Thèse de docteur-ingénieur : Génie mécanique : Villeurbanne, INSA : 2001. / Thèse : 2001ISAL0022. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p.160-165.

Les photodétecteurs ultraviolets actuels à base de silicium montrent des limitations inhérentes à la technologie en dépit de leur continuelle amélioration depuis ces dernières décennies. En collaboration avec l’Observatoire Royal de Belgique dans le cadre du projet LYRA (et BOLD), nous avons démontré la maturité des semiconducteurs à large bande interdite pour des applications dans les domaines spatiale et physique des hautes énergies. La disponibilité de ces nouveaux matériaux permet de surpasser les technologies existantes. En effet, de part leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, le diamant par exemple, est un des candidats idéal. Sa large bande interdite le rend insensible à la lumière visible et infrarouge (solarblind) et son excellente robustesse face aux radiations rend ce matériau très attractif pour des applications spatiales. Parallèlement à ce matériau, de nouveaux semiconducteurs nitrures à large bande interdite (AlN, BN) présentent des propriétés tout aussi remarquables et commencent à être élaborés avec succès. Le but de ce travail a été de concevoir et de fabriquer de nouveaux photodétecteurs UV innovants à base de ces matériaux. Cette activité a débuté par la simulation des propriétés de transports des matériaux à structure wurtzite par des modèles de types Monte Carlo, puis d’optimiser les performances des composants à élaborer par éléments finis au moyen du logiciel COMSOL® en tenant compte du matériau, de la géométrie de la structure, du design technologique, de la nature des électrodes (taille, contacts ohmiques, Schottky…), du couplage électro-thermique dans certain cas ainsi que des radiations incidentes. Différents capteurs UV ont ensuite été élaborés en salle blanche puis caractérisés sous rayonnement X-EUV d’une part et DUV-UV d’autre part. Les caractéristiques optoélectroniques (stabilité, fiabilité, sensibilité aux rayonnements UV, courant d'obscurité…) et les performances obtenues sont alors exposées pour chacun des matériaux étudiés. L’ensemble de ce travail a permis d’établir plusieurs performances à l’état de l’art sur diamant, AlN et BN et a contribué au développement du premier radiomètre solaire LYRA dans le domaine EUV au moyen de ces photodiodes diamant destinés au satellite PROBA2. / Currently, ultraviolet photodetectors based on silicon have shown limitations inherent to their technology in spite of their continual improvement for these last years. In collaboration with the Royal Observatory of Belgium within the LYRA (and BOLD) project, the maturity of the semiconductors with wide band gap is shown for specific applications in the space field and high-energy physics. The availability of these new materials makes it possible to exceed existing technologies. These materials present robustness, a radiation hardness and their wide band gap provide insensibility to visible and infrared lights. Indeed, because of their exceptional physical and chemical properties, diamond for example, is one of the ideal candidates from the point of view of fundamental research and technological applications. Furthermore, new nitrides semiconductors with wide band gap (AlN, BN) are now elaborated successfully and present remarkable properties such as diamond.The goal of this work was to design and to fabricate new UV photodetectors based on these materials. This work begins with determination of the transport properties of these semiconductors materials versus temperature by Monte Carlo simulation in order to optimize the performances of the photodetectors by means of a finite elements software based on COMSOL® by taking into account the material type, the geometry of the structure, the technological design, the nature of the electrodes (size, ohmic contacts, Schottky contacts, symmetry…) as well as incidental radiations. A physical-thermal coupling is implemented in some cases to determine the impact of thermal effects in device working behaviour. Various UV detectors are elaborated in clean room and characterized under X-EUV radiation on the one hand and DUV-UV on the other hand. The characteristics (stability, reliability, sensitivity to the radiations UV, dark current…) and the obtained performances are then described for each studied material. This work made it possible to establish several state of the art performances on diamond, AlN and BN and contributed to the development of the first solar EUV radiometer LYRA onboard PROBA2 satellite.

