Ces dernières années ont vu un fort engouement pour les télécommunications haut débit (>100Mbit.s-1) conjuguant réseaux ad hoc et réseaux traditionnels. Cependant, à 60 GHz en milieu confiné, ces types de réseaux sont confrontés aux problèmes de propagation multi-trajets et d’évanouissements. Une des solutions pour lutter efficacement contre ces problèmes est le développement d'antennes à agilité de faisceaux à base de MEMS RF. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail a été de réaliser et de mettre à profit conjointement les performances des micro-commutateurs MEMS RF capacitifs et de nouvelles structures d'antennes. Néanmoins, la maturité de ces dispositifs MEMS RF n’est pas encore atteinte, et des problèmes liés à la fiabilité du diélectrique ou encore à la fiabilité mécanique ne sont pas complètement résolus. Ainsi, afin d’améliorer leur durée de vie, l'étude se focalise dans un premier temps sur l’optimisation de la contrainte mécanique de la membrane et sur la compréhension des propriétés des différents nitrures de silicium amorphes hydrogénés SiNx : H, élaborés par PECVD, au travers de caractérisations optique, structurale et électrique. Le deuxième volet de ce travail, concerne la conception, la réalisation et la caractérisation de nouvelles structures d’antennes millimétriques excitées par une ligne coplanaire CPWFA (CPW Fed Aperture). La conception de l’élément rayonnant suspendu sur un packaging de type level 0 permet en particulier de protéger les MEMS RF de leur environnement et d’assurer leur bon fonctionnement. Ces antennes, développées sur un procédé « wafer Scale Packaging », offrent d’une part de bonnes performances en termes d’efficacité (>80%), de polarisation (circulaire, linéaire ou mixte) et d’autre part une encapsulation collective bas coût. Ces dispositifs réalisés sur GaAs Haute Résistivité (HR) pour une intégration monolithique compatible au procédé « above IC » permettent d'entrevoir un grand nombre d’applications télécoms et CND. / We have seen recently a great interest in high data rate (>100 Mbit s-1) indoor Local Area Networks combining ad hoc and more traditional networks. However, at 60GHz in a confined environment, theses networks pose issues due to multipath effects and fadings. One solution to combat effectively against these problems is the development of band beam agility antenna based RF-MEMS. In this context, the objective of this thesis was to make and to use jointly the performances of fabricated capacitve RF-MEMS (MicroElectroMechanical System) switches and new antenna structures. However, the maturity of these RF MEMS devices is not yet realised, and problems related to the dielectric reliability or mechanical reliability are unsolved. Thus, in order to improve their lifetime, this study focuses at first on optimizing the mechanical stress of membranes and understanding the properties of various films of hydrogenated amorphous silicon nitrides SiNx : H, elaborated by employing plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) techniques evaluated through optical, structural and electrical experimental results. The second part of this work concerns the design, fabrication and characterization of new antennas millimeter wave excited by a coplanar line CPWFA (CPW Fed Aperture). The design of the radiating element suspended on packaging Level 0 allows in particular RF MEMS to ensure a good behaviour in a real environment. These antennas, developed on a process “Wafer Scale Packaging” propose, an excellent performance in terms of efficiency (>80%), polarization (circular,linear or mixed) and also overall wafer-level packaging at low cost. These systems fabricated on high resistivity (HR) GaAs substrate for a compatible monolithic integration of an “above IC” type process offers great potential for many telecommunications applications and others e.g. non distructive testing (NDT).

