Le but de ce travail de thèse est d’étudier les moyens de lithographie haute résolution pour la fabrication de résonateurs à ondes élastiques de surface, et de l’illustrer à travers la réalisation de sources de fréquences fonctionnant au-delà du GigaHertz. Dans un premier temps nous abordons les différents dispositifs fondés sur les ondes élastiques de surface puis les sources de fréquence (instabilités caractéristiques) et fixons les objectifs de l’étude au travers notamment d’un état de l’art. Dans un second temps, nous présentons les moyens de lithographie étudiés dans le cadre de ce travail, à savoir la lithographie électronique, la gravure par faisceau d’ions focalisés, la lithographie UV par projection et la lithographie par nano-impression. Pour chacune d’entre elles, nous détaillons le principe de fonctionnement et montrons, notamment grâce à des simulations, leur intérêt et leurs limitations. Ensuite, nous présentons la fabrication et la caractérisation de résonateurs sur différents types de substrats ayant des propriétés innovantes par rapport à nos applications. Le PZT élaboré par épitaxie, présentant des coefficients de couplage élevés (plusieurs pourcents) couplés à une granulométrie fine et une orientation cristalline selon l’axe 001. Le diamant, qui permet d’atteindre des vitesses de phase de l’ordre de 10000 m.s-1, soit une vitesse deux fois supérieure à celles des ondes transverses sur substrat de quartz, quartz que nous avons également étudié afin de rechercher de nouveaux points de fonctionnement à haute fréquence. Pour chaque matériau, nous identifions un ou plusieurs moyen(s) de lithographie qui nous permettent de fabriquer les résonateurs. Les étapes de conception, de fabrication et de caractérisation sont décrites en détail. La dernière partie du manuscrit consiste à exposer les caractéristiques des oscillateurs fondés sur les résonateurs à haut produit Qf ainsi fabriqués (Qf > 5.1012). Nous reportons les résultats obtenus à des fréquences de 1,5 GHz (sur quartz) et à 3 GHz (sur diamant nanocristallin). Le bruit de phase à 10 kHz de la porteuse est compris entre -100 et -110 dBc.Hz-1, et le bruit plancher est de -160 dBc.Hz-1. Nous concluons en donnant des pistes afin d’améliorer ces caractéristiques / The purpose of this thesis is to study high-resolution lithography for the fabrication of surface acoustic wave resonators, and to illustrate this technology through the realization of frequency sources operating beyond the Gigahertz. At first, we detail several devices based on surface acoustic waves and frequency sources (instability characteristics) and set the goals of the study in particular through a state of the art. In a second step, we present the lithography methods studied in this work : electron beam lithography, focused ion beam, UV lithography (stepper) and nano-imprint lithography. For each, we detail the operating principle and show, in particular through simulations, their interest and limitations. Then, we present the fabrication and characterization of resonators on different types of substrates with innovative properties compared to our applications. The epitaxial PZT exhibits high coupling coefficients (several percent) coupled with a fine particle size and crystal orientation along the axis 001. The diamond, which achieves phase velocities of about 10000 m.s-1, twice higher than those of STW waves on quartz substrate, quartz that we have also studied in order to search new operating points at high frequency. For each material, we identify one or more lithography methods that allow to manufacture the resonators. Design, fabrication and characterization steps are described in detail. The last part of the manuscript describes the characteristics of oscillators based on high Qf resonators (Qf > 5.1012). We report the results for operating frequencies of 1.5 GHz (on quartz) and 3 GHz (on nanocrystalline diamond). The phase noise at 10 kHz from the carrier is between -100 and -110 dBc.Hz-1, and the noise floor is -160 dBc.Hz-1. We conclude by giving ideas to improve these characteristics

Les systèmes de télécommunications requièrent de plus en plus l’utilisation des composants passifs hyperfréquences. La commercialisation de ces composants nécessite la miniaturisation de leurs tailles, l’augmentation de leurs performances et la réduction de leurs coûts. Parmi ces composants passifs, nous citons le coupleur directionnel qui est un quadripôle destiné à répartir la puissance sur deux ports de sortie, le quatrième port reste isolé. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectifs la conception et la réalisation d’un coupleur à accès coplanaires obtenu à partir d’un résonateur auquel nous avons appliqué des lignes de couplage. Un modèle équivalent approché a été mis en évidence par un logiciel de simulation circuit. Une étude paramétrique a été réalisée à l’aide d’un logiciel électromagnétique 3D pour fixer une règle de conception qui permet un dimensionnement convenable du composant pour un intervalle de fréquences prédéfinies. Un fonctionnement bi-bandes a été exploité pour chaque raccordement de la fréquence. Une deuxième structure de couplage a été déduite en reliant directement les lignes couplées sur le résonateur. Une étude paramétrique ainsi qu’une règle de conception ont mis en évidence un fonctionnement de coupleur mono-bande de cette structure à des fréquences prédéfinies. Une troisième structure qui fonctionne en coupleur a été exploitée en remplaçant le filtre résonateur par deux circuits en méandres. Ce nouveau coupleur à méandres présente des bandes passantes assez larges ainsi qu’un fonctionnement possible en bi-bandes. Ces coupleurs mis en œuvre peuvent assurer un couplage de l’ordre de 3 ; 6 ; 8 et 10 dB et d’un déphasage entre les deux ports de sortie de 180° pour les deux premières structures et de 90° pour le coupleur à méandres. