Soutenance mémoire
Évolution de la microélectronique
L’un des enjeux majeurs de l’industrie de l’électronique est la course à la miniaturisation. Depuis les années 50, les progrès scientifiques n’ont cessé de croitre permettant ainsi de diminuer les coûts de production tout en augmentant les performances des composants électroniques tels que le transistor. Néanmoins, dans la course à la miniaturisation, des limitations physiques sont apparues. C’est à partir des années λ0 que l’on assiste à l’émergence de nouvelles solutions pouvant pallier à ces limitations. La première voie, dans la course à la performance, communément appelée « More Moore » consiste à continuer la miniaturisation. Lorsque Jack Kilby réalise le premier circuit intégré en 1958, celui-ci se compose de 5 composants [1]. Depuis le nombre n’a cessé d’augmenter. En 1962, il est possible d’en intégrer 8 sur la même puce, puis 16 en 1963, 32 en 1964 et 64 en 1965. La loi de Moore prévoyant le doublement du nombre de transistors tous les ans est née. En 1975, Moore réévalue cette loi en prédisant que le doublement s’effectuerait tous les 18 mois. La seconde voie envisagée, consiste à intégrer différentes fonctionnalités sur une même puce le « More than Moore ». Cette tendance combine l’intégration d’éléments hétérogènes, les techniques d’encapsulation (packaging) ou encore les micro-empilements.
Intérêt de la miniaturisation
La miniaturisation présente nombre d’avantages tels que la fabrication de centaines de puces sur une plaquette de silicium abaissant ainsi leur coût unitaire. De plus, la miniaturisation contribue à la diminution de l’encombrement spatial tout en augmentant les fonctionnalités. À titre d’exemple, la figure ci-dessous décrit l’évolution de la miniaturisation du téléphone portable.
Les premiers téléphones se caractérisent par un encombrement non négligeable et par leurs fonctions limitées. De nos jours, ces appareils proposent de nombreuses fonctions telles qu’une connexion internet, un appareil photo, et sont d’une grande autonomie. Néanmoins, Dans la course au développement, la miniaturisation des composants n’est pas le seul intérêt des industriels. Des recherches ciblant l’amélioration de la consommation ou encore l’utilisation de composants passifs permettant la diversification des fonctions réalisées ont permis aussi l’évolution de technologies telle que la téléphonie mobile.
L’accordabilité au service des systèmes des télécommunications
De nos jours, la transmission de données des systèmes électriques utilise des circuits de types radiofréquence ou hyperfréquence. Les communications mobiles sans fil (telle que la téléphonie mobile), les communications par câble, les connexions à courte distance (comme pour la technologie Bluetooth) ou encore les liaisons satellitaires sont des applications faisant appel à l’utilisation de circuits microondes.
Chaque type de réseaux de communication possède des enjeux bien différents. Dans le cas de la téléphonie mobile il existe un grand nombre de normes basées sur la technologie GSM (Global System for Mobile Communication) et CDMA (Code Division Multiple Access), et chacune d’elles est régie par différentes implémentations. De plus, en fonction de la localisation, des gammes de fréquences ont été allouées pour l’utilisation de ces normes.
Par exemple, en ce qui concerne le sans fil, il existe trois normes IEEE appelées 802.11a, 802.11b et 802.11g qui sont connues sous le nom « Wi-Fi » en plus des normes HiperLAN, OpenAir permettant l’acheminement de données hors de portée et HomeRF qui autorise le transport de données entre périphériques domestiques [3]. Avec la diversification de normes et de fréquences, il est primordial pour un dispositif mobile de maintenir ses fonctionnalités à travers les frontières géographiques. Il est aussi indispensable qu’il puisse accueillir différents protocoles et fréquences d’utilisation selon les besoins. Bien évidemment, toutes ces fonctionnalités ajoutées ne doivent pas se faire au détriment de la taille, du coût ou encore de la durée de vie de la batterie. Cette décennie a vu l’émergence d’un certain nombre de dispositifs intégrant de multiples modes cellulaires ainsi que les fonctionnalités Bluetooth ou Wi-Fi gratuites. La réalisation de toutes ces fonctions a nécessité l’utilisation d’une quantité importante de circuits qui sont dupliqués pour chaque bande de fréquences, avec les inconvénients que cela comporte tels que l’augmentation de la taille, du poids et par conséquent du coût. En revanche, un circuit accordable peut exercer la fonction de deux ou plusieurs circuits parallèles avec un simple changement de tension de commande.
