Th. 3e cycle--Énerg. phys.--Grenoble--I.N.P.G., 1984. N°: D3 223.

Th. 3e cycle--Énerg. phys.--Grenoble--I.N.P., 1981. N°: D3 151.

Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 85.

Th. doct.-ing.--Électronique--Grenoble--I.N.P., 1980. N°: DI 174.

Les objectifs de cette thèse se situent dans les domaines de l'élaboration et de la caractérisation du diamant dopé au bore ainsi que la réalisation par synthèse des différents éléments, de composants adaptés pour l'électronique de puissance. L'identification des défauts dans les couches homo-épitaxiées de diamant a été réalisée, et il à été en particulier montré que le pré-traitement plasma des substrats employés pour la croissance, peut se révéler comme une étape nécessaire dans le cadre de leurs éliminations. L'optimisation de la croissance de couches de diamant dopées au bore sur des substrats de type HPHT ou CVD a permis la synthèse de couches faiblement dopées dont les caractéristiques cristallines et électroniques étudiées par cathodoluminescence, et les propriétés de dopage et de transport analysées par C(V) et effet Hall, sont comparables à celles prédites par la théorie dans le cas de couches de grande pureté. La mise en oeuvre de diverses techniques permettant de définir l'architecture des composants a permis la fabrication de diverses diodes Schottky planaires ou mesa dont les propriétés électriques ont été étudiées pour mettre en évidence leurs caractéristiques, en particulier en termes de courant de fuite et tension de claquage supérieure à 1kV.

L'objectif de l'instrument hétérodyne MAMBO (Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer) est d'étudier et de cartographier l'atmosphère et la surface de la planète Mars, à partir d'observations radiométriques dans le domaine submillimétrique, couvrant la bande de fréquence 320-350 GHz. Prévu initialement pour être embarqué sur la mission Mars Premier Orbiter du CNES en 2007, la définition de l'instrument ainsi que les caractéristiques de la tête de réception hétérodyne sont présentées en première partie.<br />Le thème principal de la thèse concerne l'étude et la réalisation d'un mélangeur subharmonique à diodes Schottky planaires, constitutif de la tête de réception hétérodyne de l'instrument. Un modèle numérique du mélangeur a été conçu en couplant des simulations électromagnétiques tridimensionnelles et des simulations de circuits non-linéaires. Cette méthode de simulation a permis d'optimiser les structures guidantes et le circuit du mélangeur pour élargir au maximum la bande de fréquence instantanée, et réduire la puissance d'Oscillateur Local (OL) nécessaire au fonctionnement optimal de la paire de diodes. Les performances mesurées du prototype réalisé sont en accord étroit avec les résultats de simulations, avec une sensibilité à l'état-de-l'art dans une bande de fonctionnement entre 300 et 360 GHz, et une puissance d'OL comprise entre 2,5 mW et 4 mW.<br />La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude des propriétés diélectriques de plusieurs échantillons de minéraux, roches et sables dans le domaine millimétrique (jusqu'à 170 GHz), dans le cadre scientifique de la cartographie de la surface de Mars par l'instrument MAMBO. Des mesures de la permittivité de ces matériaux par analyse vectorielle, et des mesures radiométriques faites en collaboration avec l'IAP (Institut de Physique Appliquée) de Berne (Suisse) sont présentées. L'objectif est de mettre en avant les différences d'émissivité des roches carbonatées par rapport à des roches riches en silicates.<br />Ce travail de thèse est également préparatoire aux futurs instruments radiométriques embarqués, pour l'observation de la terre aux longueurs d'onde submillimétriques. Dans cette perspective, le développement de récepteurs hétérodynes intégrant dans une même mécanique plusieurs éléments de mélange et de multiplication en fréquence permettra des avancées technologiques dans le domaine de l'imagerie Terahertz.

