Les composants passifs électro-acoustiques sont des éléments critiques des architectures RF. Les plus représentés sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) ou de volume (BAW), qui permettent le filtrage RF (filtre d’antenne). Pour le filtrage de canal, les solutions SAW sont actuellement en place, bien que des travaux récents aient montré l’intérêt des résonateurs à ondes de Lamb pour ce type d’application. Ces derniers composants présentent l’avantage d’être compatibles avec une technologie de fabrication de filtres BAW réalisés sur membrane suspendue (FBAR), permettant une co-intégration des deux types de composants à moindre coût. Toutefois, le choix technologique de STMicroelectronics et du CEA-Leti s’est porté sur une technologie de résonateurs BAW réalisés sur miroir de Bragg (SMR). Le but de cette thèse est donc de démontrer la possibilité de réaliser des résonateurs reprenant le principe des résonateurs à ondes de Lamb, mais co-intégrables avec des BAW-SMR. Après une présentation de l’état des lieux des composants électromécaniques utilisés dans les architectures RF et des diverses propositions de dispositifs semblables présentes dans la littérature, nous abordons une étude théorique du principe de fonctionnement de ce type de composants, ce qui nous permet d’en cerner les caractéristiques : coefficientsde couplage électromécaniques proches de ceux des résonateurs à ondes de Lamb, mais fonctionnement à des fréquences proches de celles des résonateurs BAW. Nous présentons ensuite les méthodes de dimensionnement employées. Enfin, nous présentons un procédé de réalisation proche de celui des BAWSMR fabriqués au CEA-Leti, mais adapté à nos composants. A l’issue de caractérisations électriques, nous sommes en mesure de présenter les premiers composants de ce type fonctionnels, et une liste d’améliorations possibles. Ces travaux ont permis des publications dans quatre conférences dont trois internationales, un journal, un dépôt de brevet d’invention et deux publications internes au laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. / Passive acoustic devices are enabling elements for RF architectures. Aside from the well known surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) filters used for RF filtering, Lamb wave devices have recently been seen as an alternative to SAW devices currently used also for intermediate frequency filtering. These resonators are compatible with a membrane-based BAW technology (FBAR) and could thus be co-integrated with them with no additional cost. However, STMicroelectronics and CEALeti have focused their developments around BAW resonators using a Bragg mirror for acoustic isolation (SMR). Therefore, the aim of this work is to demonstrate the possibility of fabricating resonators close to Lamb wave resonators, but technologically compatible with a BAW-SMR technology. After reviewing the applications of electromechanical resonators in RF architectures and the proposals for the kind of resonators we are investigating available in the literature, we start with a theoretical investigation of these devices. This enables us to determine basic characteristics of these resonators: electromechanical coupling factors close to Lamb wave devices, but operation at frequencies close to BAW resonators. Then, we describe the design of demonstrators. Finally, we describe a fabrication process, similar to BAW-SMR fabrication process, which has provided to date the first operating devices using this principle. Electrical characterizations show that the fabricated resonators are functional, and we discuss possible improvements.This work led to publications in four conferences, (three international conferences), a paper, a patent and two internal publications at IEMN-STMicroelectronics common laboratory.