Utilisation de composants actifs
Les diodes PIN
Une diode PIN (Positive Intrinsic Negative diode) est une diode constituée d’une jonction PN ayant une zone intrinsèque entre les couches P et N . lorsqu’elle est polarisée dans le sens direct (passante), elle offre une impédance dynamique extrêmement faible (la résistance est inversement proportionnelle au courant qui la traverse). En polarisation inverse (bloquée) elle présente une très grande impédance ainsi qu’une très faible capacité.
lorsque l’on place la diode sur le chemin de propagation de l’onde hyperfréquence, il est possible de laisser passer ce signal (polarisation directe) ou au contraire de le réfléchir (polarisation inverse), un interrupteur est alors réalisé. Que ce soit en termes d’agilité fréquentielle ou de polarisation, cette technique est l’une des plus répandues dans la conception d’antennes agiles. Ainsi avec une tension de commande faible (1.1 V) il est possible de créer un décalage fréquentiel (de l’ordre de 1 GHz dans cet exemple). Bien évidemment, des critères tels que des pertes d’insertions minimales et une isolation maximale sont à respecter lorsque l’on utilise des diodes PIN en tant que switch. Rappelons que les pertes d’insertion sont définies comme le niveau de pertes mesuré sur la réponse électrique en transmission. Par ailleurs, il n’est pas rare d’observer une dégradation de l’isolation avec l’augmentation de la fréquence due en partie à une résistance série trop importante. Néanmoins, des avancées, notamment liées au choix du matériau, permettent d’envisager des solutions.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE 1 : Concept d’agilité fréquentielle au sein des dispositifs microondes
1. Contexte de l’étude
1.1. Évolution de la microélectronique
1.2. Intérêt de la miniaturisation
1.3. L’accordabilité au service des systèmes des télécommunications
2. Techniques d’agilité
2.1. Utilisation de composants actifs
2.1.1. Les diodes PIN
2.1.2. Les transistors FET
2.1.3. Les MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)
2.2. Les matériaux agiles
2.2.1. Les matériaux ferromagnétiques
2.2.2. Les matériaux ferroélectriques
3. Les matériaux ferroélectriques
3.1. Origine de la ferroélectricité
3.2. Classification
4. Caractéristiques des matériaux ferroélectriques
4.1. Propriétés diélectriques
4.1.1. Polarisation spontanée
4.1.2. Permittivité complexe
4.1.3. Le cycle d’hystérésis
4.1.4. Évolution fréquentielle
4.1.5. Accordabilité
4.1.6. Transition de phase et température de Curie
5. Les ferroélectriques de type Pérovskite
5.1. Le Titanate de Baryum (BaTiO3)
5.2. Le Titanate de Strontium (SrTiO3)
5.2.1. Propriétés diélectriques et structurales
5.2.2. Contraintes extérieures
5.3. Le Titanate de Baryum et de Strontium (BaSrTiO3)
5.4. Autres matériaux à structure Pérovskite
5.4.1. Le tantalo niobate de potassium : KTN
5.4.2. Le niobate de bismuth et de zinc : BZN
6. Dépôts de couches minces
6.1. Avantages des dépôts en couches minces
6.2. Effets d’interface
6.3. Technique des dépôts
6.3.1. État de l’art
6.3.2. Dépôt par voie physique : La pulvérisation cathodique radiofréquence
6.3.3. Dépôt par voie chimique : Le sol-gel
7. Conclusion
CHAPITRE 2 : Propriétés structurales et diélectriques des films minces de Ba0.3Sr0.7TiO3
1. Introduction
2. Dépôts en couche minces
2.1. Choix de la composition
2.1.1. Préparation de la cible
2.1.2. Substrat utilisé
2.1.3. Conditions de dépôt
2.2. Analyse de la composition chimique des films de BST par RBS
3. Propriétés structurales des films minces de BST.
3.1. Analyse cristallographique par diffraction RX
3.2. Influence de la température de dépôt
3.3. Influence de l’épaisseur du film
3.4. Couche tampon
3.4.1. Intérêt et optimisation
3.4.2. Analyse MEB
3.4.3. Transition de phase
4. Propriétés diélectriques basses fréquences
4.1. Choix du substrat
4.2. Réalisation technologique
4.2.1. Électrode inférieure
4.2.2. Électrode supérieure
4.3. Caractérisations diélectriques
4.4. Influence de l’interface film/électrode
4.5. Effets des contraintes
4.6. Mesures ferroélectriques
5. Propriétés diélectriques hautes fréquences
5.1. Motivations liées à l’utilisation d’une nouvelle structure
5.2. Choix de la technologie coplanaire
5.3. Réalisation technologique
5.4. Méthode de détermination des propriétés diélectriques
6. Capacités interdigitées
6.1. État de l’art
6.2. Description de la structure de test
6.3. Choix du substrat et réalisation technologique
7. Caractérisation des structures
7.1. Dispositif de mesure
7.2. Résultats expérimentaux
8. Modélisation des capacités interdigitées
9. Conclusion
CHAPITRE 3 : Élaboration de structures accordables
1. Introduction
2. Bref état de l’art des dispositifs agiles ferroélectriques
2.1. Déphaseurs accordables
2.2. Antennes reconfigurables
2.3. Filtres accordables ferroélectriques
3. Résonateurs accordables
3.1. Configuration série
3.2. Configuration parallèle
3.3. Vérification
4. Validation expérimentale des structures de résonateurs
4.1. Caractérisation des capacités
4.2. Cas 1 : Configuration parallèle
4.3. Cas 2 : Configuration série
5. Démonstrateur ferroélectrique
5.1. Choix de la topologie
5.2. Simulation électromagnétique d’une ligne coplanaire
5.3. Réalisation du résonateur ferroélectrique en technologique salle blanche
5.4. Caractérisation hyperfréquence du résonateur
6. Conclusion
Conclusion générale
Annexe A
Annexe B
Bibliographie
Résumé
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