Les paramètres S constituent l'une des grandeurs de base de l'électricité-magnétisme dans le domaine radiofréquence. Ils sont normalisés par rapport à une valeur d'impédance dite de référence et sont mesurés à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (Vector Network Analyzer (VNA)). La précision des paramètres S des composants micro-ondes avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA) dépend de l'exactitude du calibrage utilisé pour corriger les erreurs inhérentes au système. Le calibrage consiste à mesurer des dispositifs particuliers plus ou moins bien connus, que l'on appelle étalons, afin de déterminer les erreurs systématiques du système avant la mesure du composant. Les coefficients d'erreurs calculés à partir de l'étalonnage seront utilisés pour caractériser les vrais paramètres S du dispositif. La procédure de calibrage LAR (Line-Attenuator-Reflect), intégrée dans les analyseurs de réseau modernes et qui permet une large bande de mesure avec un nombre limité d'étalons de référence sur wafer, est particulièrement attractive. Par contre, peu d'études sont réalisées pour évaluer sa traçabilité. C'est pourquoi le LNE (Laboratoire National de Métrologie et d'Essais) a décidé de mener des études afin d'évaluer la traçabilité et la précision de mesure quand la méthode de calibrage LAR est utilisée. Dans ce contexte, nos travaux de thèse se résument comme suit : 1)Réalisation d'un kit de calibrage sur Wafer pour exécuter à la fois le calibrage LAR et le calibrage Multiline TRL qui constitue le calibrage de référence pour les mesures sur wafer. 2)Proposition d'une méthode originale basée sur un calcul d'erreur pour tenir compte du fait que les impédances d'entrée et de sortie de l'atténuateur étalon sont différentes de 50 Ω. Outre sa précision, l'avantage de cette méthode est qu'elle ne nécessite pas la détermination précise de l'impédance de référence du calibrage LAR. 3)Proposition d'une méthode originale analytique pour déterminer l'impédance d'entrée et de sortie de calibrage et donc l'impédance de référence. 4)Réalisation d'un kit de calibrage large bande pour les utilisateurs, dont l'impédance de référence du calibrage LAR est peut être obtenue par trois moyens :. ● Modélisation électrique de l'atténuateur. ● Modélisation de l'impédance de référence par interpolation polynomiale. ● Mise au point d'une méthode simplifiée : la procédure LAR-L. 5)Analyse des erreurs dans le cas ou le substrat du kit de calibrage est différent du substrat du dispositif à caractériser. Pour déterminer cette capacité, une solution consiste à graver sur le wafer du dispositif sous test une ligne de transmission dont les dimensions doivent être connues, et dont on mesure les paramètres S après calibrage du VNA.

Aux fréquences micro-ondes, les ferrites sont caractérisés par une perméabilité tensorielle, représentative de leur anisotropie induite sous champ magnétique. Cette propriété spécifique est à l'origine du comportement non réciproque de dispositifs comme les circulateurs et les isolateurs. Les limitations des milieux ferrites (aimantation à saturation réduite, fortes températures de frittage lors de leur élaboration) conduisent cependant les laboratoires à étudier des matériaux s'y substituant. Pour pouvoir réaliser des fonctions hyperfréquences non réciproques optimisées à partir de tels matériaux, la mesure préalable de leur tenseur de perméabilité est requise sur une large bande de fréquences. L'originalité du travail présenté dans ce mémoire est double : - dans un premier temps, une technique de mesure non itérative des éléments (µ, k) du tenseur de perméabilité des milieux magnétiques, dans un état quelconque d'aimantation, a été développée. Elle est utilisable du continu jusqu'environ 6 à 7 GHz, selon le type de matériau testé. Outre la détermination analytique de (µ, k) en fonction des paramètres S de la cellule de mesure en ligne de transmission élaborée, son principal intérêt est de permettre d'étudier le matériau dans des conditions voisines de celles fixées par l'application en technologie planaire ultérieure (mesure « in-situ »), - à partir de cette technique de caractérisation expérimentale, les propriétés d'anisotropie induite de matériaux composites nanostructurés aimantés ont ensuite été démontrées puis ajustées pour mettre en œuvre un isolateur hyperfréquence à résonance. Les performances de ce dernier sont au moins comparables à celles des isolateurs à ferrites, pour une quantité de matière magnétique moindre.