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation. Les caractérisations hyperfréquences de ces composants montrent la performance des dispositifs réalisés / Telecommunications systems require more use of passive microwave components. The commercialization of these components requires the miniaturization of their size, increasing their performance and the reduction of their costs. Among these passive components we cited the directional coupler which is designated to spread the power between two outputs, the fourth port being isolated. The ambition of this work is to study and fabricate a coupler with coplanar access obtained from a resonator where we applied coupling lines. An equivalent approximate model was obtained using circuit simulation software. A parametric study was made using 3D electromagnetic software to fix a design rule that allows a suitable design for the component in a predefined frequency range. Dual-band operation has been exploited for each frequency. A second coupling structure was deduced by directly connecting the coupled lines to the resonator. A parametric study and a design rule have shown the operation of this structure as a single band coupler at predefined frequencies. A third structure which operates like a coupler has been exploited by replacing the resonator filter by two meandering circuits. This new meandering coupler presents a wide bandwidth and a possible operating in dual-band. These implemented couplers provided a coupling factor of 3, 6, 8 and 10 dB and a phase shift between the two output ports of 180° for the two first structures and a 90° phase shifter for the meandering coupler. Several sets of prototypes are then made. The microwave characterizations show the performance of the fabricated device

La supraconductivité induite par effet de proximité dans du graphène CVD macroscopique décoré de nanoparticules d'étain (G/Sn) est le thème central de cette thèse. Dans ce manuscrit, deux projets expérimentaux sont présentés. Le premier de ces projets a consisté à développer et étudier un nouveau matériau manipulable et flexible au sein duquel les corrélations supraconductrices s'étendent à des échelles macroscopiques. Ce matériau est un film composite qui résulte de l'empilement de trois ingrédients originaux: un film fin de parylène d'une épaisseur de quelques micromètres, une monocouche de graphène de plusieurs centimètres carrés et un film discontinu métallique obtenu par démouillage naturel de l'étain en surface du graphène.Des mesures de transport à basses températures ont permis de mettre en évidence l'émergence d'un effet de supraconductivité induite à l'échelle macroscopique. Le courant critique de la transition supraconductrice des films composites a pu être contrôlé par une tension de grille avec une sensibilité de cent nanoampères par volt. Le comportement sous champ magnétique transverse des films composites est similaire à celui des supraconducteurs comportant des joints de grains et est caractérisé, en particulier sous faible champ magnétique, par une forte sensibilité de la transition supraconductrice. Une étude approfondie a enfin montré que le matériau hybride G/Sn est un système percolant bidimensionnel qui se comporte, à l'approche de la transition supraconductrice, comme une jonction unique de taille micrométrique.Dans le cadre du second projet, des cavités supraconductrices radiofréquences (RF) ont été développées. Des pistes G/Sn ont été intégrées à ces circuits supraconducteurs dans l'optique de créer des résonateurs dont la fréquence de résonance est contrôlable par une tension de grille. Un procédé d'intégration de pistes G/Sn conjointement à plusieurs cavités à partir d'un seul transfert (pleine plaque) de graphène a été mis au point. Des mesures en transmission dans des conditions cryogéniques ont été effectuées pour caractériser ces dispositifs hybrides et étudier leur comportement dans le domaine RF. / Superconducting proximity effect in macroscopic CVD-grown graphene decorated by tin nanoparticles is the central topic of this thesis. In this manuscript, two experimental projects are presented.The first of these projects consisted in developing and studying a new easy to handle and flexible material in which superconducting correlations extend over macroscopic scales. This material is a composite film made from the stacking of three original components: a few micrometers thin plastic film in parylene, a several centimeters squares layer of graphene, and a cluster of nanoparticles achieved by natural dewetting of tin on the graphene surface.Cryogenic transport measurements highlighted an induced superconductivity on the scale of the studied composite films pieces dimensions, of the order of the centimetre square. The superconducting critical current of the composite films showed gate tunability of about one hundred nanoamperes by volt. The behaviour of the composite films under a transverse magnetic field is similar to the one of granular superconductors and is characterised, especially under weak transverse magnetic field, by a high sensitivity of the superconducting transition. An in-depth study showed that the G/Sn hybrid material is a bidimensional percolating system that, when approaching the superconducting transition, behaves like a single mesoscopic Josephson junction.Within the framework of the second project, superconducting radiofrequency (RF) cavities have been developed. G/Sn patches have been integrated into these superconducting circuits in order to build gate tunable resonators. A process allowing to integrate G/Sn patches jointly to a series of several cavities from a single graphene transfer have been developed. Transmission measurements in cryogenic conditions have been performed to characterise these hybrid devices and to study their radiofrequency response.

Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de capteurs optiques ultracompacts et sensibles utilisant le mode d’interrogation en intensité pour la détection d’analytes chimiques et biologiques. Deux approches, l’intégration hybride et l’intégration monolithique, ont été explorées durant cette thèse. Après un descriptif des outils d’analyse et de conception de guides d’onde et de micro résonateurs en anneaux, le manuscrit présente l’intégration hybride d’un laser Fabry-Perot en semiconducteur III-V avec un résonateur en anneau basé sur du matériau SOI. Le laser Fabry-Perot à faible coût fonctionnant en multimode longitudinal a été utilisé comme peigne de référence pour le résonateur en anneau en contact avec un échantillon liquide. L’effet Vernier a été implanté dans le système de détection en utilisant le mode d’interrogation en intensité. La largeur spectrale étroite du laser avec sa densité de puissance élevée ont permis d’obtenir un capteur de plus haute sensitivité en comparaison avec le capteur en double anneaux réalisé précédemment. Une étude numérique d’un capteur composé d’un laser Fabry-Perot et deux résonateurs en anneaux permettant de compenser la fluctuation de température a été ensuite présentée. Concernant l'intégration monolithique, l'interface entre oxyde et non-oxyde après l’oxydation de AlGaAs a été étudiée au Central de Technologies du LPN/CNRS. Un phénomène d’oxydation verticale de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en aluminium activée par une couche voisine oxydée de AlGaAs avec une forte teneur en aluminium a été identifié expérimentalement. Afin de limiter l’oxydation verticale et de réduire la rugosité des interfaces, des guides d’onde basés respectivement sur une structure intégrant un super-réseau et sur une structure standard ont été fabriqués et caractérisés. L’impact de l'hydrogène sur l'activation du processus d'oxydation de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en Al a été mis en évidence. Enfin, ce manuscrit décrit la réalisation et la caractérisation d’un laser Fabry-Perot fonctionnant en mode TM. Ce laser constitue une brique important vers l’intégration monolithique d’un capteur extrêmement sensible. / The objective of the thesis is to realize the integrated optical sensors with high sensitivity using intensity interrogation method for chemical and biological analyte detection. For this purpose, two approaches, hybrid integration and monolithic integration, have been explored theoretically and experimentally during this thesis. After a review of the design and analysis tools of optical waveguide and micro-ring resonators, the manuscript reports an experimental demonstration of a highly-sensitive intensity-interrogated optical sensor based on cascaded III-V semiconductor Fabry-Perot laser and silicon-on-insulator ring resonator. The low-cost easy-to-fabricate Fabry-Perot laser serves as a reference comb for the sensing ring in contact with liquid sample. The Vernier effet has been exploited in the detection scheme using intensity interrogation mode. The sharp emission peaks of the FP laser with high spectral power density result in a high sensitivity for the sensor compared to previously investigated all-passive double-ring sensor. The temperature compensation method has also been investigated numerically to improve the performance of the sensor. Concerning the potential monolithic integration of laser and sensing waveguide, the interface between oxide and non-oxide after wet oxidation of buried AlGaAs has been investigated at the Technology Centre of LPN/CNRS. The vertical oxidation of GaAs or AlGaAs with low Al content activated by a neighbouring oxidized Al-rich AlGaAs layer has been discovered experimentally. To limit the vertical oxidation and reduce the roughness of the interface, the waveguides with buried oxide layer on superlattice sample and standard sample have been fabricated and characterised. The key role of hydrogen incorporation in the activation of the oxidation process for GaAs or AlGaAs materials with low Al content has been shown experimentally. Finally, this thesis reports the fabrication and the characterisation results of a Fabry-Perot laser working on TM mode which is an important building block for highly-sensitive monolithically-integrated circuit.