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Ingénierie de substrat par micro-usinage laser pour l’amélioration des performances de composants et fonctions RF intégrées en technologie SOI-CMOS

/ Bhaskar Arun / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 07-10-2019
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Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'approche More-than-Moore constitue un facteur clé pour améliorer les performances du système, l'intégration et la diversification des applications. Dans le domaine des systèmes RF/hyperfréquences, il est essentiel de développer des fonctionnalités optimisées pour diverses exigences comme la linéarité, les pertes, la sensibilité, etc. Bien que la technologie silicium-sur-isolant (SOI) offre des solutions concurrentielles pour le marché des radiofréquences et des hyperfréquences, il a été démontré dans des études antérieures que l'ingénierie des substrats SOI permet d'améliorer encore les performances. Dans ce contexte, l'objet spécifique de ce travail de thèse a été d'étudier le traitement des substrats porteurs de tranches SOI (Silicium-sur-Isolant). L'objectif a consisté à enlever le substrat de silicium sous la zone active des fonctions RF pour obtenir des membranes SOI menant à des pertes RF réduites et une amélioration de la linéarité. Nous avons donc développé le procédé de micro-usinage et de gravure assistée par laser femtoseconde FLAME (Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch) pour suspendre en membrane les fonctions RF intégrées sur un substrat SOI. Un taux d'ablation spécifique élevé de 8,5 x 106 µm3 s-1 a été obtenu pour produire des membranes dont la surface varie de quelques centaines de µm2 à plusieurs mm2. La caractérisation RF a été réalisée sur différentes fonctions RF suspendues : commutateurs, inductances et amplificateurs à faible bruit (LNA). Une comparaison avec des substrats SOI à haute résistivité montre des performances supérieures pour les fonctions RF intégrées en membranes. Pour le commutateur, les mesures de distorsion harmonique ont montré une amélioration de 23 dB et 6 dB des secondes et troisièmes harmoniques, respectivement. Des mesures en régime petit signal d'inductance sur membranes ont révélé un quasi-doublement du facteur de qualité Q jusqu'à 3,2 nH. L'élimination du substrat de l'inductance d'adaptation d'entrée des LNA entraine une réduction du facteur de bruit de ~0,1 dB. Ces résultats mettent en évidence le potentiel important que constitue l’ingénierie des substrats pour l'amélioration des performances RF des technologies CMOS. De plus, pour les besoins d'analyse en boucle courte, la méthode FLAME permet de quantifier très rapidement l'influence du substrat sur les pertes et la linéarité sans avoir recours à des techniques d’élimination complète. Un autre avantage distinctif de cette méthode est la possibilité de quantifier l'effet du substrat sur un circuit complet en suspendant un composant spécifique sans affecter les autres. Les méthodes de fabrication développées sont également applicables aux capteurs en technologie SOI, ce qui apporte une valeur ajoutée globale en ligne avec le paradigme More-than-Moore.

Massive MIMO channel characterization and propagation-based antenna selection strategies : application to 5G and industry 4.0