Cette thèse porte sur l’étude des méthodes de mesure pour l’analyse vectorielle des circuits microélectroniques en technologie intégrée aux fréquences millimétriques. Pour réussir à extraire les paramètres intrinsèques de circuits réalisés aux longueurs d'ondes millimétriques, les méthodes actuelles de calibrage et de de-embedding sont d'autant moins précises que les fréquences de fonctionnement visées augmentent au-delà de 100 GHz notamment. Cela est d’autant plus vrai pour la caractérisation des dispositifs passifs tels que des lignes de propagation. La motivation initiale de ces travaux de thèse venait du fait qu'il était difficile d'expliquer l’origine exacte des pertes mesurées pour des lignes coplanaires à ondes lentes (lignes S-CPW) aux fréquences millimétriques. Etait-ce un problème de mesure brute, un problème de méthode de-embedding qui sous-estime les pertes, une modélisation insuffisante des effets des cellules adjacentes, ou encore la création d'un mode de propagation perturbatif ?Le travail a principalement consisté à évaluer une dizaine de méthodes de de-embedding au-delà de 65 GHz et à classifier ces méthodes en 3 groupes pour pouvoir les comparer de manière pertinente. Cette étude s’est déroulée en 3 phases.Dans la première phase, il s’agissait de comparer les méthodes de de-embedding tout en maitrisant les modèles électriques des plots et des lignes d’accès. Cette phase a permis de dégager les conditions optimales d’utilisation pour pouvoir appliquer ces différentes méthodes de de-embedding.Dans la deuxième phase, la modélisation des structures de test a été réalisée à l’aide d’un simulateur électromagnétique 3D basé sur la méthode des éléments finis. Cette phase a permis de tester la robustesse des méthodes et d’envisager une méthode de-embedding originale nommée Half-Thru Method. Cette méthode donne des résultats comparables à la méthode TRL, méthode qui reste la plus performante actuellement. Cependant il reste difficile d'expliquer l'origine des pertes supplémentaires obtenues notamment dans la mesure des lignes à ondes lentes S-CPW.Une troisième phase de modélisation a alors consisté à prendre en compte les pointes de mesure et les cellules adjacentes à notre dispositif sous test. Plus de 80 structures de test ont été conçues en technologie AMS 0,35μm afin de comparer les différentes méthodes de de-embedding et d’en analyser les couplages avec les structures adjacentes, les pointes de mesure et les modes de propagation perturbatifs.Finalement, ce travail a permis de dégager un certain nombre de précautions à considérer à l’attention des concepteurs de circuits microélectroniques désirant caractériser leur circuit avec précision au-delà de 110 GHz. Il a également permis de mettre en place la méthode de de-embedding Half-Thru Method qui n'est basée sur aucun modèle électrique, au contraire des autres méthodes. / This thesis focuses on the study of vectorial measurement methods for analysing microelectronic circuits in integrated technology at millimeter wave frequencies. Current calibration and de-embedding methods are less precise for successfully extracting the intrinsic parameters of devices and circuits at millimeter wave frequencies, while the targeted operating frequencies are above 100 GHz. This is especially true for the characterization of passive devices such as propagation lines. The initial motivation of this thesis work was to explain the exact origin of the additional loss measured in Slow-Wave Coplanar Waveguides (S-CPW) lines at millimeter wave frequencies. Was it a problem of raw measurement or a problem of de-embedding method, which underestimates the losses? Or was it a problem of insufficient modeling of the effects of adjacent cells, or even the creation of a perturbation mode of propagation?This work consists of estimating many de-embedding methods beyond 65 GHz and classifies these methods into three groups to be able to compare them in a meaningful way. This study was conducted in three phases.In the first phase, we compared all the de-embedding methods with known electrical model parasitics of pad/accessline. This phase identifies the optimal conditions to use and apply these de-embedding methods.In the second phase, the modeling of test structures is performed using a 3D electromagnetic simulator based on finite element method. This phase tested the robustness of the methods and considered an original de-embedding method called Half-Thru de-embedding method. This method gives comparable results to the TRL method, which remains the most effective method. However, it remains difficult to explain the origin of additional losses obtained in measured S-CPW line.A third modeling phase was analysed to take into account the measurement of probes and the adjacent cells near our device under test. More than 80 test structures were designed in AMS 0.35 μm CMOS technology to compare the different de-embedding methods and analyse the link with adjacent cells, measuring probes and perturbation mode of propagation.Finally, this work has identified a number of precautions to consider for the attention of microelectronic circuit designers wishing to characterize their circuit with precision beyond 110 GHz. It also helped to establish Half-Thru Method de-embedding method, which is not based on electrical model, unlike other methods.