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'amélioration des sources ultra-stables de fréquences dans le domaine des temps courts (typiquement inferieurs à une minute). Deux voies d'investigations ont été explorées : <br />- La première concerne l'évaluation des potentialités des matériaux de la famille de la langasite (LGS). Une classification des coefficients de qualité (Q) des matériaux LGS et langatate (LGT) en fonction de leurs provenances a été mise en évidence. Les premiers prototypes de résonateurs à ondes de volume ont été réalisés dans un cristal de LGT à fort Q. A cette occasion un procédé de fabrication spécifique a été mis au point. Une électronique d'oscillateur et un packaging thermique adaptés aux caractéristiques de ces résonateurs ont été développés. Enfin, ces premiers prototypes d'oscillateurs ont été caractérisés en terme de stabilité temporelle et de vieillissement.<br />- La seconde voie exploratoire concerne la mise en place d'un ensemble expérimental permettant la réfrigération d'oscillateurs à résonateurs à ondes de volume à des températures inférieures à celles de l'hélium liquide (4,2K). Pour cela, des résonateurs en quartz de coupe SC et LD, et en LGT de coupe Y, ont été caractérisés à basses températures. Une campagne de mesures systématiques a révélé des coefficients de qualité exceptionnels pour certains modes de vibration. Par ailleurs, différents modèles de transistors ont été testés et l'une des références testées a été modélisée simplement, à température cryogénique. Deux premiers prototypes d'oscillateurs à résonateur à quartz de coupe SC ont été développés puis testés à basses températures. Il en résulte les toutes premières caractérisations en terme de stabilité temporelle.

Le groupe Microsystèmes Silicium de l'Institut d'Électronique, de Microélectronique du Nord (IEMN - maintenant N=Nanotechnologie) a axé sa recherche sur les micro-actionneurs et leur environnement. Cela nous permet d'étudier des problématiques amont liées au micro-actionnement, à son interaction technologique, ainsi que des voies applicatives telles que les microsystèmes pour les télécommunications, la microrobotique, entre autres... <br />Dans la suite de cette introduction, quelques précisions sont données sur la terminologie de notre domaine de recherche, puis un bref historique retrace le développement de la recherche sur les microsystèmes dans le monde et en France.<br />Outre cette introduction, ce rapport se compose principalement de trois chapitres. Le premier, consacré aux micro-actionneurs, présente une partie des travaux effectués sur des études conceptuelles exploitant le potentiel de différents modes d'actionnement : transition de phase; électrostatique et thermique. <br />Le second chapitre décrit les activités de recherche effectuées dans le thème applicatif des microsystèmes pour les télécommunications. Il s'agit de travaux soutenus par de nombreux contrats de recherche nationaux ou européens. Deux composants en particulier ont été étudiés par trois doctorants. Emmanuel Quévy a étudié des résonateurs électromécaniques destinés à une application de filtrage dans la gamme intermédiaire de fréquence de la téléphonie mobile. Vincent Agache a étudié des résonateurs dont les fréquences propres se situent au voisinage du GHz. Les premières recherches effectuées à l'IEMN sur des microcommutateurs pour les signaux hyperfréquences sont également présentées<br />Le troisième chapitre est dédié aux résultats obtenus par Olivier Millet sur l'évolution de la raideur de microstructures soumises à un chargement cyclique. Il s'agit d'une partie de l'étude transversale des mécanismes de défaillance des microsystèmes destinée à la modélisation du phénomène de fatigue dans les microstructures.<br />Enfin, quelques perspectives de recherche impliquant les micro-actionneurs dans les microsystèmes seront présentées, suivies d'une conclusion

Nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage optomécanique induit par la pression de radiation entre un faisceau lumineux et un objet macroscopique tel qu'un miroir. Nous présentons une étude théorique des effets quantiques induits par la pression de radiation dans une cavité optique dont un miroir est mobile. Le miroir peut se déplacer sous l'effet de la pression de radiation et ce mouvement change la phase du champ réfléchi par la cavité. Ce couplage optomécanique induit un déphasage du champ équivalent à un effet Kerr optique. Un tel dispositif peut être utilisé pour produire des états comprimés ou réaliser une mesure quantique non destructive.<br />Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir mobile est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien du miroir. Nous avons aussi utilisé un second faisceau modulé en intensité afin d'exciter les modes acoustiques du résonateur. Ceci permet de caractériser la réponse mécanique du résonateur et le couplage entre la lumière et les modes acoustiques. Nous avons enfin démontré l'efficacité de notre dispositif pour la mesure de petits déplacements du miroir. Le plus petit déplacement observable est égale à 2x10^(-19) m/Hz(1/2), en bon accord avec la prédiction théorique.