Ce travail porte sur l'étude du plasma source d'un réacteur de type "hélicon" pouvant être utilisé pour la gravure des semiconducteurs. Nous utilisons un mélange Ar-He-F2 à des pressions variant de 4 à 20 mTorr avec des conditions de mélanges variables. L'interférométrie microondes (68 GHz) a été utilisée pour mesurer la densité électronique dont les valeurs vont de 0.4 à 2 10^12 cm-3 selon les conditions de pression et de puissance RF. En se basant sur la mesure de l'intensité des raies spectrales de l'He, nous avons établi un modèle collisionnel radiatif de la décharge. Il nous a permis de caractériser la fonction de distribution en énergie des électrons (fdee). Un modèle à deux températures a été choisi pour décrire cette fdee. La variation de ces températures en fonction des conditions de décharge est présentée. La température du gaz, trouvée de 850 K, a été mesurée par absorption laser qui a permis de mesurer la densité des niveaux 4s d'Ar et de valider la technique d'auto-absorption. La cinétique des raies fluor a été étudiée et a permis d'obtenir pour la première fois les coefficients d'excitation électroniques du fluor. Ces données ainsi que la mise en évidence des voies de population des états excités d'Ar et d'He montrent les limites de l'applicabilité de l'actinométrie. Une approche théorique est présentée pour montrer l'importance des différents processus responsables de l'entretien de la décharge et du dépôt d'énergie.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse s'intéressent à l'application de techniques de modulation et de traitement du signal numérique aux communications optiques. Ils se concentrent sur la conception d'un système de communication optique sur courte distance à 40Gb/s. Pour une longueur d'onde optique donnée, l'accroissement du débit binaire s'obtient généralement en repoussant les limites technologiques afin d'augmenter la vitesse des modulations simples du type "on-off keying". Cette méthode ne satisfait cependant pas les exigences économiques des applications à haut débit sur courte distance. La combinaison du multiplexage de porteuses électriques et d'une modulation à plusieurs niveaux permet de réduire le support fréquentiel et la vitesse de modulation du signal porteur d'information. Des composants typiques des systèmes de transmission à 10Gb/s peuvent ainsi être utilisés pour transmettre 40Gb/s. La technologie de circuits CMOS est également exploitable pour l'intégration économe de fonctions de traitement du signal élaborées. Les structures de traitement du signal adaptatives présentées permettent de réduire les exigences techniques dans la conception des fonctions analogiques. Elles permettent également de compenser les distorsions linéaires dues au canal de transmission et aux variations résultant d'une production industrielle. Des modèles théoriques et numériques validés par l'expérimentation permettent l'analyse du système. Les résultats de simulations numériques montrent qu'un système de communication à 40Gb/s à bas coût et d'une portée dépassant 10km est possible. Nous présentons également un prototype utilisant un circuit intégré test en technologie CMOS réalisant les fonctions de modulation/démodulation pour le canal RF le plus difficile à implémenter, et transmettant des données dans une fibre monomode s'étendant sur plus de 30km.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre de la détection d'évènements impulsionnels intermittents en provenance de pulsars. Ces objets astrophysiques sont des étoiles à neutrons hautement magnétisées en rotation rapide, qui émettent un faisceau radio balayant l'espace comme la lentille d'un phare. Ils sont détectables grâce à une instrumentation spécifique. Depuis quelques années, on a découvert de nouvelles catégories de ces pulsars, aux caractéristiques extrêmes, avec en particulier des impulsions individuelles plus intenses et irrégulières comparé à la moyenne. Il faut pouvoir les détecter en temps réel dans un environnement radio perturbé à cause des signaux de télécommunications. Cette étude propose des algorithmes de traitement d'interférences radio fréquence (RFI) adaptés à ce contexte. Plusieurs méthodes de traitement de RFI sont présentées et comparées. Parmi elles, deux ont été retenues et comparées au moyen de simulations Monte Carlo, avec un jeu de paramètres simulant le pulsar et un signal BPSK avec des puissances et des durées différentes. Pour la recherche de nouveaux pulsars, une méthode alternative est proposée (SIPSFAR), combinant capacité de recherche en temps réel et robustesse contre les RFI. Elle est basée sur la transformée de Fourier 2D et la transformée de Radon. Une étude comparative théorique a permis de confronter et comparer la sensibilité de cette nouvelle méthode avec celle communément utilisée par les radioastronomes. La méthode a été implantée sur un GPU GTX285 et testée sur un grand relevé du ciel effectué au radiotélescope de Nançay. Les résultats obtenus ont donné lieu à une comparaison statistique complémentaire à partir de données réelles.