Les applications microélectroniques telles que les communications sans fil ou les radars nécessitent des traitements d’information avec des débits ou des résolutions de plus en plus élevés. Cela implique de travailler à des fréquences millimétriques voir sub-millimétriques. Grâce aux progrès des technologies silicium, des circuits intégrés travaillant dans les gammes de fréquences millimétriques émergent mais souffrent d'un manque de solution de caractérisation complète. Par exemple, il n’existe à ce jour aucun analyseur vectoriel de réseaux commercial qui soit capable de mesurer les paramètres S dans la bande G (140-220 GHz) en 4 ports. La caractérisation classique des circuits millimétriques en n ports (avec n>2) consiste alors à utiliser un analyseur vectoriel de réseaux 2 ports et à adapter les autres ports non utilisés à 50Ω. Par permutation circulaire, on arrive ainsi à extraire la matrice S d’un dispositif à n ports (avec n>2). Ce protocole de mesure est très long et délicat à mettre en place car il nécessite d’une part un investissement en appareil de mesure très couteux aux fréquences millimétriques et d’autre part de mettre en œuvre des méthodes de calibrage et de de-embedding précises et dédiées.Le travail développé dans le cadre de cette thèse a visé à intégrer dans la puce, des systèmes de caractérisation petits signaux (paramètres S) au plus près du Dispositif Sous Test (DST). Le fait d’être au plus près du DST permet de réduire les pertes d’insertion, de réduire l’amplitude des vecteurs d’erreurs et donc les erreurs résiduelles après calibrage. Par ailleurs, il est possible de mieux contrôler la puissance du signal envoyé et de considérer des méthodes de calibrage utilisant des charges intégrées, ce qui permet de réduire le temps de traitement et le cout. La technologie utilisée est la technologie SiGe BiCMOS 55 nm développée par la société STMicroelectronics, technologie particulièrement adaptée aux circuits en bande millimétrique. La solution développée dans cette thèse consiste à connecter le wafer avec des pointes de mesure qui amènent un signal hyperfréquence balayant le spectre 35-55 GHz. Une fois dans la puce, ce signal hyperfréquence est quadruplé en fréquence et amplifié afin d’atteindre des niveaux de puissance suffisant (bon rapport Signal/bruit) dans la bande G aux bornes du DST. Les paramètres de réflexion (S11 et S22) sont ensuite extraits grâce à deux coupleurs très directifs, placés sur l’entrée et la sortie du DST respectivement. Les sorties du coupleur sont ensuite ramenées en basse fréquence (0.5GHz < IF < 2.4 GHz) par l’intermédiaire de mélangeurs de fréquence.L’approche choisie est argumentée en se basant sur une étude des systèmes de mesures existant présentée dans la première partie de ce manuscrit. Puis la conception et la caractérisation de chacun des blocs composant le système sont détaillées : le quadrupleur de fréquence en bande G (constitué d’un doubleur de fréquence en bande W cascadé avec un doubleur de fréquence en bande G), le transfert switch en bande G permettant de commuter entre l’entrée et la sortie du DST, le coupleur directif à ondes lentes, les mélangeurs permettant de ramener les mesures en basse fréquence, etc…. Une fois tous les différents blocs présentés, le manuscrit aborde les deux systèmes de mesure conçus. Un premier système un port a été développé pour valider cette approche. Le second système conçu permet de mesurer un DST à deux ports (HBT). Ce second système conserve l’architecture hétérodyne du premier, intégrant en plus un transfert switch en bande G qui dirige le signal incident vers l’un des deux ports du DST. / Microelectronic applications such as wireless communications, radar or space detections require higher data rate resolutions, implying the use of millimeter wave and submillimeter frequencies. Thanks to the silicon technologies improvement, some microelectronic circuits are emerging working in the frequency range of 140-220 GHz (G-band) but they suffer from a lack of complete characterization tools involving costly investment. For example, there is currently no commercial vectorial network analyser (VNA) that can measure S parameters in the 4-ports G-band. The classical characterization of millimeter wave circuits in n ports (with n> 2) consists in using a vectorial analyzer of 2-ports networks and matching the other unused ports to 50Ω. By circular permutation, one thus manages to extract the S matrix from a device with n ports (with n> 2). This set up induces very long and difficult measurements and it requires on the one hand some very expensive measuring equipment at millimeter frequencies and on the other hand to implement accurate and dedicated calibration and de-embedding methods.Therefore, the work developed into this PhD study aimed to integrate in the die the measurement systems that would