L'objectif de cette thèse était d'explorer la possibilité de fabriquer un nanophotointerrupteur avec optique intégrée permettant de répondre aux besoins en terme d'échantillonnage optique de signaux radars. Le photointerrupteur est une ligne coplanaire interrompue sur substrat GaAs semi-isolant (SI) ou basse température (BT). L'interruption peut être éclairée soit par le dessus avec une fibre optique ou à l'aide d'un guide optique intégré. Le conducteur central des premiers composants, sur GaAs-SI, dispose de deux adaptateurs modaux hyperfréquences triangulaires au centre desquels se trouve une interruption de taille pouvant être submicronique. Nous avons mesuré un rapport ON/OFF supérieur à 13 dB jusqu'à 20 GHz, avec un éclairage par le dessus.Nous avons ensuite travaillé sur la géométrie de la ligne coplanaire. Nous avons en particulier étudié des adaptateurs modaux à géométrie sinusoïdale et exponentielle ainsi que l'effet du resserrement des masses autour du conducteur central. Nous avons ainsi mesuré un rapport ON/OFF de 32 dB jusqu'à 20 GHz, et des pertes d'insertion hyperfréquence de 6.5 dB.Concernant la partie optique, nous avons étudié par la méthode des faisceaux propagés différents types de guides diélectriques. Pour le composant intégré, nous avons choisi des nanoguides avec un cœur de Si3N4 enterré dans une matrice de SiO2, pouvant être fabriqués sur un dépôt d'or. Nous avons mesuré un rapport ON/OFF supérieur à 25 dB jusqu'à 20 GHz. Des nanophotointerrupteurs sur GaAs-BT ont été intégrés dans un système d'échantillonnage comprenant un laser impulsionnel femtoseconde, et ont permis de sous-échantillonner un signal à 20 GHz avec 3,15 bits effectifs. / This thesis presents a nanophotoswitch with integrated optics for the optical sampling of radar signals. The photoswitch is a microwave coplanar waveguide fabricated on a semi-insulating GaAs substrate or a low temperature GaAs substrate, which has a gap that can be either top illuminated by an optical fiber or illuminated by an integrated optical waveguide. We started with semi-insulating GaAs devices.The center conductor of the first components has two triangular microwave tapers with a submicronic gap located at the center. We measured an ON/OFF ratio greater than 13 dB up to 20 GHz, by top illumination.We worked on the geometry of the coplanar waveguide. We particularly studied exponential and sinusoidal tapers and the effect of a decrease of the conductor spacing. We have measured a 32 dB ON/OFF ratio up to 20 GHz, and 6.5 dB of insertion losses.We studied by beam propagation method different types of dielectric guides. For the integrated device, we chose nanowaveguides with a Si3N4 core buried in a SiO2 matrix, which can be fabricated on a gold deposit. We measured an ON/OFF ratio greater than 25 dB up to 20 GHz.Nanophotoswitches built on a low temperature GaAs substrate have been put into a sampling system comprising a femtosecond pulsed laser, and we have subsampled a 20 GHz signal with a 3.15 effective number of bits.

Le développement de nombreuses applications nomades, souples, déformables et sur de larges surfaces nécessite la réalisation de circuits mécaniquement flexibles, intégrant des capacités d'intéraction avec l'environnement, de communication et de traitement du signal. Une part importante de ces applications proviennent actuellement de l'industrie de l'électronique organique, mais l'apparition de nouvelles méthodes de fabrication a permis la réalisation de dispositifs à la fois souples mécaniquement et électriquement performants. En outre, les techniques de report sur substrat souple présentent de nombreux avantages (flexibilité mécanique, conservation des propriétés originelles, intégration hétérogène possible). Lors de ces travaux, une procédure d'amincissement puis de transfert sur film souple (métal, verre) des composants CMOS initialement réalisés sur des tranches SOI (silicium sur isolant) a été développée. Cette solution permet la réalisation de transistors MOS flexibles et performants possédant des fréquences caractéristiques fT/fmax de 165/188 GHz. De plus, l'utilisation d'autres matériaux que le plastique permet de modifier les propriétés originelles d'un dispositif en termes de dissipations thermiques ou de distorsions harmoniques par exemple, afin d'en améliorer les performances. La réalisation de composants souples, performants et stables a donc été démontrée. / The ability to realize flexible circuits integrating sensing, signal processing, and communicating capabilities is of central importance for the development of numerous nomadic applications requiring foldable, stretchable and large area electronics. A large number of these applications currently rely on organic electronics, but new fabrication methods permitted to realize flexible mechanically and electrically efficient devices. Besides the transfert on flexible substrates offers many advantages (mechanical flexibility, preservation of original properties, possible heterogeneous integration). In this work, a solution has been developed, based on thinning and transfert onto flexible substrate (metal, glass) of high frequency (HF) CMOS devices initially patterned on conventional silicon-on-insulator (SOI) wafers. This transfer process first enables the fabrication of high performance electronics on metal, with n-MOSFETs featuring characteristic frequencies fT/fmax as high as 165/188 GHz. Secondly, the use of materials other than plastic permit to modify the original properties of a device in terms of thermal dissipation or harmonic distorsions for example, demonstrating flexibility, high performance and stability.