/ Challita Frédéric / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 26-09-2019
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Dans le domaine des télécommunications sans fil, des efforts importants se sont portés ces dix dernières années sur le développement de systèmes d’échange d’information rapides, intelligents, sûrs et respectueux de l'environnement. Les domaines applicatifs sont de plus en plus larges, s’étendant par exemple du grand public, à la voiture connectée, à l’internet des objets (IoT Internet of Things) et à l’industrie 4.0. Dans ce dernier cas, l’objectif est d’aboutir à une flexibilité et à une versatilité accrues des chaînes de production et à une maintenance prédictive des machines, pour ne citer que quelques exemples. Cependant, les réseaux sans fil actuels ne sont pas encore en mesure de répondre aux nombreuses lacunes de la quatrième génération des réseaux mobiles (4G) et aux exigences de la 5G quant à une connectivité massive, une ultra fiabilité et des temps de latence extrêmement faibles. L’optimisation des ressources spectrales est également un point très important. La 5G était initialement considérée comme une évolution, rendue possible grâce aux améliorations apportées à la LTE (Long Term Evolution), mais elle ne tardera pas à devenir une révolution et une avancée majeure par rapport aux générations précédentes. Dans ce cadre, la technologie des réseaux massifs ou Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) s’est imposée comme l’une des technologies de couche physique les plus prometteuses. L'idée principale est d'équiper les stations de base de grands réseaux d’antennes (100 ou plus) pour communiquer simultanément avec de nombreux terminaux ou équipements d’utilisateurs. Grâce à un prétraitement intelligent au niveau des signaux d’émission, les systèmes Massive MIMO promettent d’apporter une grande amélioration des performances, tout en assurant une excellente efficacité spectrale et énergétique. De nombreux articles scientifiques ont développé récemment les aspects théoriques de ces systèmes dont la faisabilité a été validée par des essais réalisés par des opérateurs. Cependant certains défis doivent encore être relevés avant le déploiement complet des communications basées sur le massive MIMO. Par exemple, l’élaboration de modèles de canaux représentatifs de l’environnement réel, l'impact de la diversité de polarisation, les stratégies de sélection optimale d’antennes et l'acquisition d'informations d'état du canal, sont des sujets importants à explorer. En outre, une bonne compréhension des canaux de propagation en milieu industriel est nécessaire pour optimiser les liens de communication de l'industrie intelligente du futur. Dans cette thèse, nous essayons de répondre à certaines de ces questions en nous concentrant sur trois axes principaux : 1) La caractérisation polarimétrique des canaux massive MIMO en environnement industriel. Pour cela, on étudie des scénarios correspondant à des canaux ayant ou non une visibilité directe entre émetteur et récepteur (Line of Sight – LOS) ou Non LOS, et en présence de divers types d’obstacles. Les métriques associées sont soit celles utilisées en propagation telles que le facteur de Rice et la corrélation spatiale, soit orientées système comme la capacité totale du canal incluant des stratégies de précodage linéaire. De plus, les schémas de diversité de polarisation proposés montrent des résultats très prometteurs. 2) En massive MIMO, un objectif important est de réduire le nombre de chaînes de fréquences radio et donc la complexité du système, en sélectionnant un ensemble d'antennes distribuées. Cette stratégie de sélection utilisant la corrélation spatiale du récepteur et une métrique de propagation comme facteur de mérite, permet d'obtenir une capacité totale quasi-optimale. 3) Une technique efficace de réduction des ressources lors de l’acquisition d’informations du canal de propagation dans les systèmes FDD (frequency-division-duplex) est enfin proposée. Elle repose sur la corrélation spatiale au niveau de l'émetteur et consiste à résoudre un ensemble d'équations auto-régressives simples. Les résultats montrent que cette technique permet d’atteindre des performances qui ne sont pas trop éloignées de celles des systèmes TDD (time-division-duplex) initialement proposés pour le massive MIMO.

Communications sans fil aux fréquences terahertz : applications à la vidéo haute définition temps réel

/ Bretin Sara / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 25-09-2019
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Les communications aux fréquences terahertz sont étudiées dans un contexte de transmissions en espace libre. L’objectif de la thèse est de proposer une étude comparative de différentes topologies d’électrodes supérieures appliquées aux photodiodes UTC ainsi qu’un module d’intégration de ces composants. Ces composants permettent de réaliser des liens de communications sans fils aux fréquences terahertz. Une étude bibliographique évalue les domaines d’applications de ces fréquences, dont le nombre est croissant cette dernière décennie. Les sources terahertz existantes sont ensuite étudiées en fonction des performances et de leur domaine spectrale d’émission. Les photoréponses et puissances émises pour différentes structures de photodiodes PIN, UTC et TTR utilisées en photomélangeur sont comparées au-delà de 60 GHz. Les modules d’intégrations développées et les différentes méthodes d’intégrations sont détaillés dans la dernière partie du premier chapitre. Le second chapitre présente une étude théorique, numérique et expérimentale des photodiodes UTC réalisées. L’utilisation d’une électrode supérieure dédiée et l’étude de différents motifs est développée afin de limiter la dépendance à la polarisation optique de la structure, afin d’en augmenter la fiabilité dans un contexte de transmission de données vidéos aux fréquences terahertz. Un module d’intégration dédiée, en guide WR-3, pour ces photodiodes, est étudié numériquement sous le logiciel CST ainsi que les lignes de transmissions au récepteur. Enfin, les liens terahertz réalisés et les performances correspondantes sont résumées dans le dernier chapitre.