measure small signals "S-parameters" of the device under test (DUT). Being closer to the DST makes it possible to reduce the insertion losses, to reduce the amplitude of the error vectors and thus the residual errors after calibration. Moreover, it is possible to better control the power of the signal sent and to consider calibration methods using integrated loads, which reduces the time and cost processing. The technology used is the SiGe BiCMOS 55 nm technology developed by STMicroelectronics, a technology dedicated to RF and millimeter wave’s circuits.The system developed is a 1-port system. The solution developed consists on connecting the wafer with some probes and driving it with an external signal that spans the 35-55 GHz band. Once into the die, this signal is then quadrupled in frequency and amplified to reach good power level in G band at the DUT inputs. Some S-parameters (S11 and S22) are extracted from the DUT thanks to some very directive couplers designed respectively at the input and at the output of the DUT. The outputs of the couplers are then converted to low frequencies (IF =0.5-2.4 GHz) through passive frequency mixers.In a first part of the thesis manuscript, the way to work is argued, supported by a study of the state of the art concerning the measurement systems. Then, design and characterization of each blocks of the system are detailed: the frequency quadrupler in G band (composed of a W band frequency doubler, followed with a G band frequency doubler), the fully integrated transfer switch in G-band allowing driving the millimeter waves signal to the DUT input or to the DUT output, the directive couplers based on the slow wave lines, the frequency mixers used to bring back the results in base band frequency, etc… All the different blocks detailed, the measurement systems can be introduced. A first system, a one-port measurement system, has been designed as a proof of concept. Once the approach validated, a second system, two-ports measurement system, has been developed presenting an heterodyne architecture and a transfer switch in G band driving the input signal toward the DUT input or output.

Ces travaux de thèse portent sur l’étude des solutions innovantes de caractérisation destinées à l’amélioration de la précision du schéma équivalent petit signal à des fréquences d’ordre millimétrique. Après un état de l’art dans ce domaine et suite à plusieurs caractérisations au niveau composant, une nouvelle structure de test “nouvelle approche” est conçue, réalisée et caractérisée. Cette approche est basée sur une nouvelle méthode d’extraction du schéma équivalent petit signal à partir d’une structure adaptée. Cette méthode réalise une adaptation des impédances du transistor sous test aux impédances des équipements de mesure. Comme résultats, la transmission du signal entre la source et le composant sous test ainsi que la précision de la mesure des paramètres extraits sont améliorés. La méthode développée permet la validation des modèles compacts des composants fabriqués en technologie BiCMOS 0.25μm au niveau circuit. Les mesures réalisées ont montré une bonne amélioration de l’extraction entre un transistor sous test seul et un transistor sous test adapté. La méthode d’investigation proposée permet l’extraction des modèles à des très hautes fréquences avec une meilleure précision. Cette thèse ouvre donc des perspectives pour la caractérisation en bande millimétrique notamment caractérisation des structures adaptées en impédances et de méthodes de de-embedding dédiées à ces dernières. / This thesis deals with the study of innovative solutions for small signal characterization at millimeter wave frequency. After a state of the art in this field and following to several characterizations at device level, a new test structure “new approach” is designed, fabricated, and characterized. The approach of characterizing at circuit level is based on a new method to extract the small signal equivalent circuit using matched test structures. This method proposed here makes the DUT impedances carefully match the characteristic impedances of the measurement equipment. In results, the transmission of the signal from the source to the DUT is improved while the parameters extraction accuracy is improved. The developed method enables the BiCMOS 0.25μm compact models validation in circuit level in mm-Wave band and enables accurate parameter extraction in a narrow band at higher frequencies. The verification results demonstrated that the new test structure significantly outperformed the conventional method in measurement accuracy specifically in very high frequency. Some aspects of the matched test structure could be subject of further investigation. In particularly topics such as, characterization over multiple test structure geometries and deembedding test structure losses.