Résumé / Abstract

Nous proposons une méthode et nous réalisons l'expérience pour la caractérisation de la forme d'onde jusqu'à 100 GHz, par échantillonnage électro-optique. L'échantillonnage électro-optique permet de déterminer l'impulsion ultra rapide générée par une photodiode dans une ligne coplanaire. Dans notre système, l'impulsion électrique est échantillonnée par un train d'impulsions laser ultra-courtes par effet électro-optique. Le faisceau du laser est sépare en deux parties. Une partie du laser excite la photodiode qui génère les impulsions électriques se propageant sur une ligne coplanaire fabriquée sur un substrat en verre. L'autre partie du laser subit un délai optique variable et traverse un matériau électro-optique placé sur la ligne coplanaire. Le champ électrique entre les conducteurs de la ligne coplanaire, modifie la polarisation du laser par l'effet électro-optique. Le changement de polarisation peut être converti en une variation d'amplitude qui peut être mesurée. Pour un retard fixe, les impulsions d'échantillonnage interceptent de manière répétitive une petite portion de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Le retard est varié pour enregistrer l'évolution temporelle de la forme d'onde de l'impulsion électrique. Nous utilisons un logiciel de simulation électromagnétique 3D pour optimiser la structure électro-optique constituée d'une ligne coplanaire sur laquelle est posée une lame électro-optique. Nous réalisons 144 lignes coplanaires sur un substrat de verre ainsi qu'un kit d'étalonnage pour étalonner l'analyseur de réseau vectoriel utilisé pour trouver la structure optimale en conditions réelles. Nous utilisons ensuite cette structure pour reconstruire la forme d'onde de l'impulsion électrique générée par la photodiode.

Les ondes de spin sont une des voies technologiques proposées pour surmonter les obstacles que rencontre la miniaturisation des complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) dans la gamme du nanomètre, comme en témoignent les derniers développements en matière de dispositifs logiques à ondes de spin. Cependant, l'attrait industriel de ces preuves de concept est conditionné par leur intégration évolutive à la technologie CMOS. Ici, nous présentons des pistes ultrafines de Ta/CoFeB/MgO utilisées comme guides d'ondes de spin. Ce système a été choisi pour sa compatibilité avec les procédés CMOS, son anisotropie magnétique perpendiculaire et ses fortes interactions spin-orbite. Ces derniers sont intéressants pour manipuler les ondes de spin et ont été caractérisés par résonance ferromagnétique à couple de spin où il est démontré que l'effet Hall de spin inverse est responsable de la détection de la dynamique de magnétisation. Ensuite, nous utilisons des guides d'ondes coplanaires nanométriques intégrés pour exciter localement des ondes de spin dans une large gamme de vecteurs d'ondes. La comparaison du spectre d'ondes de spin mesuré avec les calculs analytiques montre que l'effet Hall de spin inverse permet la détection des ondes de spin indépendamment de leur vecteur d'onde avec des longueurs d'onde allant jusqu'à 150 nm. Des expériences complémentaires de diffusion de la lumière de Brillouin révèlent que les ondes de spin dans le guide d'ondes de spin ultra-mince à anisotropie magnétique perpendiculaire ont des longueurs de propagation étonnamment élevées compte tenu de l'amortissement relativement élevé des systèmes Ta/CoFeB/MgO. Ces résultats ouvrent la voie à des dispositifs à ondes de spin ultraminces compatibles CMOS avec des techniques d'excitation et de détection évolutives jusqu'à l'ordre du nanomètre, avec la perspective de contrôler les ondes de spin via des couples spin-orbite. / Spin-waves have been proposed as a possible technological path to overcome the hurdles encountered by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) into the nanometer range, demonstrated by recent developments in spin-wave-based logic devices. However the industrial appeal of these proofs-of-concept is