L'intégration monolithique des composants de puissance se justifie par la réduction des coûts de fabrication et par l'amélioration des performances des dispositifs électroniques de puissance en termes de fonctionnalités et de fiabilité. Pour l'heure, ce domaine de l'électronique de puissance ne concerne que les applications faible et moyenne puissance. En effet l'isolation entre les différentes fonctions électriques demeure l'aspect le plus pénalisant en ce qui concerne la fiabilité de ce type de composant. Dans cette étude nous nous proposons de caractériser deux types d'isolation. Notre travail porte tout d'abord sur l'interaction puissance-commande entre un nouveau composant de puissance à grille isolée bidirectionnel en tension, le MBS (Mos Bidirectional Switch), et sa commande intégrée. Il s'agit alors de montrer les limites de l'isolation par jonction PN lorsque le niveau de tension atteint quelques centaines de volts (600 V). Des modèles sont développés pour permettre de comprendre les phénomènes de génération des perturbations durant les différents régimes de fonctionnement de l'interrupteur de puissance. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude des interactions entre composants de puissance au travers de la caractérisation de l'isolation diélectrique des composants sur SOI (Silicon On Insulator). Nous déterminons alors le couplage capacitif qui existe entre deux caissons d'isolation et qui peut conduire à un déclenchement parasite des composants réalisés à l'intérieur. Enfin l'ensemble de notre réflexion sur les performances des deux types d'isolation est synthétisée dans un bilan comparatif, dont l'objectif final est de mieux cerner les domaines d'applications de ces deux choix technologiques.

Ces travaux de thèse ont pour but l’évaluation et le développement de briques technologiques en silicium poreux répondant à la problématique de l’intégration monolithique 3D rattachée au concept du “more than Moore” : d’une part l’intégration sur silicium de composants passifs RF, d’autre part, la réalisation de chemins traversants d’interconnexion à fort facteur d’aspect par voie électrochimique. Dans un premier temps, différents substrats mixtes silicium / silicium poreux sont réalisés. Des inductances en cuivre, réalisées sur un substrat mésoporeux de 200 µm de profondeur et de porosité proche de 60%, atteignent des facteurs de qualité à 20 GHz jusqu’à 55% supérieurs à ceux mesurés sur silicium massif. Une perspective d’industrialisation de ce type d’application est à l’étude dans le cadre d’une thèse CIFRE. La gravure de matrices de pores à fort facteur d’aspect, bien qu’encore difficilement localisable en termes de qualité de périphérie, fait d’autre part l’objet de développements, notamment pour la fabrication de condensateurs à haute densité capacitive et de contacts d’interconnexions en cuivre. / Those thesis works deal with the evaluation and the development of porous silicon technological step in order to answer some of the monolithic integration challenges bring by the “more than Moore” problematic in microelectronics industry: on one hand, the integration on silicon of passive RF devices, on the other hand, realization by electrochemical etching of through silicon via. In a first time, several mixed porous silicon / silicon substrat are realized. Copper inductors, realized on 200 µm thick and 60% porosity mesoporous layer, show a quality factor superior to 55% to the one obtained on massive silicon. Industrialization perspectives are on the line via a CIFRE PhD convention. In a second time, several electrochemical etching process are evaluated. Among them, high aspect ratio macropore array etching, although poorly localizable, allows many perspectives: copper via and high density capacitor.

Ces travaux de thèse portent sur la conception et la réalisation d'un circuit générique de commandes rapprochées pour les transistors à grille isolée, notamment pour les MOSFETs et les IGBTs, compatible avec différentes structures de conversion d'énergie de l'électronique de puissance. L'objectif principal est de concevoir un système de commande simple à mettre en oeuvre, compact, intégrable et configurable pouvant servir un panel varié d'applications dites multi transistors. Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres : état de l'art de la commande rapprochée des transistors à grille isolée, présentation et validation d'une nouvelle topologie de commande rapprochée à base de transformateur d'impulsion, présentation et validation d'une version améliorée pour travailler à large spectre de fréquence et de rapport cyclique, conception et validation du circuit de commande générique contenant une puce intégrée en technologie CMOS et 6 transformateurs d'impulsions planars. Les champs d'application de ce concept du driver sont multiples, celui-ci favorise la simplicité de la conception et de la mise en oeuvre des systèmes de commande pour l'électronique de puissance.

