Ces dernières années les bandes de fréquence millimétriques et térahertz (THz) on tmontrées un fort potentiel pour de nombreuses applications telles que l’imagerie médicale et ,biologique, le contrôle de qualité ou les communications à très haut débit. Les principales raisons de cet intérêt sont les nombreuses propriétés intéressantes des ondes THz et millimétriques, telles que leur capacité traverser la matière et ceci de manière inoffensive ou le large spectre disponible à ces fréquences. Les applications visées nécessitent des sources de signaux énergétiquement efficaces, à forte puissance de sortie et, pour certaines applications, à faible bruit de phase. De plus, la demande croissante pour des applications dans ces bandes de fréquence imposent l’utilisation de technologie de hautes performances à coût métrisé et permettant une intégration à très grande échelle, telle que la technologie28nm CMOS FD-SOI. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution innovante pour la génération de fréquence millimétrique et THz en technologie CMOS : l’oscillateur distribué verrouillé par injection. Les travaux présentés dans ce manuscrit englobent l’analyse détaillé de l’état de l’art et de ses limites, l’étude théorique approfondie de la solution proposée pour une intégration en ondes millimétriques, le développement d’une méthodologie de conception spécifique en technologie CMOS ainsi que la conception de démonstrateurs technologique. Les différents oscillateurs intégrés en technologie 28nm FDSOI et opérant à des fréquences respectivement de 134 GHz et 200 GHz ont permis de démontrer la faisabilité de sources de signaux millimétrique et THz, à forte efficacité énergétique, forte puissance de sortie et faible bruit de phase en technologie CMOS à très grande échelle d’intégration. Enfin, la capacité de verrouillage par injection de tels oscillateurs distribués a été démontrée expérimentalement ouvrant la voie à de futurs systèmes THz totalement intégrés sur silicium. Les solutions intégrées démontrées dans cette thèse ont, à l’heure actuelle, la plus grande fréquence d’oscillation dans un noeud Silicium 28nm CMOS. / In recent years, millimeter-wave (mm-wave) and terahertz (THz) frequency bands haverevealed a great potential for many applications such as medical and biological imaging,quality control, and very-high-speed communications. The main reasons for this interestare the many interesting properties of THz and millimeter waves, such as their ability toharmlessly penetrate through matter or the broad spectrum available at these frequencies.Targeted applications require energy efficient signal sources with high power outputand, for some applications, low phase noise. In addition, the increasing demand in mmwave/THz applications requires the use of a cost-optimized, high-performance, and verylarge scale integration (VLSI) technologies, such as the 28nm CMOS FD-SOI technology.In this context, this thesis proposes an innovative solution for mm-wave and THz frequencygeneration in CMOS technology: the injection locked distributed oscillator (ILDO). Thework presented in this manuscript includes the detailed analysis of the state-of-the-artand its limitations, the detailed theoretical study of the proposed millimeter-waves bandsolution, the development of a specific design methodology in CMOS technology as well asthe design of technological demonstrators. The several 28nm FDSOI integrated distributedoscillators at 134 GHz and respectively 200 GHz have demonstrated the feasibility ofmm-wave and THz signal sources with high-energy efficiency, high output power, and lowphase noise in a VLSI CMOS technology. Finally, the injection locking capability of suchdistributed oscillators has been demonstrated experimentally paving the way for a futuresilicon-based fully integrated THz systems. The proposed circuits are as of today thehighest oscillation frequency solutions demonstrated in a 28nm CMOS Silicon technology.

Dans le cadre des nouvelles applications dans la bande de fréquence millimétrique, une évaluation de la technologie CMOS 65nm SOI pour la conception de circuits est proposée. Cette évaluation s'articule autour de deux axes principaux. Tout d'abord les composants actifs et passifs spécifiques à la technologie font l'objet d'une étude en terme de performances et de modélisations. Ensuite la technologie est évaluée au travers l'exemple de circuits composant une chaîne de réception