Les travaux présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans le cadre de la détection d’évènements impulsionnels intermittents en provenance de pulsars. Ces objets astrophysiques sont des étoiles à neutrons hautement magnétisées en rotation rapide, qui émettent un faisceau radio balayant l’espace comme la lentille d’un phare. Ils sont détectables grâce à une instrumentation spécifique. Depuis quelques années, on a découvert de nouvelles catégories de ces pulsars, aux caractéristiques extrêmes, avec en particulier des impulsions individuelles plus intenses et irrégulières comparé à la moyenne. Il faut pouvoir les détecter en temps réel dans un environnement radio perturbé à cause des signaux de télécommunications. Cette étude propose des algorithmes de traitement d’interférences radio fréquence (RFI) adaptés à ce contexte. Plusieurs méthodes de traitement de RFI sont présentées et comparées. Parmi elles, deux ont été retenues et comparées au moyen de simulations Monte Carlo, avec un jeu de paramètres simulant le pulsar et un signal BPSK avec des puissances et des durées différentes. Pour la recherche de nouveaux pulsars, une méthode alternative est proposée (SIPSFAR), combinant capacité de recherche en temps réel et robustesse contre les RFI. Elle est basée sur la transformée de Fourier 2D et la transformée de Radon. Une étude comparative théorique a permis de confronter et comparer la sensibilité de cette nouvelle méthode avec celle communément utilisée par les radioastronomes. La méthode a été implantée sur un GPU GTX285 et testée sur un grand relevé du ciel effectué au radiotélescope de Nançay. Les résultats obtenus ont donné lieu à une comparaison statistique complémentaire à partir de données réelles. / The work presented in this thesis is in the context of the intermittent impulsive event detection at Nançay Observatory. The pulsars are highly magnetized neutron stars in rapid rotation, which emit a radio beam scanning the space like a lighthouse. They are detectable with a specific instrumentation. In recent years, new classes of such pulsars were discovered. These pulsars with extreme features, especially with individual pulses more intense and irregular compared to the average, must be detected in real time in a disrupted radio environment because of telecommunication signals. This study presents some radio frequency interference (RFI) mitigation algorithms adapted to this context. Several methods are presented and compared. Among them, two were selected and compared using Monte Carlo simulations with a set of parameters to simulate the pulsar and a BPSK signal with power and different durations. In the case of researching new pulsars, an alternative method is proposed (SIPSFAR), combining research capacity in real time and robustness against RFI. It is based on 2D Fourier transform and the Radon transform. A theoretical comparative study has confronted and compared the sensitivity of this new method and the commonly method used by radio astronomers. SIPSFAR was implemented on a GPU GTX285 and tested on a large survey of the sky made at Nançay radio telescope. The results have led to a further statistical comparison from the actual data.

L'objectif du projet ITER est de démontrer la faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire à des fins énergétiques. Pour obtenir les réactions de fusion, un plasma chauffé à 150 millions de degrés doit être confiné par un champ magnétique de plusieurs teslas en quasi-continu. Pour obtenir ces températures, des antennes radiofréquences (RF) injectent des ondes électromagnétiques de forte puissance dans le plasma, en particulier entre 40 et 55 MHz aux fréquences de résonance cyclotron des ions. L'assemblage et la dilatation thermique en fonctionnement de ces antennes sont rendus possibles par des contacts électriques glissants. Ces contacts doivent supporter un courant RF crête de 2.25 kA en régime stationnaire, dans un environnement sous vide et pendant toute la durée de fonctionnement de l'antenne. De plus, les matériaux de ces contacts doivent être compatibles avec la température de 250°C utilisée pour l'étuvage de la machine pendant plusieurs milliers d'heures cumulées. Ces contacts RF sont donc des composants critiques pour les performances de l'antenne. Aucun contact électrique du commerce n'a jusqu'à présent été qualifié pour ces spécifications et un effort particulier a donc été porté dans le cadre de ce travail de thèse afin de développer une solution satisfaisante. Le choix des matériaux et des revêtements utilisés pour ces contacts a fait l'objet de la première partie de cette étude. Pour ce faire, un modèle multi-physique tenant compte des paramètres RF, mécaniques et thermiques a été développé. À la suite de cette étude, des premiers couples de matériaux et de revêtements ont été sélectionnés. Les propriétés d'échantillons représentatifs ont été caractérisées par des mesures réalisées au laboratoire CIRIMAT avant et après un vieillissement thermique simulé. Afin d'évaluer le comportement électrique et tribologique de ces paires de matériaux dans les conditions de fonctionnement d'ITER, un tribomètre sous vide a été spécifiquement conçu et utilisé pendant ce travail de thèse.