conditional upon their scalable integration with CMOS technology. Here, we report on ultrathin Ta/CoFeB/MgO wires used as spin-wave waveguides. This system is chosen for its compability with CMOS processes, its perpendicular magnetic anisotropy and strong spin-orbit interactions. The latter are of interest for manipulating spin waves and are characterized via spin-torque ferromagnetic resonance where it is shown that the inverse spin Hall effect is responsible for the detection of magnetization dynamics. Following this, we use integrated nanometric coplanar waveguides to locally excite spin-waves in a broad range of wavevectors. Comparison of the measured spin-wave spectrum with analytical calculations show that the inverse spin Hall effect allows the wavevector-independent detection of spin-waves with wavelengths down to 150 nm. Complementary Brillouin light scattering experiments reveal that spin-waves in the ultrathin spin-wave waveguide with perpendicular magnetic anisotropy have unexpectedly high propagation lengths considering the relatively high damping in Ta/CoFeB/MgO systems. These findings pave the way for ultrathin CMOS-compatible spin-wave devices with excitation and detection techniques that are scalable into the nanometer range, with the prospect of controlling spin-waves via spin-orbit torques.

Des circuits différentiels sont largement utilisés pour la conception de composants hyperfréquences principalement en raison de leur meilleure immunité au bruit. Ces circuits doivent être caractérisés au moyen de paramètres S en mode mixte (mode différentiel, mode commun et conversion entre les deux modes). De plus, la tendance à la miniaturisation et à l’intégration des dispositifs hyperfréquences conduit à l’utilisation de structures planaires ou coplanaires telles que les lignes micro-ruban ou les lignes coplanaires. La structure coplanaire avec les conducteurs déposés à la surface supérieure du substrat évite de réaliser des trous métallisés, et donc simplifie la fabrication et empêche l’apparition d’éléments parasites. Du point de vue de la métrologie électrique, il est nécessaire d’établir la traçabilité des mesures de paramètres S en mode mixte au Système International d’unités (SI). La méthode d’étalonnage Multimode Thru – Reflect – Line (TRL), dérivée de l’étalonnage TRL couramment utilisée pour les mesures de paramètres S de circuits asymétriques, est bien adaptée à cette problématique. En effet, l’impédance caractéristique, qui définit l’impédance de référence du système de mesure, peut être obtenue à partir des constantes de propagation déterminées lors de la procédure Multimode TRL et des capacités linéiques en DC.Nous présentons la première conception et la réalisation d’un kit d’étalonnage Multimode TRL et d’un kit de vérification à base des lignes coplanaires couplées en configuration « Ground – Signal – Ground – Signal – Ground » sur un substrat de quartz (SiO2) à faibles pertes diélectriques pour des mesures de paramètres S en mode mixte sur wafer de 1 GHz à 40 GHz. Les mesures sont effectuées à l’aide de deux méthodes : l’approche « one-tier » basée sur la procédure d’étalonnage Multimode TRL afin de déterminer et de corriger l’ensemble des erreurs systématiques ou bien l’approche « two-tier » qui fractionne la détermination et la correction des termes d’erreur en deux étapes dont la deuxième est associée à la méthode Multimode TRL. La faisabilité et la validation de ces techniques sont démontrées par des mesures d’éléments de vérification, constitués de lignes (adaptées, désadaptées et déséquilibrées) et d’atténuateurs en T, qui montrent un très bon accord entre les valeurs mesurées et simulées.La propagation des incertitudes est évaluée soit à partir du calcul des dérivées partielles à l’aide de l’outil Metas.Unclib ou bien par simulation numérique basée sur la méthode de Monte Carlo. La précision des mesures de paramètres S sous pointes dépend des sources d’influence attribuées aux mesures et aux imperfections des étalons telles que le bruit