L’intégration de l’électronique dans des environnements sévères d’un point de vue électromagnétique a entraîné en contrepartie l’apparition de problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) entre les différents systèmes. Afin d’atteindre un niveau de performance satisfaisant, des tests de sécurité et de certification sont nécessaires. Ces travaux de thèse, réalisés dans le cadre du projet SIMUCEDO (SIMUlation CEM basée sur la norme DO-160), contribuent à la modélisation du test de qualification "Bulk Current Injection" (BCI). Ce test, abordé dans la section 20 dans la norme DO-160 dédiée à l’aéronautique, est désormais obligatoire pour une très grande gamme d’équipements aéronautiques. Parmi les essais de qualification, le test BCI est l’un des plus contraignants et consommateurs du temps. Sa modélisation assure un gain de temps, et une meilleure maîtrise des paramètres qui influencent le passage des tests CEM. La modélisation du test a été décomposée en deux parties : l’équipement sous test (EST) d’une part, et la pince d’injection avec les câbles d’autre part. Dans cette thèse, seul l’EST est pris en compte. Une modélisation "boîte grise" a été proposée en associant un modèle "boîte noire" avec un modèle "extensif". Le modèle boîte noire s’appuie sur la mesure des impédances standards. Son identification se fait avec un modèle en pi. Le modèle extensif permet d’étudier plusieurs configurations de l’EST en ajustant les paramètres physiques. L’assemblage des deux modèles en un modèle boîte grise a été validé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN). Une autre approche dénommée approche modale en fonction du mode commun (MC) et du mode différentiel (MD) a été proposée. Elle se base sur les impédances modales du système sous test. Des PCB spécifiques ont été conçus pour valider les équations développées. Une investigation est menée pour définir rigoureusement les impédances modales. Nous avons démontré qu’il y a une divergence entre deux définitions de l’impédance de MC dans la littérature. Ainsi, la conversion de mode (ou rapport Longitudinal Conversion Loss : LCL) a été quantifiée grâce à ces équations. Pour finir, le modèle a été étendu à N-entrées pour représenter un EST de complexité industrielle. Le modèle de l’EST est ensuite associé avec celui de la pince et des câbles travaux réalisés au G2ELAB. Des mesures expérimentales ont été faites pour valider le modèle complet. D’après ces mesures, le courant de MC est impacté par la mise en œuvre des câbles ainsi que celle de l’EST. Il a été montré que la connexion du blindage au plan de masse est le paramètre le plus impactant sur la distribution du courant de MC. / Electronic equipments intended to be integrated in aircrafts are subjected to normative requirements. EMC (Electromagnetic Compatibility) qualification tests became one of the mandatory requirements. This PhD thesis, carried out within the framework of the SIMUCEDO project (SIMulation CEM based on the DO-160 standard), contributes to the modeling of the Bulk Current Injection (BCI) qualification test. Concept, detailed in section 20 in the DO-160 standard, is to generate a noise current via cables using probe injection, then monitor EUT satisfactorily during test. Among the qualification tests, the BCI test is one of the most constraining and time consuming. Thus, its modeling ensures a saving of time, and a better control of the parameters which influence the success of the equipment under test. The modeling of the test was split in two parts : the equipment under test (EUT) on one hand, and the injection probe with the cables on the other hand. This thesis focuses on the EUT modeling. A "gray box" modeling was proposed by associating the "black box" model with the "extensive" model. The gray box is based on the measurement of standard impedances. Its identification is done with a "pi" model. The model, having the advantage of taking into account several configurations of the EUT, has been validated on an analog to digital converter (ADC). Another approach called modal, in function of common mode and differential mode, has been proposed. It takes into account the mode conversion when the EUT is asymmetrical. Specific PCBs were designed to validate the developed equations. An investigation was carried out to rigorously define the modal impedances, in particular the common mode (CM) impedance. We have shown that there is a discrepancy between two definitions of CM impedance in the literature. Furthermore, the mode conversion ratio (or the Longitudinal Conversion Loss : LCL) was quantified using analytical equations based on the modal approach. An N-input model has been extended to include industrial complexity. The EUT model is combined with the clamp and the cables model (made by the G2ELAB laboratory). Experimental measurements have been made to validate the combined model. According to these measurements, the CM current is influenced by the setup of the cables as well as the EUT. It has been shown that the connection of the shield to the ground plane is the most influent parameter on the CM current distribution.

