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.

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.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 171-186.

La thèse porte sur cette couche de nitrure ou d’oxynitrure de silicium. Le déroulé prévoit l’élaboration des deux types de dépôts par voie gazeuse (par Chemical Vapor Infiltration CVI), la caractérisation de ces dépôts (par tous les moyens scientifiques à disposition et jugés utiles), ainsi que des essais en conditions proches de l’application visée (haute température, présence de phases liquides) pour juger de l’efficacité de ces dépôts et notamment effectuer une comparaison entre le nitrure et l’oxynitrure. Une étude complète des paramètres modifiables lors de l’élaboration et de leur effet sur la chimie (et par conséquent l’influence sur le comportement du matériau en conditions d’utilisation) représente le cœur du travail considéré. / Ceramics are usually used at high temperature because of their refractory nature. However, they are too brittle to be submitted to high stresses, such as in the rotating parts of aircraft engines. One way to reduce the brittleness of ceramics is to design them as composites. The fiber/matrix architecture displays a damageable character thanks to a suitable interfacial layer, which is deposited on the fiber cloths before the infiltration with molten silicon. The aim of the thesis is to propose and evaluate a solution to protect the fiber reinforcement during the impregnation step with liquid silicon. This solution involves the deposition of a protective layer made of silicon nitride or oxynitride.

Ce mémoire porte sur les propriétés anti-réflectives et de passivation électrique du nitrure de silicium déposé sur du silicium type n et p. Le nitrure de silicium est utilisé dans l'optique de la fabrication de cellules solaires à hétéro contacte a-Si : H/c-Si en tant que couche frontal. Des études comparatives seront faites avec l'oxyde de silicium et le silicium amorphe. Le nitrure de silicium est déposé par déposition chimique en phase gazeuse assistée par plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Déposition, PECVD). Les modifications apportées par la variation de la quantité de gaz précurseurs (silane, ammoniac, di-azote) sur la composition ont été mesurées par analyses ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). Les relations entre la composition de la couche et les propriétés optiques et de passivations électrique ont été mesurées (Spectroscopie Infra Rouge (FTIR), Spectrométrie Photoélectronique X (SPX), …) et simulées. L’évolution de l'épaisseur et de l'indice de réfraction fut mesurée par ellipsométrie, la réflexion, l'absorption et la transmission par spectroscopie. La passivation électrique induite par les couches de nitrure de silicium a été mesurée par TRMC (Time Resolved Microwaves Conductivity). Les meilleurs paramètres de dépositions ont été définis pour une passivation électrique optimal (vitesse de recombinaison de surface < 20 cm.s-1) et une réflexion minimal (0.03% pour l = 560 nm). La reproductibilité des dépositions ainsi que celle des propriétés des couches pour plusieurs paramètres de déposition a également été étudiée / This work studies Silicon nitride and its electrical passivation and anti-reflection properties on n-type and p-type mono crystalline silicon for its use as light entrance window of an inverted a-Si:H/c-Si heterocontact solar cell in the frame of the development of low cost, high efficiency solar cells. Comparative investigation on silicon dioxide and amorphous silicon coatings were performed. Silicon nitride is deposited by plasma enhanced chemical vapour deposition and was investigated by various measurement methods. The modifications induced by variation of the precursor gas mixture (silane, ammoniac and nitrogen) on the composition were measured by Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). Correlation between the composition and the optical and electrical properties were studied (Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy, XPS, …) and simulated. Evolution of the thickness and refractive indices were measured by ellipsometry.Measurements of the reflection, absorption and transmission were performed with spectroscopy. Time Resolved Microwaves Conductivity (TRMC) was used as a non-destructive method to determine the electrical passivation effect due to silicon nitride. Optimum deposition parameters were found in order to obtain the best electrical passivation (surface recombination velocity <20 cm.s-1) and the minimum reflection (0.03% of reflection for l = 560 nm). Reproducibility of the deposition method and behaviour of the layers for different pre-treatment and under annealing were also investigated

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques.