et la non-linéarité de l’analyseur de réseaux vectoriel, la stabilité des câbles, la répétabilité des mesures et la sensibilité dans la réalisation des étalons. Faute de temps, nous nous limitons à estimer la propagation d’incertitudes liées à la répétabilité de mesure des étalons et du dispositif sous test (DST) aux valeurs des paramètres S corrigés de la ligne désadaptée. Les résultats montrent que l’approche des dérivées partielles basée sur une approximation de la série de Taylor au premier ordre ne peut pas être utilisée avec précision à cause de l’influence significative de la non-linéarité des fonctions mathématiques de l’algorithme Multimode TRL. La méthode Monte Carlo s’avère alors plus précise bien qu’elle nécessite des temps de calcul très longs. / Differential circuits are widely used in the design of high frequency components mainly because of their better noise immunity. These circuits can be characterized using mixed-mode S parameters (differential- and common-mode S-parameters and cross-mode terms). Furthermore, the trend toward miniaturization and integration of microwave devices increases the need for planar or coplanar microwave integrated circuits such as micro-strip lines or coplanar waveguides. The ungrounded coplanar waveguide structure with all the conductors located on the same side of the substrate eliminates the need for via-holes, and thus simplifies manufacturing and prevents the appearance of some parasitic elements. From the viewpoint of electrical metrology, it is necessary to establish the traceability of the mixed-mode S-parameter measurements to the International System of Units (SI). The Multimode Thru-Reflect-Line (TRL) calibration method, derived from the commonly-used TRL calibration for S-parameter measurements of single-ended circuits, is particularly well suited for this purpose as the standards are traceable via dimensional measurements. The characteristic impedance, which defines the reference impedance of the measurement system, can be achieved from the propagation constants determined during the Multimode TRL calibration and the capacitances per unit length of the transmission line.We present the first design and realization of Multimode TRL calibration and verification kits using coupled coplanar lines in the "Ground - Signal - Ground - Signal - Ground" configuration on quartz (SiO2), the low-loss substrate, for on-wafer mixed-mode S-parameter measurements from 1 GHz to 40 GHz. Measurements are performed using two methods: the “one-tier” technique, based on the Multimode TRL calibration procedure, determines and corrects all systematic errors. The “two-tier” approach, in which the Multimode TRL is applied at the second-tier, is applied to measurement data that were partially corrected by the first calibration. The feasibility and the validation of the methods are demonstrated by measurements of matched, mismatched and unbalanced lines and T-attenuators showing good agreement between simulated and measured results.The propagation of uncertainty can be derived by the calculation of partial derivatives using the Metas.Unclib tool or by the numerical approach based on the Monte Carlo technique. The accuracy of on-wafer S-parameter measurements depends on sources of influence attributed to the measurements and to the imperfections of the standards such as the VNA noise and non-linearity, the cable stability, the measurement repeatability, and the sensitivity in calibration standards’ realization. We focus, first and foremost, on the propagation of uncertainties related to the repeatability of the standards and the device under test measurements to the corrected mixed-mode S-parameters of the mismatched line. The results show that the partial derivatives approach based on an approximation of the first-order Taylor series cannot be accurately used due to the significant influences of non-linear functions in the Multimode TRL algorithm. The Monte Carlo method is then more precise although it requires very long computation time.