Ce travail de recherche propose une nouvelle approche et la topologie d'un récepteur hétérodyne en ondes millimétriques intégré à deux pixels fonctionnant à la température ambiante, dédié aux sciences planétaire et de l'atmosphère. Des récepteurs hétérodynes multi-pixels à diode Schottky aux longueurs d'onde millimétriques et submillimétriques peuvent permettre une cartographie plus rapide et plus cohérente tout en évitant d'utiliser des systèmes cryogéniques. Des micro-composants intégrés permettent de construire des récepteurs hétérodynes à grand nombre de pixels. Une solution consiste aussi à intégrer plusieurs fonctions: un multiplicateur de fréquence et un ou plusieurs mélangeurs dans une même structure et créer une sous-unité compacte. Dans notre configuration, une seule source d'oscillateur local pompe deux mélangeurs simultanément en utilisant un diviseur de puissance en guide d'onde. Les mélangeurs et le multiplicateur de fréquence sont intégrés dans la même structure afin de réduire les pertes supplémentaires. Cette topologie compacte peut être appliquée aux plus hautes fréquences et étendue linéairement pour des récepteurs aux plus grand nombre pixels.

Le Carbure de Silicium, par ses propriétés intrinsèques, offre des perspectives dans le domaine de l'électronique de puissance à même de supplanter le Silicium aujourd'hui sollicité à ses limites. En particulier, le Carbure de Silicium (SiC) permet la réalisation de diodes réunissant la technologie Schottky et supportant une haute tension. Après avoir resitué la filière du SiC dans son contexte, on présente dans ce travail les éléments de physique du semiconducteurappliqués à la diode Schottky SiC et justifiant les propriétés et le dimensionnement du composant. Le comportement électrique statique et dynamique des diodes Schottky SiC est ensuite comparé à l'état de l'art des diodes bipolaires en Silicium, et une simulation fine de la cellule de commutation est présentée. Le comportement électrothermique des diodes Schottky SiC est analysé dans la partie suivante à l'aide d'un outil de simulation dédié, permettant d'intégrer à la fois les phénomènes d'emballement thermique propres aux composants majoritaires et les propriétés de haute tenue en température du SiC, pour fournir une évaluation de la densité de courant utile des diodes. Enfin, la dernière partie propose une évaluation de la technologie Schottky SiC DANS UNE APPLICATION pfc, suivant le régime de fonctionnement du convertisseur. Une amélioration visant à exploiter au mieux les propriétés de cette nouvelle diode dans le PFC est ensuite présentée.