La vie dans la société contemporaine a changé énormément depuis l’invention du premier transistor électronique en 1947. L’apparition des transistors a permis la miniaturisation de systèmes électroniques de toute sorte dont la performance des transistors est aussi un aspect essentiel. Présentement, dans les marchés de semi-conducteurs à forte puissance et dans le secteur des technologies de l’information et des communications (TIC), les transistors GaN (Eg = 3,42 eV) présentent des avantages par rapport à leurs concurrents en Si et en GaAs pour les applications d’amplificateurs de puissance RF, la rectification et la commutation à forte puissance. La densité de puissance atteinte par les transistors GaN à effet de champ à haute mobilité (GaN-HEMTs) a dépassé 40 W∙mm[indice supérieur -1] à 4 GHz [Wu, Y.F. et al 2006]. Cependant, la génération de chaleur dans le canal provoque une augmentation de la température du semi-conducteur (autoéchauffement) qui provoque à la fois une diminution de la mobilité des électrons, ce qui va diminuer la performance du dispositif. Si la température du dispositif dépasse certaines limites, le dispositif risque de se dégrader de façon permanente avec un impact négatif sur la fiabilité [Nuttinck, S. et al., 2003]. Ainsi, il est très important de déterminer de façon fiable la température du canal dans les conditions réelles de fonctionnement pour modéliser le comportement des composants et pour obtenir les niveaux de performance et de fiabilité requises pour le progrès de cette technologie prometteuse. Ce projet vise au développement d’une nouvelle méthode de mesure de la température du canal des HEMTs AlGaN/GaN par contact direct avec les dispositifs, qui soit pratique et ne demande pas des systèmes sophistiqués ni dispendieux. Ainsi, on a réalisé la conception, la fabrication et la caractérisation d’une µRTD prototype potentiellement intégrable dans les dispositifs HEMT GaN. On a obtenu des capteurs qui fonctionnent de façon quasi linéaire dans une portée de températures de 25 à 275 °C et potentiellement au-delà de ces limites. On a réalisé des échantillons de transistors GaN avec des µRTDs intégrés, on a développé des dispositifs auxiliaires pour la calibration de µRTDs et pour la réalisation des mesures de température de canal (Tch) sous plusieurs conditions de polarisation. Dans un échantillon prototype, les valeurs de Tch mesurées avec le µRTD sont en accord avec des simulations 3D à éléments finis à plusieurs conditions de polarisation d’un dispositif sans-grille. Les mesures montrent des effets négligeables de perturbation électrique entre le dispositif et la µRTD [Arenas, O., et al., 2014 A]. Sur des échantillons de deuxième génération, on a mesuré la T[indice inférieur ch] d’HEMTs GaN sous plusieurs conditions de polarisation sur substrats en SiC et en saphir pour obtenir une carte Ids-Vds-Tch pour chaque dispositif [Arenas, O., et al., 2014 B]. Ainsi, les résultats obtenus démontrent que l’on peut mesurer la Tch d’un HEMT GaN polarisé en DC avec un µRTD avec peu d’interférence électrique et peu de perturbation thermique sans avoir besoin d’équipements sophistiqués ni onéreux. À l’avenir la méthode proposée peut potentiellement être appliquée sur dispositifs de plus petite taille si l’on utilise des technologies de fabrication basées sur la lithographie par faisceau d’électrons. Ainsi, elle pourra bientôt être disponible dans les plaques des dispositifs de production et de recherche.

Pas de résumé / No abstract

Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1978. N°: 567.