Les films minces à matrice diélectrique contenant des nanocristaux de Si peuvent avoir diverses applications potentielles telles qu'en nanoélectrique pour la conception de dispositifs à mémoire ou en optoélectronique dans la mise en oeuvre de cellules photovoltaïques à haut rendement ou l'élaboration d'un laser à base de silicium. Dans un premier temps, nous avons employé l'ellipsométrie spectroscopique pour décrire les propriétés optiques des films de nitrure de silicium enrichi en silicium (SRSN), essentiellement élaborés par dépôt chimique en phase vapeur puis soumis à un recuit thermique rapide (RTA). Nous avons montré qu'il est possible de prédire à l'aide d'un critère purement optique la détection, au microscope électronique en transmission, des nanoparticules de Si (NP-Si) dans les couches SRSN. Le recuit de type RTA conduit à la formation de fortes densités de nanoparticules de Si dans les couches composites SRSN. Les propriétés optiques des NP-Si ont été calculées par trois méthodes différentes : inversion numérique longueur d'onde par longueur d'onde (sans aucun paramètre d'ajustement), et modèles de dispersion de Forouhi-Bloomer et Tauc-Lorentz (avec 5 paramètres d'ajustement). L'évolution des paramètres de cette dernière formule révèle la présence de silicium amorphe confiné dans nos couches. Nous avons également mis en évidence le rôle déterminant du rapport des flux de gaz précurseurs RQ (=QNH3/QSiH4) ainsi que de la température de recuit Tr sur les propriétés optiques des films SRSN mais aussi des NP-Si qu'ils contiennent. En effet une légère augmentation de RQ induit une variation significative du spectre de la fonction diélectrique des NP-Si... / Thin composite films containing Si nanocrystals within a dielectric matrix may have several potential applications such as in nanoelectronics for the design of memory devices or in optoelectronics in view of the implementation of high-efficiency solar cells or the development of a silicon-based laser. Initially, we used spectroscopic ellipsometry in order to describe the optical properties of silicon-rich silicon nitride films (SRSN), mainly produced by chemical vapor deposition and thereafter subjected to rapid thermal annealing (RTA). We showed that the presence of Si nanoparticles (Si-NPs), that are observable by transmission electron microscopy, can be predicted by using a purely optical criterion. The RTA annealing leads to the formation of high densities of Si nanoparticles in the composite films. The optical properties of the Si-NPs have been calculated by three different methods: wavelength-by-wavelength numerical inversion (without any fitting parameters). The evolution of the parameters of this latter formula reveals the presence of confined amorphous Si-NPs in the investigated samples. We also highlighted the role of the flows ratio of the precursor gases RQ (=QNH3/QSiH4) and the annealing temperature TR on the optical properties of both the films and the Si-NPs they contain. Indeed a slight increase in RQ induced a significant variation in the spectrum of the dielectric function of the Si-NPs. On the other hand, the influence of the annealing temperature is noticeable beyond 950°C, and results in an increase of the amplitude and a reduction of the broadening of the...

Dans le cadre d'exigences environnementales toujours plus strictes, l'allègement des véhicules automobiles, à un coût maitrisé, est aujourd'hui un objectif fondamental des constructeurs. Jusqu'à aujourd'hui, l'effort d'innovation consenti par les sidérurgistes a permis à l'acier de conserver sa position dominante sur les alliages légers. Néanmoins, les performances des nuances actuelles au carbone montrent une évolution asymptotique. La métallurgie des aciers à l'azote constitue d'ores et déjà une solution disruptive qui promet de dépasser largement ces performances. Les alliages Fe-Si-N obtenus par nitruration à 570 °C donnent notamment lieu à des réactions de précipitations inédites. Il a été montré que la phase précipitant au cours de la nitruration est le nitrure stoechiométrique Si3N4. Il se présente sous forme de cuboïdes nanométriques dont la structure est amorphe. L'origine de cette morphologie se trouve dans la minimisation de l'énergie élastique engendrée par la précipitation. Ces précipités entrainent un durcissement considérable de la matrice ferritique et abaisse la densité globale du composite final. Les précipités amorphes sont susceptibles de subir une transition vers le cristal si les alliages nitrurés sont ensuite recuits dans une atmosphère dénitrurante. Les cristallites obtenues se présentent sous forme de prismes hexagonaux et ont une structure appartenant au groupe spatial P62c. La composition Si3N4 reste par contre inchangée. Enfin, il a été démontré que cette transition peut être modélisée à l'aide d'un modèle cinétique de précipitation développé spécifiquement dans ce travail pour prendre en compte les particularités du traitement de nitruration / In the context of ever more stringent environmental regulations, cost-effective weight savings have become a high-priority objective for car makers. Until today, the research effort deployed by steel makers has kept steel in a dominating position on this market against light alloys. However, the performances of current carbon steel grades start to show an asymptotic evolution. Nitrogen steel metallurgy represents a disruptive concept which is bound to outperform by far these current grades. Fe-Si-N alloys obtained through nitriding at 570 °C give rise to unexpected precipitation reactions. It has been shown that the species precipitating during nitriding is the stoichiometric nitride Si3N4. The precipitates display the unusual combination of an amorphous structure with a cuboidal morphology. This morphology can be explained by considering the minimization of the precipitation-induced elastic stress. This precipitation results in substantial hardening of the ferritic matrix and contributes to lowering the density of the final composite. The amorphous precipitates undergo a transition to a crystalline structure when the nitride alloys are subjected to annealing in a denitriding atmosphere. The occurring crystallites precipitate in the form of hexagonal prisms and exhibit a structure belonging to the P62c space group. Their composition however remains Si3N4. Finally, it has been demonstrated that such a transition can be modeled by the means of a kinetic model specifically developed in the present work to account for characteristic aspects of the nitriding treatment

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.