La caractérisation des composants hyperfréquences après leur fabrication, est généralement réalisée par la mesure de paramètres S à l’aide d’un analyseur vectoriel de réseau (VNA). La précision de mesure dépend étroitement de la qualité du calibrage de l’analyseur vectoriel, qui permet de corriger les erreurs inhérentes au système de mesure. Des composants particuliers, dits étalons ou standards, dont les paramètres sont complètement ou partiellement connus, sont mesurés lors de la procédure de calibrage afin de déterminer les erreurs systématiques du système. La réalisation d’un circulateur coplanaire (les trois ports sont à 120 degrés les uns des autres) travaillant autour de 40 GHz est l’un des axes de recherche du laboratoire depuis plusieurs années et la caractérisation des prototypes a toujours été un souci important. Le calibrage est réalisé avec un kit commercial, avec les pointes positionnées en face à face. La mesure des dispositifs CPW à accès orthogonaux ou obliques après un calibrage avec un ensemble de standards conventionnels (droits) peut engendrer des erreurs supplémentaires. L’objectif de notre travail est donc de concevoir un ensemble de standards à accès inclinés à 120 degrés permettant de calibrer l’analyseur vectoriel « 2-ports » en positionnant directement les pointes à 120 degrés. La méthode de calibrage TRL (THRU – REFLECT - LINE) a été choisie. Le travail à accomplir se résume comme suit : - faire une étude de simulation du nouveau kit de calibrage à concevoir ; - mettre en évidence l’effet des accès coudés sur les lignes de transmission des standards ; - proposer une méthode de calcul qui tient compte de ces effets lors de la procédure de calibrage ; - mesurer quelques échantillons réalisés afin de vérifier la validité de la procédure de calibrage proposée. Les résultats obtenus au cours de ce travail ont pu être validés expérimentalement et offrent de nouvelles perspectives pour la mesure des composants planaires à accès non conventionnels / Microwave components characterization after the fabrication steps is usually performed by measuring S parameters using a Vector Network Analyzer (VNA). The measurement accuracy is highly dependent on the quality of the VNA calibration, which corrects the inherent errors in the measurement system. Specific components, called standards and whose parameters are completely or partially known, are measured during the calibration procedure to determine systematic errors of the system. Fabricating a coplanar circulator (the three ports are at 120 degrees position) functioning around 40 GHz is one of the laboratory’s research areas for several years and characterization of prototypes has always been a major concern. Usually, the calibration is made with a commercial kit ; probes are in face-to-face position. Measurements of CPW devices with orthogonal or bended accesses (120 degrees in our case) after VNA calibration with conventional (straight) set of standards may generate additional errors. The aim of our work is to design a set of standards with 120_ bended accesses allowing the calibration of the “2-ports” network analyzer. Therefore, probes are directly set at 120_ position. TRL (THRU - REFLECT -LINE) calibration procedure is chosen for the standards design. The work to be done is as follows : - to make a simulation study of the new calibration kit to design ; - to determine the bended accesses effects on the standards transmission lines ; - to propose a calculation method that takes account of these effects during the calibration procedure ; - to measure some fabricated samples to verify the validity of the proposed calibration procedure. The results of this research work have been experimentally validated and offer new perspectives for measuring planar components with unconventional accesses

La constante amélioration des technologies silicium permet aux transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) SiGeC (Silicium-Germanium : Carbone) de concurrencer les composants III-V pour les applications millimétriques et sous-THz (jusqu’à 300GHz). Le cycle de développement de la technologie (caractérisation-modélisation-conception-fabrication) nécessite plusieurs itérations, entraînant des coûts élevés. De plus, les méthodologies de mesure doivent être réévaluées et ajustées pour adresser des fréquences plus élevées. Afin de réduire le nombre d’itérations et de permettre la montée en fréquence de la mesure, un travail de fond sur la première étape, la caractérisation, s’avère indispensable.Pour répondre à cette exigence, une description et une étude des instruments de mesure (VNA) est réalisée dans un premier temps. Un état de l’art des méthodes de calibrage permet de choisir la solution la plus pertinente pour la calibration sur puce valable dans la gamme de fréquences sous-THz. Ensuite, après avoir relevé plusieurs défauts dans la méthode choisie (à savoir la méthode Thru-Reflect-Line : TRL), des solutions sont proposées concernant la modification des calculs des coefficients d’erreur et également en modifiant les standards utilisés durant le calibrage. Finalement, une étude sur les méthodes d’épluchage est réalisée. Une amélioration est proposée par la modification de deux standards évitant le principal problème de l’état de l’art, la surcompensation des composants parasites. / The continuous improvement in Silicon technologies allows SiGeC (Silicon-Germanium-Carbon) heterojunction bipolar transistors (HBT) to compete with III-V components for millimeter wave and sub-THz (below 300GHz) applications. The technology development cycle (characterization, modeling, design and fabrication) needs several iterations resulting in high costs. Furthermore, the measurement methodologies need to be re-assessed and modified to address higher measurement frequencies. In order to reduce the number of iterations and to allow reliable measurement in the sub-THz band, the characterization procedure has been revisited.First, a description and investigation of the measurement instrument (VNA) has been made. After exploring all possible calibration methods, the best candidate for an “on-wafer” calibration for the sub-THz frequency range has been selected. Then, after analyzing the limits of the chosen calibration method (Thru-Reflect-Line: TRL), workarounds are proposed, by modification of the errors coefficients calculation and by changing the standards used during the calibration process. At last, a study concerning the de-embedding methods is carried out. It is shown, that using two new standards helps to reduce the over-compensation of parasitic components.