Les objets mobiles connectés prennent une place prépondérante dans notre vie de tous les jours mais l’autonomie énergétique est à ce jour limitée. Ainsi, le développement de dispositifs de stockage d’énergie performants et miniaturisés est un domaine en pleine expansion. Les performances de ces systèmes dépendent des matériaux dont sont constituées leurs électrodes et de l’électrolyte utilisé. Cette thèse est consacrée à la fabrication de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées composées de films minces de nitrure de vanadium (VN) déposé par pulvérisation cathodique. La modulation des paramètres de dépôt a permis de densifier les dépôts afin d’augmenter la conductivité électrique ou, au contraire, de rendre poreuses les couches minces pour favoriser la capacité surfacique. La caractérisation operando par spectroscopie d’absorption X d’un film mince de VN cyclé en milieu aqueux KOH couplée à des analyses de surface (XPS / TOF-SIMS) montre que la capacité élevée du VN est due à l’oxyde de vanadium présent en surface du film. Des micro-supercondensateurs rapportant des performances à l’état de l’art en topologie interdigitée ou face / face ont été fabriqués en utilisant les films de VN optimisés dont nous avons fait varier l’épaisseur pour augmenter les densités d’énergie surfacique. Le dépôt de VN par ALD a été également mis au point dans le cadre de cette thèse afin de pouvoir assurer la formation de couches minces sur des substrats 3D de haute surface spécifique. Enfin, différents liquides ioniques ont été utilisés comme électrolytes afin de faire cycler des électrodes de VN, le but étant la formation d’électrolyte solide basé sur la technologie ionogels. / The mobile connected devices have a prominent place in our everyday life but energy autonomy is limited. Thus, the development of efficient and miniaturized energy storage devices is an expanding field. The performance of these systems depends on the used electrode materials and the electrolyte. This thesis is focused on the fabrication of micro-supercapacitors with interdigitated electrodes composed of sputtered vanadium nitride (VN) thin films. The modulation of the deposition parameters allows densifying the thin films in order to increase their electrical conductivity or, on the contrary, leads to the synthesis of porous thin films to increase the surface capacitance. X-ray absorption spectroscopy of VN thin films tested in aqueous KOH in operando configuration coupled with surfaces analyses (XPS/ ToF-SIMS) show that the high capacitance of the VN is due to the presence of thin layer of vanadium oxide at the VN surface. Micro-supercapacitors reporting state-of-art performance in interdigitated or face/face topologies were fabricated using optimized VN films: the film thickness was varied to increase the energy density. The Atomic Layer Deposition of VN layers was also achieved in the frame of this study in order to ensure the formation of thin layers on high specific surface area 3D substrates. Finally, different ionic liquids have been tested as electrolyte, the purpose being solid electrolyte formation based on ionogels technology.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie des matériaux : Lyon 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. 290 réf. bibliogr.

Le développement des télécommunications optiques à haute capacité fait des multiplexeurs en longueur d'onde un sujet brûlant des récentes recherches. Dans cette thèse, nous proposons et démontrons des réseaux sélectifs planaires ou (Arrayed Waveguide Grating, AWG) basés sur une plateforme de Nitrure de silicium (SiN) comme multiplexeur ou démultiplexeur. Dans le premier chapitre, nous comparons les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium et confirmons que le SiN sera considéré comme la plateforme principale de ce travail. Nous présentons des simulations des guides d'onde de SiN qui forme les AWGs, incluant les guides d'onde planaires, les guides d'onde à bande, les guides d'onde courbés et les guides d'onde fuselée utilisant FDTD solution et Mode solution d'Ansys Lumerical. L'influence des paramètres de conceptions des AWGs en SiN tels que la longueur focale, la distance séparant les guides d'onde, l'espacement entre les ouvertures adjacentes et les pertes de propagation liées à la fabrication sur les performances est aussi étudié en utilisant sur un modèle semi-analytique. Les AWGs communs sont typiquement conçus pour les modes électriques transverses (TE). Pour améliorer la capacité de transmission des réseaux WDM, dans le second chapitre, nous présentons un AWG insensible à la polarisation conçus avec des guides d'onde en SiN. L'insensibilité à la polarisation des AWGs est obtenue lorsque l'espace intercanal et la longueur d'onde centrale des deux modes sont alignés pour un même AWG. L'alignement de l'espace intercanal entre les deux états de polarisations est obtenu en optimisant la géométrie du réseau de guide d'onde, alors que l'insensibilité de la longueur d'onde centrale est obtenue en séparant les deux états de polarisations et en ajustant leur angle d'incidence à l'entrée du coupleur en étoile pour compenser la dispersion entre les modes dans l'AWG. Un multiplexeur de longueur d'onde 1 × 8 avec un espacement entre les canaux de 100 GHz et une diaphonie de −16 dB est démontré expérimentalement. Dans la conception