[...] / Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) is one of the most important plasma heating methods in magnetically confined fusion experiments. In ITER, two ICRH antennas are designed to supply 20 MW of Radio-Frequency (RF) power at 40-55 MHz to heat the plasma. RF sliding contacts are used in the antennas to allow their remote handling assembly and to improve their maintainability, as well as to absorb the thermal expansion of the RF conductors during operations. One of the RF contacts is designed to be operated at 2.25 kA in steady-state (1200 s), with a current density of 4.8 kA/m. With such current levels, high heating occurs at the contact area which threatens the structural and material safety of the RF contacts and constrain their life time. In addition, before operation of the ITER ICRH antennas, all the in-vessel structures will be baked at 250°C during thousands of cumulated hours for outgassing. In CEA, R&D work on RF contact development has been carried out for 10 years. Recently, Ag-coated CuCrZr louvers RF contact prototype based on Multi-Contact LA-CUT commercial contact configuration was tested on TITAN test-bed. 1500 A, 1200 s steady-state operation was achieved. However, due to burn failure, the RF contact prototype couldn't reach 1200 s steady-state under 2 kA as expected. In order to improve the performances of the RF sliding contacts to match ITER requirements, failure mechanisms of RF contacts during RF operations were analyzed and possible materials or coated systems that can be used for RF sliding contacts compatible with the ITER environment have been studied in detail within this thesis work. The effects of material selection, cooling parameter and contact resistance on louvers temperature have been modelled and simulated through finite element methods. Moreover, functional coatings like Ag, Au, Rh and their alloys were manufactured by electroplating on 316L and CuCrZr, which are commonly used as base materials on tokamak. By mimicking the ITER baking conditions, the coated samples were thermal aged under vacuum at 250ºC for 500 h, after which the materials properties evolution such as hardness, grain size and adherence was characterized. In addition, the coating life time has been evaluated through cross-sectional diffusion characterizations.[...]

Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte / This thesis deals with the gigahertz range reference frequency generation. In a first part, this document presents the design of a 500 MHz oscillator in a 65 nm CMOS process using a 2 GHz Bulk Acoustic Wave resonator. A digital frequency control is implemented using a switched capacitor bank in parallel to the resonator. The tuning range is up to 500 kHz with a minimum step of 200 Hz. The oscillator core uses a differential topology and is designed for low phase noise (-128 dBc/Hz at 100 kHz offset) at low power consumption (0.9 mW). It is followed by a low noise divider which provides a 500 MHz output with a phase noise of -139 dBc/Hz at 100 kHz offset from the carrier. In a second part, we consider a method for the calibration of a BAW based frequency reference. In fact, the frequency variations of a BAW oscillator against process, supply, temperature and aging effects make difficult its use as a frequency reference. We propose here a method based on Kalman filtering to identify with high precision a behavioral model of this BAW reference, thus enabling its use in an open loop frequency tuning. A precision of 0.4 ppm is achieved

Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour but de conduire à la réalisation de capteurs et de filtres à ondes élastiques de surface (SAW) innovants, passifs et sans fil, dédiés à une utilisation en environnement sévère. Différentes structures de composants SAW sont alors étudiées. Les caractéristiques générales, telles que les pertes d’insertion ou les bandes passantes relatives atteignables, des structures usuelles (résonateurs, lignes à retard, LCRF, filtres en échelle…) sont connues de l’homme de l’art. Cependant, pour concevoir un dispositif SAW qui respecte les critères d’un cahier des charges donné, il est impératif de définir le comportement spécifique de chaque dispositif avant son envoi en production.Pour ce faire, des modèles numériques sont développés, qui incluent à la fois la possibilité d’analyser le comportement de systèmes à la géométrie complexe (filtres en échelles, transducteurs apodisés) et qui prennent en compte la présence de phénomènes perturbateurs (modes transverses, pertes liées à la nature des matériaux). La comparaison entre les calculs numériques et les mesures a mis en avant l’adéquation des résultats expérimentaux et de calculs.La mise en place de ces outils permet le développement de capteurs et filtres SAW innovants grâce à une analyse numérique rapide et fiable de leur comportement.Ainsi, l’étude de résonateurs et capteurs dédiés à une utilisation à des températures excédant les 700°C est menée. Il est démontré qu’en dépit de son inhomogénéité, le Ba2TiSi2O8 est un matériau adapté à la réalisation de SAW soumis à des températures élevées pour des fréquences de l’ordre de 300 MHz jusqu’au GHz.Par ailleurs, une structure disposant d’un transducteur à trois doigts par longueur d’ondes est utilisée dans le but de réaliser des résonateurs insensibles aux effets de la directivité lorsque la température évolue. Cette même configuration a mis en exergue la possibilité de réaliser des capteurs n’utilisant qu’un seul résonateur (contre au moins deux jusqu’à présent). Ce dernier point permet de limiter l’encombrement des composants et résout la problématique du vieillissement différentiel des structures.Un second type de capteurs, passifs et sans fil, fondés sur l’utilisation d’un seul SAW et dédiés à la mesure d’hygrométrie, a été étudié. Dans cette nouvelle configuration, un SAW de type LCRF est utilisé comme transpondeur et la zone sensible est externalisée. La sensibilité des modes (de plus d’un MHz) à la variation d’un élément capacitif ou d’une antenne dipôle a été mise en avant numériquement. En pratique, la fabrication des dispositifs a montré une variation différentielle de plusieurs centaines de kHz des résonances selon la condition électrique appliquée à l’un des ports.Finalement, des filtres, dédiés aux applications stratégiques, agiles en fréquence sont réalisés. L’objectif de faire varier la fréquence centrale des dispositifs au cours de leur fonctionnement est atteinte en modifiant les conditions électriques appliquées aux réflecteurs. Deux types de tirage en fréquence sont observés : un glissement fin, de quelques ‰ de la fréquence centrale, cyclique, et un saut de fréquences lié au glissement et à l’ouverture de la bande de Bragg des miroirs aux hautes fréquences. La fabrication des structures et leur connexion à des interrupteurs MEMS validé la faisabilité de la structure.Ces travaux mettent en lumière les capacités de prédiction du comportement des structures SAW grâce au développement de logiciels dédiés. De plus, l’étude et la réalisation de filtres et capteurs innovants ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. / This thesis aims at designing innovative, passive and wireless surface acoustic waves (SAW) sensors and filters, dedicated to harsh environments. Several types of SAW components are consequently studied. The main characteristics, such as insertion losses or relative bandwidth, of usual structures (resonators, delay lines, LCRF, ladder filters…) are known by men of the art. However, to design a SAW device that respects specific requirements, the definition of the proper behavior of each device must be established before the manufacturing.For this purpose, numerical models are developed. Not only they include the possibility to analyse he beha-vior of systems with complex geometry (ladder filters, apodised transducers) but they take into account disturbing phenomena (transverse modes, losses due to the intrinsic nature of the materials). The comparison between computations and measures points out the match between experimental results and calculations.The implementation of these tools allows the development of innovative SAW sensors and filters thanks to a fast and reliable numerical analysis of their behavior.Thus, the design of resonators and sensors dedicated to a use at temperatures exceeding 700°C is studied. It is demonstrated that despite its