Depuis plusieurs années, la technologie de transistors à effet de champ à haute mobilité (HEMT) sur Nitrure de Gallium (GaN) a démontré un potentiel très important pour la montée en puissance et en fréquence des dispositifs. Malheureusement, la présence des effets parasites dégrade les performances dynamiques des composants ainsi que leur fiabilité à long-terme. En outre, l'origine de ces pièges et leur emplacement physique restent incertains jusqu'à aujourd'hui. Une partie du travail de recherche menée dans cette thèse est axée sur la caractérisation des pièges existant dans les dispositifs HEMTs GaN à partir de mesures de paramètre S basse fréquence (BF), les mesures du bruit BF et les mesures I(V) impulsionnelles. Parallèlement, nous avons effectué des simulations physiques basées sur TCAD afin d'identifier la localisation des pièges dans le transistor. De plus, notre étude expérimentale de caractérisation et de simulation montre que les mesures BF pourraient constituer un outil efficace pour caractériser les pièges existant dans le buffer GaN, alors que la caractérisation de Gate-lag pourrait être plus utile pour identifier les pièges de barrière des dispositifs GaN HEMT. La deuxième partie de ce travail de recherche est axée sur la caractérisation des dispositifs AlN/GaN HEMT sur substrat Si et SiC. Une méthode d’extraction simple et efficace de la résistance canal et de la résistance de contact a été mise au point en utilisant conjointement la simulation physique et les techniques de caractérisation. Le principe de l’extraction de la résistance canal est basée sur la mesure de la résistance RON. Celle-ci est calculée à partir des mesures de courant de drain IDS et de la tension VDS pour différentes valeurs de températures En outre, nous avons procédé à une évaluation complète du comportement thermique de ces composants en utilisant conjointement les mesures et les simulations thermiques tridimensionnelles (3D) sur TCAD. La résistance thermique (RTH) a été extraite pour les transistors de différentes géométries à l'aide des mesures et ensuite validée par les simulations thermiques sur TCAD. / GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have demonstrated their capabilities to be an excellent candidate for high power microwave and mm-wave applications. However, the presence of traps in the device structure significantly degrades the device performance and also detriments the device reliability. Moreover, the origin of these traps and their physical location remains unclear till today. A part of the research work carried out in this thesis is focused on characterizing the traps existing in the GaN/AlGaN/GaN HEMT devices using LF S-parameter measurements, LF noise measurements and drain-lag characterization. Furthermore, we have used TCAD-based physical device simulations in order to identify the physically confirm the location of traps in the device. Moreover, our experimental characterization and simulation study suggest that LF measurements could be an effective tool for characterizing the traps existing in the GaN buffer whereas gate-lag characterization could be more useful to characterize the AlGaN barrier traps of GaN HEMT devices. The second aspect of this research work is focused on characterizing the AlN/GaN/AlGaN HEMT devices grown on Si and SiC substrate. We attempt to characterize the temperature-dependent on-resistance (RON) extraction of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based physical simulations. Furthermore, we have proposed a simplified methodology to extract the temperature and bias-dependent channel sheet resistance (Rsh) and parasitic series contact resistance (Rse) of AlN/GaN HEMT devices. Further, we have made a comprehensive evaluation of thermal behavior of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based three-dimensional (3D) thermal simulations. The thermal resistance (RTH) has been extracted for various geometries of the device using measurements and validated using TCAD-thermal simulations.

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.