On heterogeneous networks under non-Gaussian interferences: experimental and theoretical aspects

/ Araújo Moreira Nicolas de / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 17-09-2019
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L’Internet des Objets représente un défi technique pour la communication 5G à cause de son hétérogénéité caractéristique : la bande 2.4 GHz ISM, par exemple, est partagée entre différents types de technologies, comme Wifi, Bluetooth et Zigbee. En plus de la perte de qualité de communication, des études récentes montrent que l’interférence augmente de façon significative la consommation d’énergie. Donc, traiter l’interférence devient une tâche importante pour assurer la réussite de la transmission de données. Cette thèse approche deux aspects différents des réseaux hétérogènes. La première partie présente une étude expérimentale sur la nature de l’interférence entre dispositifs IEEE 802.11 et 802.15.4, ses impacts dans la fiabilité de la communication et propose une description statistique. La conclusion principale est que, dans ce contexte, l’interférence présente un comportement non-Gaussien, plus précisément, impulsif. Des travaux théoriques récents alliés avec ces résultats expérimentaux montrent que la distribution α-stable est plus convenable pour représenter bruits impulsives. Cela signifie que, une fois optimal, les architectures de communication classiques basé sur assomption Gaussienne, particulièrement la méthode des moindres carrés et le récepteur linéaire, ne sont plus optimales et présentent une perte de performance significative. La deuxième partie présente une architecture MIMO basé sur codage Alamouti, estimation de canal supervisée basé sur méthode Least Absolute Deviation et récepteur p-norme avec une estimation de p. L’architecture proposée présente une performance supérieure au méthode classique.

Développement et caractérisation d’un démonstrateur de générateur thermoélectrique à base de membranes de silicium couplées à de l’ingénierie phononique

/ Bah Thierno Moussa / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 03-07-2019
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L'essor de l'internet des objets (IoT) et des capteurs autonomes et communicants semble être retardé en raison du manque de source d’énergie fiable, sûre et à faible coût. Les récupérateurs d’énergies thermoélectriques présentent ces avantages clés. Le silicium présente les avantages d'être très abondant, moins polluant et de bénéficier d'installations et de procédés technologiques permettant la production en série de récupérateurs d’énergies thermoélectriques à faible coût par rapport aux matériaux conventionnel (alliages de tellure de bismuth). Toutefois, le silicium est un matériau thermoélectrique médiocre en raison de sa conductivité thermique élevée ( ). La possibilité de réduire la conductivité thermique tout en préservant la conductivité électrique et le coefficient Seebeck est la clé pour améliorer le silicium en tant que matériau thermoélectrique efficace. À cette fin, les efforts sont orientés vers la partie phononique du transport de chaleur, qui constitue la contribution dominante dans les semi-conducteurs. Les recherches menées au cours de cette thèse ont porté sur l'intégration des membranes de silicium nanostructurées de réseaux phononiques dans des démonstrateurs de récupérateurs d’énergies thermoélectriques et leur caractérisation au regard de l'état de l’art. Les résultats de ces études ont démontré la faisabilité d’un récupérateur d’énergie thermoélectrique à base de silicium présentant des performances (De quelques µW/cm2 pour ΔT~5-10K à quelques mW/cm2 pour ΔT>100K) suffisantes pour l’alimentation en énergie de nœuds de capteurs autonomes et des performances comparables à celles d’un récupérateur (état de l’art) à base de tellure de bismuth en fonction des conditions de refroidissement de ces derniers. De plus, cette thèse a démontré, outre la récupération d'énergie, la possibilité de développer des refroidisseurs thermoélectriques à base de silicium, ouvrant la voie à une possible intégration de refroidisseurs thermoélectriques dans des dispositifs micro-électroniques à base de silicium.