d'un AWGs en SiN, un espacement d'une largeur supérieur à 10 µm entre des guides d'ondes identiques minimise le couplage parasite augmentant ainsi leur empreinte. Dans le troisième chapitre, nous présentons un AWG ultra-compact 1×8 ayant une séparation de 100 GHz entre les canax rendu possible grâce à des guides d'onde en super-réseaux supprimant le couplage entre les guides d'onde. Bénéficiant de la haute densité du super-réseau, cet AWG possède une empreinte compacte de 4.3mm × 0.6mm, ce qui est plus que 2 fois plus petit qu'un AWG conventionnel ayant des performances similaires à celui présenté dans le second chapitre. Le SL-AWG montre aussi une faible perte d'insertion de 3.4 dB et une faible diaphonie de −18 dB. À part le couplage entre les guides d'onde discuté dans le troisième chapitre, l'erreur de phase produite par les variations de fabrication a l'impact le plus important sur les performances de l'AWG. Il a été étudié que leurs performances sont liées à la longueur du réseau de guide d'onde déterminant l'erreur de phase. Toutefois, il existe encore un écart de quantification de l'impact de la longueur du réseau et les variations de fabrication sur les performances de l'AWG. Dans le quatrième chapitre, nous présentons une analyse statistique de l'AWG en présence d'erreurs de phase dans les guides d'onde. Des figures de mérites importantes pour la performance incluant les pertes d'insertion, la diaphonie et la non-uniformité sont paramétrées en fonction de la longueur de cohérence, un paramètre physique qui caractérise l'accumulation d'erreur de phase dans les guides d'ondes optique. Une longueur de cohérence de 23.7 mm au niveau de la matrice pour les guides d'onde de SiN peut être extraite en mesurant les variations dans la longueur d'onde de résonnance d'un interféromètre de Mach-Zhender. Au travers de simulations Monte-Carlo, nous examinons l'impact de l'erreur de phase sur les performances de l'AWG avec une espace entre les canaux de 100 GHz et 200 GHz. / The development of optical communications with high transmission capacity makes wavelength division multiplexing (WDM) systems a hot topic of recent research. In this thesis, we propose and demonstrate arrayed waveguide gratings (AWGs) based on a SiN platform as the multiplexers or demultiplexers. In the first chapter, we compare the material and waveguides between silicon and silicon nitride. We present numerical simulations of the SiN waveguides, including slab waveguides, strip waveguides, bent waveguides and tapered waveguides, using FDTD solutions and MODE solutions from Ansys Lumerical. These waveguides are used to form an AWG in this thesis. The influences of SiN AWGs designed parameters including focal length, separation of arrayed waveguides, gaps between adjacent apertures and propagation loss on the performances are studied based on a semi-analytical model. Common AWGs are typically designed in TE mode. In order to improve the transmission capacity in WDM system, in the second chapter, we present a polarization insensitive AWG built with SiN waveguides. The polarization insensitive AWGs are obtained when both the channel spacing and the center wavelength are aligned for TE and TM modes in a single AWG. The channel spacing polarization insensitivity is obtained by optimizing the geometry of the arrayed waveguides whereas the central wavelength polarization insensitivity is obtained by splitting the two polarization states and adjusting their angle of incidence at the input star coupler. A 100 GHz 1×8 AWG with crosstalk below −16 dB is demonstrated experimentally. In the design of SiN AWGs, the gaps of wider than 10 µm between adjacent identical waveguides are designed to minimize parasitic coupling. However, these gaps suppress further shrinking the footprint of AWGs. In the third chapter, we present an ultra-compact 100 GHz 1 × 8 SiN AWG enabled by a novel concept of the waveguide superlattice suppressing coupling between waveguides. Benefiting from the densely arrayed waveguides patterning with waveguide superlattice, this superlattice AWG has a compact footprint of 4.3 mm × 0.6 mm, which is more than two times smaller than a conventional AWG with similar performance. The SL-AWG also shows a low insertion loss of 3.4 dB and a low crosstalk level of −18 dB. Beside the coupling between waveguides discussed in the third chapter, the phase errors due to fabrication variations have a considerable impact on the performance of AWGs. It is shown that their performances are related to the length of arrayed waveguides determining the phase errors. However, there lacked a practical way to quantify the impact of arrayed waveguide length and fabrication variations on the performances of AWGs. In the fourth chapter, we present a statistical analysis of AWGs in presence of phase errors of arrayed waveguides. The important figures of merits including insertion loss, crosstalk and non-uniformity, are parameterized by the coherence length, a physical parameter that characterizes the accumulated phase errors in an optical waveguide. A die-level coherence length of 23.7 mm for the SiN waveguides is extracted by measuring variation of resonant wavelength of Mach-Zehnder interferometers. Through Monte Carlo simulations, we present the impacts of phase errors on performance of 1 × 4 AWGs with 200 GHz and 100 GHz channel spacings.

Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro- électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispositifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui offrent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm[indice supérieur 2]/V.s) [Touati, 2007]. Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui définissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés afin de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant fixé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs. L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'optique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances. Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de différentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé en microélectronique et en optique intégrée du à l'excellente homogénéité et reproductibilité de son épaisseur et de son indice de réfraction. De plus, l'indice de réfraction élevé du nitrure de silicium est particulièrement intéressant pour les applications en biophotonique. En effet, ces dernières années les biocapteurs à champ évanescent ont démontré une augmentation de la sensibilité avec l'utilisation de guides d'onde plans à haut indice de réfraction. La sensibilité pourrait être encore améliorée en intégrant sur un même substrat l'ensemble des composants passifs et actifs (Lab-on-a-chip) qui composent le biocapteur à champ évanescent. L'intégration des différents composants optiques passe par la fabrication d'un guide d'onde plan dans le visible qui soit réalisé avec des procédés à basse température, faible épaisseur, faible perte et haut indice de réfraction. Même si les couches d'oxyde métallique (TiO[indice inférieur 2], Ta[indice inférieur 2]O[indice inférieur 5] par exemple), généralement utilisées pour ce type d'application, permettent d'obtenir de bonnes propriétés optiques, elles ne permettent pas d'atteindre la qualité des couches en nitrure de silicium notamment en termes de rugosité de surface pour de faibles épaisseurs. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, les paramètres du guide d'onde sont optimisés pour une application utilisant des fluorophores à points quantiques émettant à 650 nm et excités avec une source laser à 532 nm. Une épaisseur de 80 nm est déterminée comme optimale pour l'excitation, la collection de la fluorescence et le couplage fibre-guide.Le développement d'un guide d'onde capable d'atteindre cette épaisseur et conservant des bonnes propriétés optiques est nécessaire. À notre connaissance aucun travail n'a été réalisé pour optimiser les pertes dans le visible des guides de nitrure de silicium, en fonction des paramètres du procédé PECVD. Dans ce travail de thèse, des guides d'onde sont fabriqués pour la première fois en utilisant le nitrure déposé par LF-PECVD (basse fréquence), et leurs performances sont comparées aux guides déposés par HF-PECVD (haute fréquence). Nous démontrons, en variant le débit des précurseurs, que l'absorption et les pertes en propagation des couches de nitrure sont plus faibles lorsque les dépôts sont faits par la technique LF-PECVD par rapport à la technique HF-PECVD. Cette différence s'explique probablement par le fait que le bombardement ionique, beaucoup plus important à basse fréquence qu'à haute fréquence, réduit la présence d'amas de silicium dans la couche, responsables de l'absorption dans le visible en plus de densifier les couches par enlèvement de l'hydrogène qui s'incorpore durant la déposition PECVD. Nous démontrons également que pour la technique LF-PECVD, les propriétés optiques des couches sont améliorées en utilisant une basse puissance pour la source r-f du plasma. En effet à haute puissance, le bombardement, très énergétique crée des défauts dans la couche et favorise la rupture des liaisons N-H plutôt que des liaisons Si-H. Finalement des guides d'onde plans de nitrure de silicium, avec une épaisseur de 80 nm et un indice de réfraction de 2, sont fabriqués et caractérisés. Des pertes de 0.1 dB/cm à 633 nm et 1.05 dB/cm à 532 nm sont obtenues et comparées avec les performances des autres matériaux.