Le sujet principal de cette thèse est la conception et le développement d'un nouveau type de détecteur cryogénique, appelé Lumped Element Kinetic Inductance Detector, pour l'application dans l'astronomie millimétrique et la détection de photons de haute énergie. Concernant l'astrophysique, l'objectif était d'élaborer des grandes matrices de détecteurs qui montrent une sensibilité comparable aux bolomètres. J'ai travaillé sur le développement et les tests de pixels uniques, la réalisation de matrices et l'intégration dans la caméra NIKA (Néel IRAM KIDs Array), une expérience pour le télescope IRAM en Espagne. Cette activité a été couronnée par deux campagnes de démonstration au télescope avec d'excellents résultats: la caméra travaille dans deux bandes de fréquences (1,25 mm et 2 mm), chacune avec plus de 100 pixels, et présente une sensibilité d'environ 200 aW/sqrt(Hz). Un deuxième objectif de la thèse était de réaliser un concept des LEKIDs pour la détection de photons de haute énergie. Nous avons développé des nouveaux dispositifs pour étudier la détection de rayons X médiée par les phonons produits dans le substrat. Ces tests montrent un seuil de détection d'environ 60 eV ce qui est encourageant pour le future. / The main subject of this PhD thesis is the concept and development of a novel kind of cryogenics detectors, called Lumped Element Kinetic Inductance Detector for the application in millimeter astronomy and in the detection of high energy photons. Regarding astrophysics, the goal was to obtain large arrays of detectors, demonstrating a sensitivity comparable with bolometers. I worked on the development and tests of single pixel, realization of the array and integration into NIKA (Neel IRAM KIDs Array), an experiment installed at the IRAM telescope in Spain. This activity culminated with two demonstrative runs at the telescope with excellent results: the camera, working at two frequencies (1.25 mm and 2 mm) with more than 200 pixels, obtained a sensitivity of about 200 aW/sqrt(Hz). The goal of the second application was to obtain a good concept for high energy photons detection with LEKIDs. We developed new devices to study the detection of X-ray mediated via phonons produced in the substrate. Those tests demonstrated a threshold level of about 60 eV, encouraging for the future.

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.

De l'observation des transitions à 140 et 150 GHz de l'ortho formaldéhyde et à 72 et 145 GHz du para formaldéhyde se déduit un rapport d'abondances ortho/ para voisin de 3 dans le nuage moléculaire interstellaire Orion A et apparemment plus faible dans les nuages sombres TMC1 et L183. L'étude des mécanismes chimiques en phase gazeuse succeptibles de régir les abondances des deux espèces conduit à un rapport théorique de 3 dans les nuages chauds et denses connue Orion; ce rapport reste indéterminé mais pourrait être plus faible dans les nuages froids connue TMC1 et L183. Quatre nuages moléculaires géants (S147/S153, S184, S158/S159(NGC7538) et W3) ont été cartographiés avec l'antenne de 2,50 m de l'Observatoire de Bordeaux en émissions 13C0 (J=1-0) et HC0+ (J=1-0), dont les étendues se révèlent tout à fait comparables. Quelques caractéristiques des nuages (dimensions, masse, dynamique ...) sont déduites des observations 13 CO *

Les travaux presentés dans cette thèse portent essentiellement sur l'étude des régions de formation d'étoiles massives. Pour cela nous avons etudié l'émission Maser des deux transitions principales du premier état excite du radical hydroxyl (A 6031 et 6035 mhz). Nous avons conduit un relevé sur toutes les régions HII ayant une forte luminosité dans l'infrarouge lointain, plus quelques autres sources connues pour leur émission maser dans l'état fondamental de OH. Sur les 256 sources de notre catalogue, 15 nouvelles sources furent découvertes en émission et 3 en absorption. Nous avons pu mesurer l'intensité du champ magnétique de ces régions par l'intermédiaire de l'effet Zeeman qui d'une manière globale semble en accord avec le sens de rotation de la galaxie. Nous avons etudié 6 de ces sources grâce à la technique VLBI. Nous avons obtenu des franges d'interférence pour toutes les sources et cartographie W3(OH). Les cartes laissent apparaitre une structure complexe et certains points d'émission maser apparaissent résolus. Notre résolution de 5 milliarcsecondes nous a permis de déduire sans ambiguité possible des paires Zeeman qui montrent un champ magnétique variant entre 1 et 10 milligauss. Nous avons également observé avec l'interférométre du plateau de Bure une étoile de faible masse en formation, L1551, obtenant ainsi la première carte millimétrique ayant une résolution inférieure à l'arc seconde. Nous calculons une masse à partir de nos observations de C170 mais surtout cela nous a permis de quantifier la qualité du site de l'interféromètre en nous permettant d'en estimer le seeing.