Il existe un besoin important de développer des capteurs intégrés à faible coût qui ne nécessitent pas de grandes performances. Les technologies de fabrications de MEMS avec un procédé CMOS monolithiques offrent un coût réduit de production collective. Cependant plusieurs verrous subsistent dans le développement de ce type de capteurs. Ce sont : la conception d'une interface de capteur robuste aux fortes dispersions de la technologie, le test à faible coût des parties mécaniques et la mise en boîtier. Cette thèse propose des solutions nouvelles qui adressent les deux premiers points. Elle est illustrée par le développement d'une micro boussole.<br />L'approche proposée part de l'optimisation de l'élément sensible, de l'évaluation de ses performances intrinsèques et de sa modélisation complète qui inclue les effets parasites.<br />Ensuite, les choix au niveau de l'interface sont expliqués et l'utilisation d'un environnement CAO est détaillée. Les solutions proposées permettent à l'électronique de s'auto ajuster ou s'auto étalonner au capteur. Enfin, l'évaluation des stratégies de test basées sur l'utilisation de stimuli électrothermiques montre leur efficacité sur un ensemble de défauts considérés. Nous<br />montrons que ces méthodes permettent un test à faibles coûts du capteur, intégré et en ligne.

Le récent essor des systèmes de communication sans fil implique le développement de circuits RF performants, à fort taux d’intégration, bas coût, et adaptés à la production de masse. L’intégration monolithique de systèmes RF sur silicium permet de répondre en partie à ces critères. Cependant, le silicium est responsable de pertes dans le substrat dégradant les performances des composants passifs. Pour adresser cette limite, des caissons isolants de silicium poreux peuvent être réalisés au sein du silicium (substrat mixte). Les objectifs de cette thèse sont de montrer la faisabilité de l’intégration monolithique sur substrat mixte et d’étudier son impact sur les performances de circuits RF. Ce manuscrit décrit l’élaboration des substrats mixtes et donne une comparaison des performances de composants passifs intégrés sur silicium poreux et sur substrats standards. Enfin, l’intégration monolithique de circuits RF est menée sur substrat mixte 6’’. La caractérisation de ces démonstrateurs montre une amélioration des performances par rapport au silicium. De plus, la compatibilité du substrat mixte avec un procédé industriel de microélectronique est validée. / The rapid growth of wireless systems involves the development of highly efficient, large-scale, low-cost and radio frequency (RF) systems. Monolithic integration of RF circuits on silicon can enhance the appeal of this technology further. However, in order to fully realize the next generation of system-on-chip on silicon, the losses which results in to degradation in the performances of passive components need to be addressed. This work investigates locally insulating porous silicon regions on silicon substrates, targeting highly efficient passive components. This thesis begins with a detailed description of porous silicon/silicon hybrid substrate fabrication using a novel mask. The influence of the hybrid substrate on fabricated passive device performances was studied and the results were compared to similar devices on conventional silicon substrates. Finally, monolithic integration of passive and active devices was demonstrated on 6” hybrid substrates, with performance improvements when compared with standard silicon. This work has also shown that hybrid substrates can be fully integrated into industrial scale microelectronic processes.

L'intégration monolithique de fonctions auxiliaires au coeur d'un interrupteur de puissance permet de simplifier sa mise en oeuvre, de réduire la connectique et donc de fiabiliser ce composant. La conception de tels composants de puissance passe par divers étapes: modélisation, dimensionnement, création de masques, fabrication et test. Dans le milieu académique, ces étapes sont actuellement effectuées par le concepteur, sans aucune assistance. Or, celles-ci peuvent être critiques et induire des erreurs ne permettant pas le fonctionnement du dispositif. Nous proposons d'étudier la mise en place d'une plateforme de Conception et d'Assistance au Prototypage de Systèmes Intégrés sur Silicium (CAPsis). Nous commençons par définir l'architecture ce cette plateforme. Puis nous verrons comment assister le concepteur lors des étapes de modélisation lui servant pour ses simulations lors du dimensionnement. Puis nous présentons la méthode choisie pour l'assistance à la génération des masques d'un dispositif. Enfin nous développons la mise en oeuvre de tout ceci avec la création d'un interrupteur à commutation automatique à coeur VD-MSOFET.

