intégrées dans la filière IGBT du LAAS. La première voie est basée sur l'utilisation de la technique de photolithographie double face et la deuxième est basée sur la technique de soudure directe Si/Si. Une analyse approfondie des deux techniques nous a permis de mettre en évidence les atouts et les limites de chaque technique. Enfin, nous avons proposé une autre structure bidirectionnelle en courant et en tension, commandée par MOS et à électrodes coplanaires. En effet, cette structure originale a toutes ses électrodes de puissance et de commande sur une seule face du substrat ce qui permet de remédier à la difficulté d'encapsulation rencontrée avec la plupart des structures bidirectionnelles proposées dans la littérature. Cette architecture originale devrait en outre faciliter, en utilisant des techniques d'interconnexion 3D, l'intégration in package du dispositif de puissance avec sa commande. Une analyse du fonctionnement de cette structure est effectu ée à l'aide de simulations 2D et des éléments de conception et de réalisation ont été donnés.

En aéronautique, les contraintes sont telles que la masse des filtres peut représenterjusqu'à 50% de la masse totale du convertisseur. Ces dernières années, les convertisseursmulticellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés ont conduit à améliorer lesperformances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Denombreuses topologies de filtrages entrelacés existent, l'objectif principal de cette étude est detrouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à la réalisation d'un onduleurde tension 110Veff / 400Hz triphasé 25kVA. Il est démontré que le choix du type de matériaumagnétique a un impact déterminant sur le poids, le volume et les pertes du convertisseur. Quidit parallélisation, dit multiplication du nombre de semi-conducteurs. Ces nouvelles structuresdoivent garantir à la fois un rendement élevé, une masse faible et une continuté defonctionnement, même en cas de panne d'un semiconducteur de puissance ou de sacommande. Mais coupler les phases entre elles, impose un lien indissociable qui peut êtrenuisible au fonctionnement de la structure en cas de dysfonctionnement. Des solutionsexistent et sont abordées dans l'étude. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype semiindustrielde convertisseur triphasé utilisant des transformateurs interphases est présentée. Ils'agit d'un onduleur réseau avionique triphasé avec reconstruction de neutre pour fonctionneren déséquilibré. Les résultats expérimentaux démontrent l'avantage d'un convertisseur