Micro-structuration laser pour le packaging électro-optique avancé

/ Hivin Quentin / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 25-06-2019
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Le développement de l’internet des objets et des services de vidéo en temps réel (streaming) a conduit à une augmentation continue du trafic des données au sein des data-centers. Celui-ci devrait être multiplié par trois entre 2012 et 2020 pour atteindre 15.3 zettaoctets/an. Cette évolution appelle parallèlement à un accroissement des performances des composants télécom en transmission optique monomode dont le standard s’établit aujourd’hui à 100-200 Gbits/s pour évoluer vers 400-800 Gbits/s dans un futur proche. Bien que les cœurs de technologies semiconducteurs soient aujourd’hui disponibles pour répondre à cette demande, les coûts élevés d’assemblage des puces électroniques (EIC) et photoniques (PIC) ainsi que l’alignement avec les fibres optiques monomodes limitent la pénétration de cette solution technologique sur le marché. Afin de relever ce défi, une structure originale d’interposeur en verre a été proposée dans le cadre du laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. Ce substrat d’assemblage en verre présente des avantages distinctifs majeurs tels que i) l'alignement passif de la fibre externe, ii) l'alignement optique passif du PIC sur l'interposeur, iii) le transfert des fonctions optiques passives du PIC sur l'interposeur de verre et iv) une approche conservative réutilisant les coupleurs à réseau du PIC. Le contexte du packaging électro-optique étant posé, ce travail de thèse s’est concentré sur la fonctionnalisation de substrats de verre par photo-inscription ou micro-usinage laser en régime femtoseconde afin de structurer les guides d’onde optique, les miroirs de redirection du faisceau guidé et la couche de redistribution électrique en cuivre. En premier lieu, des guides optiques monomodes à 1310 nm de bonne qualité ont été obtenus et caractérisés, permettant une mise en évidence franche des effets d’absorption non linéaire, d’auto-focalisation et de filamentation. Une étude expérimentale complète a permis de déterminer les paramètres d’exposition laser et de gravure chimique pour la fabrication de miroirs photoniques. Enfin, une méthode originale de structuration des interconnexions basée sur le fractionnement et le décollement de la couche de cuivre par effet thermo-mécanique a été développée.

Artificially induced anisotropy of thermal conductivity in 2D Si phononic membranes

/ Didenko Stanislav / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 17-06-2019
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Ce travail de thèse est consacré au développement de mécanismes pratiques pour le guidage de chaleur dans des nanostructures de silicium de faible dimension. Les applications vont du domaine de la gestion thermique des circuits intégrés aux technologies et matériaux thermoélectriques émergents à base de Si, dans lesquels le guidage thermique de la chaleur peut jouer un rôle important. L'objectif est d'étudier expérimentalement la faisabilité d'une anisotropie de conductivité thermique (κ) dans le plan, induite artificiellement, des membranes nanostructurées en Si. En combinant la thermométrie Raman, la modélisation optique et la modélisation par éléments finis (FEM), il a été possible de mesurer le gradient thermique, la conductance de la membrane et de déterminer les conductivités thermiques effectives. Cette expérience confirme la possibilité d’induire artificiellement une anisotropie élevée de κ dans des membranes en silicium. Un modèle FEM paramétré conçu à dessein a démontré la mise en œuvre possible des effets anisotropes induits dans le domaine de la gestion thermique des circuits intégrés.