La problématique entourant la mise en oeuvre, la conception et le conditionnement de micro-capteurs au sein d'une application embarquée représente un enjeu industriel majeur, consiste en un vaste ensemble de défis techniques et touche à de nombreux champs de recherche scientifiques comme d'applications commerciales. Ce mémoire de thèse compile de manière pédagogique et détaillée la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d'un capteur MEMS constitué d'un simple micro-filament destiné à la mesure, mutuellement, de la température, de la pression et de l'humidité d'une ambiance gazeuse, en utilisant un même et mutuel étage de conditionnement du signal – ce qui en tant que tel constitue une méthode d'intégration particulièrement originale qui est arbitrairement référencée comme "intégration totale". Aussi, le principe physique sous jacent à ce triplet de mesurage est la diffusion par conduction de la chaleur, produite par effet Joule dans l'élément sensible, à travers l'échantillon gazeux l'environnant. Ainsi, le principe de fonctionnement consiste en ce que, la réponse transitoire d'un tel ensemble permet d'une part de mettre en évidence, simultanément et de manière diagonalisable, à une température donnée, l'influence de la pression et de l'humidité sur la conductivité thermique et la capacité calorifique du couple sonde/échantillon. D'autre part, l'élément sensible est spécifiquement prévu pour que dans les conditions initiales du régime transitoire de l'échauffement, sa résistance électrique ne soit sensible qu'à la seule température ambiante, indépendamment des deux mesurandes. / Integration of micro sensors within an embedded system is a challenging task in terms of commercial application and deals with many fields of research. This report compiles a novel methodology of multi-sensor integration, from the design to the experimental evaluation. The reported MEMS gas sensor is made from a resistive micro-wire. It is designed to the sensing of temperature, pressure and humidity of a gaseous sample, at the same time, in using only a single sensing part as well as a single conditioning principle – which is by itself a new feature arbitrarily called "total integration". The physical principle involved here is heat-diffusion, where heat is produced by Joule effect within the resistive sensing part, sinking through the gaseous sample. The key is that the transient response of such a sensor enables the reading of both the sample thermal conductivity and heat capacity, depending on both humidity and pressure at a given temperature, the later being only depending upon the initial response of the sensor transient response.

Les dispositifs à récupération d'énergie nécessitent des convertisseurs réversibles en courant dont le circuit de commande est complexe et encombrant. Les interrupteurs auto-commutés sont une solution pour simplifier les topologies de ces convertisseurs car leurs commutations ne nécessitent ni alimentation auxiliaire, ni circuit de commande et capteur externes. Le travail mené consiste à développer, par le biais de l'intégration fonctionnelle, un interrupteur monolithique réversible en courant à auto-commutation : un thyristor dual auto-blocable. Pour réaliser cette fonction, deux architectures sont proposées : une basée sur un thyristor-MOS et une basée sur un IGBT. Les deux solutions sont étudiées à l'aide de la simulation 2D puis réalisées technologiquement. Les tests électriques des composants montrent que la première solution, intéressante d'un point de vue intégration monolithique, présente un comportement électrique très sensible aux paramètres technologiques. La deuxième solution est plus difficilement intégrable, mais son fonctionnement s'avère beaucoup moins délicat.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration monolithique de nouvelles fonctions pour les transistors de puissance à technologie verticale et grille isolée. Les efforts se sont concentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : l'intégration monolithique d'un dispositif d'alimentation pour le circuit de commande rapprochée, et l'intégration monolithique d'un récepteur optique nécessaire à l'isolation galvanique entre la commande rapprochée et la commande éloignée. Le mémoire de thèse se structure en trois chapitres équivalents : présentation et validation des structures, modélisation analytique des phénomènes, et enfin conception et caractérisation des dispositifs. Les champs<br />d'applications de ces travaux couvrent un large spectre, favorisant l'émergence de convertisseurs de puissance innovants, à haute densité de puissance et coût de fabrication réduit.

Un nouveau circuit de protection contre les surtensions a été développé. Dans ce circuit de protection, la partie<br />dissipative est monolithiquement intégrée dans la même puce du transistor à protéger avec aucune modification<br />technologique additionnelle. Cette intégration monolithique tire profit du système de refroidissement du<br />transistor à protéger pour le refroidissement de la partie intégrée. En même temps, elle réduit au minimum les<br />problèmes de connections entre le transistor à protéger et son système de protection. En plus, la conception de<br />ce circuit de protection permet d'ajuster le seuil de tension de protection. C'est utile pour la mise en série des<br />transistors pour des applications à haute tension. Un modèle du BJT comme transistor de protection est établi.<br />Ce modèle se distingue des modèles existants car il prend en compte que le BJT fonctionne en mode linéaire.<br />Un modèle thermique de l'ensemble des transistors intégrés évalue le comportement de ces transistors malgré la<br />différence entre leur mode de fonctionnement. Ce modèle donne une meilleure distribution des cellules du<br />transistor de protection dans la puce. Des résultats pratiques à partir des composants MOSFETs autoprotégés<br />que nous avons fabriqués valident la solution proposée. Un démonstrateur de hacheur série utilisant deux<br />MOSFETs autoprotégés en série montre l'efficacité de notre solution.