inhomogeneity, Ba2TiSi2O8 is suitable for the manufacturing of SAW devices subject to high temperatures and in a frequency range from 300 MHz to the GHz.Furthermore, a structure composed of a three electrodes per wavelength transducer is used to produce re-sonators that are not subject to directivity effects when the temperature changes. This configuration offers the possibility to design sensors that use a single resonator (versus at least two until now). This last point makes smaller components possible and solves the question of a differential aging of the structures.A second type of sensors, also passive and wireless, dedicated to humidity measurements, based on the use of a single SAW, is studied. In this new configuration, a LCRF is used as a transponder and the sensitive area is outsourced. The mode sensitivity (of more than a MHz) to the variation of a capacitance or a dipole antenna is numerically brought to light. In practice, the device manufacturing showed a differential variation of the resonances of about 600 kHz depending on the electric condition applied to one of the ports.Finally, filters, dedicated to strategic applications, with frequency agility are designed. The purpose is to make the frequency vary depending on the electrical conditions applied to the mirrors. Two kinds of agility are identified : a slight sliding, of a few ‰ of the initial central frequency, periodic, and a frequency jump due to the shift of the Bragg band to the high frequencies. The manufacturing of some structures and their connection to MEMS switches attest the feasibility of such a structure.This work highlights the ability to predict the behavior of SAW structures thanks to the development of dedicated software. Moreover, the analysis and the manufacturing of innovative sensors and filters pave the way to new functionalities.

L'hétéro-épitaxie de structures à base de GaN est réalisée, depuis les années 1990, principalement sur trois types de substrat : le carbure de silicium (SiC), le saphir (Al2O3) et le silicium (Si). Ce dernier possède les avantages d'une conductivité thermique identique à celle du GaN, d'une grande disponibilité, de tailles pouvant aller jusqu'à 12'' et de coûts très compétitifs induits par l'activité sans égale de la filière silicium. L'orientation (111) du silicium était préférée jusqu'alors pour l'hétéro-épitaxie de structures à base de GaN de par sa symétrie de surface hexagonale compatible à la phase stable wurtzite du GaN. Néanmoins, en vu d'une intégration monolithique de futurs composants à base de GaN au côté de circuits intégrés de technologie MOS, les orientations de prédilections de la filière silicium (001) et (110), avec leur symétrie de surface carrée et quadratique respectivement, sont préférées. Ce travail de thèse a donc eu pour objectif la mise au point d'un procédé de croissance de structures (Al,Ga)N sur l'orientation (001). Nous montrerons que l'utilisation de substrats désorientés suivant la direction [110] cumulée à une préparation de surface et un procédé de croissance spécifique nous ont permis d'obtenir des couches de GaN wurtzite, malgré la symétrie carrée du plan (001), avec une unique orientation cristalline par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et épitaxie en phase vapeur d'organométallique (EPVOM). Nous développerons également, comment, par l'insertion de plusieurs alternances AlN/GaN, il nous a été possible d'obtenir par EJM des structures HEMTs AlGaN/GaN non fissurées avec des propriétés proches de celles obtenues sur l'orientation (111).

La sécurisation des systèmes de transmission de données est un enjeu majeur de la société de l'information. Ce travail aborde une solution potentielle originale, dédiée aux transmissions radio-fréquences en espace libre, et en utilisant un mode de sécurisation à base de comportements chaotiques. La porteuse chaotique est générée par un oscillateur non linéaire à retard, qui permet d'appliquer la méthode de sécurisation par porteuse chaotique en modulation de fréquence directement au niveau de la couche physique du système de transmission. L'étude et la réalisation expérimentale du principe de génération de chaos en modulation de fréquence (FM) est présentée à partir d'une transformation non linéaire construite par profil de filtrage RF à résonances multiples, et l'autre en utilisant un montage optoélectronique original réalisant la non linéaire à partir d'un interféromètre radio-fréquence à fibre optique. Dans chacun, un système complet d'émission-réception par porteuse chaotique FM démontré.