Design, fabrication, and characterization of TIP-enhanced Raman spectroscopy probes based on metallic nano-antennas

/ Eschimese Damien / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 03-05-2019
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Depuis les années 2000, le développement de la spectroscopie Raman à exaltation de pointe (TERS) a permis l’accès de manière extrêmement localisée aux propriétés structurales et moléculaires à la surface de la matière et à des analyses physico-chimiques combinées. La technologie TERS associe les techniques de microscopie à sonde locale - ici le microscope à force atomique (AFM) - avec le champ proche optique. Elle bénéficie en particulier de la génération, à la surface métaux nobles, de plasmons de surface à l’origine d’exaltation d’ondes électromagnétiques pouvant être confinées dans un volume sub-longueur d'onde à l'extrémité des sondes AFM-TERS. Aujourd'hui le principal verrou technologique en TERS est la conception des sondes AFM en termes de reproductibilité à échelle nanométrique, et de fabrication en série. Ce travail de thèse effectué dans le cadre d’une thèse CIFRE (HORIBA Scientific) a eu pour but de concevoir un nouveau type de sonde AFM-TERS répondant aux exigences de performances et de fabrication actuelles. Pour atteindre cet objectif, une étude de simulation numérique a conduit à proposer une nanostructuration métallique de l’extrémité d’un levier AFM, afin de conduire à une exaltation électromagnétique optimisée. Un procédé de nano- et micro-fabrication a été développé au sein de la plateforme de micro et nano-fabrication de l'IEMN, combinant lithographie électronique et optique, évaporation métallique et gravure sur wafers silicium. Il permet la réalisation en série de sondes AFM dont chaque extrémité est composée d'une nano-antenne métallique de taille sub-longueur d'onde, composée d'un nanodisque supportant un nanocône. La méthode de fabrication proposée permet un contrôle des réponses plasmoniques en termes d’amplification du champ et d’accordabilité de la résonance, qui sont la clé des performances en spectroscopie Raman à exaltation de pointe. Une étude sur l’évaporation inclinée lors du procédé de nano-fabrication développé par lithographie électronique a également été réalisé dans le but de contrôler la forme des nanoparticules – de forme conique à cylindrique avec des parois poreuses -- isolées ou en réseaux denses. Les simulations numériques suggèrent que de tels objets peuvent être des candidats potentiels pour le TERS ou le SERS (spectroscopie Raman à exaltation de surface).

Caractérisation diélectrique et thermique de films biopolymères pour l’électronique flexible haute fréquence

/ Boussatour Ghizlane / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 12-04-2019
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Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères.

Réalisation et caractérisation des diodes organiques de redressement pour la récupération de l’énergie électromagnétique

/ Ferchichi Khaoula / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Université de Carthage (Tunisie) / 29-03-2019
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Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet INTERREG Luminoptex et vise à réaliser des diodes organiques de redressement pour des applications de récupération d’énergie électromagnétique pour de l’éclairage ambiant autonome sur support textile. Des diodes à base de pentacène et de polymère P3HT ont été fabriquées selon deux configurations: verticale et coplanaire en utilisant aussi bien des procédés simples et peu couteux que des procédés de lithographie électronique. Les performances de ces diodes ont été améliorées par l’utilisation de monocouches auto assemblées SAM de PFBT (2,3,4,5-6 pentafluorobenzénethiol) qui permettent de réduire les barrières d’injection des porteurs de charges denviron 0.5eV. Dans le cas des diodes polymères, une couche d’injection à base de P3HT dopé au Triflate de cuivre a été étudiée et utilisée pour l’amélioration de l’injection. Des rapports de rectification élevés ont été obtenus ( 107) avec des tensions de fonctionnement très faibles (de 20 à 80mV). Les travaux de simulation ont montré par ailleurs, que ces diodes peuvent atteindre des fréquences de fonctionnement de l’ordre du GHz.Ces composants ont été ensuite réalisés sur substrat flexible de papier pour un transfert sur les surfaces textiles.

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