Ce mémoire présente l'élaboration et la caractérisation d'un étalon secondaire de fréquence à résonateur saphir cryogénique, dans la gamme des fréquences microondes.\\ Le monocristal de saphir ($Al_2O_3$), excité sur des modes électromagnétiques d'ordre élevé, les modes de galerie, et utilisé au voisinage de la température de l'hélium liquide, représente le meilleur candidat pour réaliser un oscillateur présentant une instabilité relative de fréquence de l'ordre de $1\cdot 10^(-14)$.\\ Une dégénérescence du mode généralement observée aux températures cryogéniques rend difficile l'ajustement des couplages. Nous présentons ici un modèle simple expliquant correctement la séparation du mode en fréquence et les formes d'onde observées expérimentalement.\\ D'autre part, le problème des modes parasites est résolu par la mise au point d'une structure résonante en cavité ouverte.\\ Tous les éléments nécessaires à la construction de cet oscillateur sont analysés en détails.\\ Les résultats obtenus sont tout à fait exceptionnels. Sur le court terme, l'instabilité relative de fréquence est inférieure à $7.5\cdot 10^(-15)$. Dans le domaine du long terme, aucune dérive n'est clairement identifiée. La stabilité sur 1 jour est $<2\cdot 10^(-14)$. Ce dernier résultat constitue l'état de l'art pour des références secondaires de fréquence sur le long terme. \\ Enfin, d'autres travaux concernant la mesure des propriétés diélectriques d'un cristal de langasite, la caractérisation d'oscillateurs ultrastables, la chaîne de synthèse, un oscillateur saphir-rutile compensé thermiquement, et l'observation d'un phénomène de bistabilité du résonateur saphir né de la coïncidence fortuite d'un mode de galerie du cristal avec celle de l'ion paramagnétique $Fe^(3+)$, sont également présentés.

L'objet de ce travail est d'examiner et de comparer les différentes méthodes de mesures du déphasage résiduel de la cavité de Ramsey dans une horloge à jet de césium à pompage optique. <br> Dans ce but nous avons étudié et réalisé une horloge compacte à deux jets de césium. Dans la première partie du mémoire sont présentés le résonateur atomique de faible encombrement, et la cavité de Ramsey courte qui en est le c?ur. La cavité de Ramsey est une cavité micro-onde à deux zones d'interaction, rigoureusement réglée à 9,192 GHz. L'importance de ses propriétés est précisée, notamment l'influence du déphasage résiduel entre les deux zones d'interaction. <br> Puis l'étude théorique de ce déphasage et de ses conséquences sur les signaux délivrés par l'horloge - la frange de Ramsey et la fréquence d'horloge - est effectuée. Plusieurs méthodes de mesure de ce déphasage sont alors déduites de cette analyse. <br> La présentation des mesures du déphasage effectuées une fois le résonateur assemblé fait l'objet de la seconde moitié du manuscrit. La méthode traditionnelle appliquée à tous les étalons primaires de fréquence est la méthode par renversement de jet ; elle demeure dans notre résonateur compact la plus précise et la plus fiable. La seconde méthode utilisant des mesures de la fréquence d'horloge dans différentes conditions de fonctionnement s'avère délicate à appliquer sur une horloge compacte et ses limites sont analysées. <br> Finalement, les différents déplacements de fréquence significatifs sur ce type d'horloge font l'objet d'une étude expérimentale systématique. Un bilan de fréquence complet pour ce type d'horloge en est déduit. Le déplacement de fréquence dû au déphasage de la cavité reste l'effet limitatif pour l'exactitude en fréquence. On montre cependant que la seconde méthode de mesure permet d'obtenir une exactitude en fréquence inférieure à 10-12.