Le domaine du Térahertz a suscité beaucoup d’intérêt de la part de la communauté scientifique ces dernières années. La diode Schottky constitue la pierre angulaire des circuits de détection, des multiplieurs de fréquence ou encore des mélangeurs dans cette bande de fréquence, notamment grâce à son comportement non-linéaire. Les travaux menés durant cette thèse visent à optimiser les caractéristiques de ce composant pour deux fonctions non-linéaires – la détection et la multiplication de fréquence – celles-ci ayant des facteurs de mérites bien spécifiques. Un même dispositif ne saurait les satisfaire conjointement La non-linéarité capacitive est généralement mise à profit pour la multiplication de fréquence alors que la détection s’appuie sur la non-linéarité résistive associée à la caractéristique statique. Pour réaliser cette optimisation, un code particulaire Monte-Carlo (MC) résolvant l’équation de Boltzmann couplée à l’équation de Poisson a été développé. La diode Schottky est un composant largement contrôlé par l’interface métal/semi-conducteur et la gestion des conditions aux limites constitue une étape clef dans la modélisation du dispositif. Le principe d’exclusion de Pauli doit être considéré pour un semi-conducteur très dopé et une distribution spécifique pour les porteurs injectés du côté du contact ohmique a été optimisée puis utilisée dans la modélisation de la diode. D’autres effets physiques à l’interface métal/semi-conducteur ont été implémentés tels que l’effet tunnel suivant différents degrés de raffinement, le phénomène de force image ou encore l’abaissement de la hauteur de barrière par le champ électrique dû aux états de surface. Cette modélisation MC a permis de déduire un schéma équivalent électrique petit-signal aux fréquences Térahertz dont les différents paramètres sont ajustés en prenant en compte la déplétion possible du substrat pour des diodes courtes. L’extraction du schéma équivalent peut s’effectuer suivant différentes stratégies : en excitant la diode avec un signal de faible amplitude ou encore à partir de l’étude des densités spectrales associées aux fluctuations de courant et de tension. Les phénomènes physiques pouvant mettre en défaut ce schéma électrique tels que la vitesse de saturation des porteurs ou le phénomène d’ionisation par choc en polarisation inverse sont discutés. Le recours à un schéma électrique est motivé par une volonté de l’intégrer facilement au cœur d’un circuit pour une fonction spécifique et de l’exploiter avec un logiciel commercial tel que ADS (Advanced Design System) dans une logique d’optimisation. Des simulations de type « Harmonic Balance » ont été menées afin d’étudier le rendement d’un circuit de détection et d’un multiplieur de fréquence pour dégager les caractéristiques optimales de la diode sur chacun de ces circuits. Le GaAs est souvent un semi-conducteur de choix pour la réalisation de circuits aux fréquences Térahertz grâce à sa maturité technologique et à sa haute mobilité électronique. D’autres semi-conducteurs tels que l’InGaAs, le GaSb ou encore le GaN sont également étudiés. Une diode avec un couple métal/semi-conducteur présentant une faible hauteur de barrière donne les meilleurs rendements de conversion pour la détection. Pour le multiplieur de fréquence, il existe un dopage optimal en fonction de la longueur de la couche active permettant de maximiser le rendement du circuit. / The terahertz field has generated significant interest from the scientific community in recent years. The Schottky diode is the cornerstone of detection circuits, frequency multipliers or mixers in this frequency band, thanks to its non-linear behavior. The work carried out during this thesis aims at optimizing the characteristics of this component for two non-linear functions - detection and frequency multiplication - these having very specific figures of merit. The same device can not satisfy them together. Capacitive non-linearity is generally used for frequency multiplication while the detection is based on the resistive non-linearity associated with the current-voltage characteristic. To achieve this optimization, a Monte Carlo (MC) particle code solving the Boltzmann transport equation coupled to the Poisson equation was developed. The Schottky diode is a component essentially controlled by the metal / semiconductor interface and the boundary conditions are a key step in the device modeling. The Pauli exclusion principle must be considered for a highly doped semiconductor and a specific distribution for the carriers injected on the ohmic contact side has been optimized and then used in the diode modeling. Other physical effects at the metal / semiconductor interface have been implemented, such as tunneling following different degrees of refinement, image force barrier lowering or the barrier height lowering by the electric field due to surface states. A small-signal equivalent circuit at Terahertz frequencies was deduced from the MC modeling. The parameters of this circuit are adjusted by taking into account the possible depletion of the substrate for short diodes. The extraction of the equivalent circuit can be carried out according to different strategies: exciting the diode with a low amplitude signal or studying the spectral densities associated with the current and voltage fluctuations. The physical phenomena that can make the equivalent circuit defective, such as the saturation velocity of carriers or the impact ionization at reverse bias, are discussed. An electrical circuit of the diode was used to be easily integrated into a global circuit for a specific function and exploit it in commercial software such as ADS (Advanced Design System). Harmonic balance simulations were conducted to study the performance of a detection circuit and a frequency multiplier to reach the optimal characteristics of the diode on each of these circuits. GaAs is often a semiconductor of choice for the design of circuits at Terahertz frequencies thanks to its technological maturity and its high electronic mobility. Other semiconductors such as InGaAs, GaSb or GaN are also investigated. A diode with a metal / semiconductor couple having a low barrier height gives the best conversion efficiencies for detection. For the frequency multiplier, there is an optimal doping as a function of the active layer length which maximizes the circuit efficiency.

Le spin électronique dans les semi-conducteurs fait actuellement l'objet de nombreuses investigations. Il pourrait en effet constituer, en tant que système quantique à 2 niveaux, l'élément de base d'un futur ordinateur quantique: un quantum-bit. Une des limites physiques d'un tel ordinateur provient en premier lieu de la décohérence de la superposition des états up et down de ce quantum-bit. La problématique est donc d'obtenir un système dans lequel ce temps de cohérence soit suffisamment long pour permettre de futures manipulations quantiques. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semi-conductrices chargées avec un seul électron se présentent comme des candidats prometteurs. Ces systèmes, de part leur dimensions nanométriques, ont en effet la propriété de posséder une structure électronique discrétisée, ce qui supprime les principaux mécanismes responsables de la relaxation du spin. Ce travail de thèse tend donc à déterminer le temps de relaxation du spin dans une boîte.