Résumé des présentations

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Journées des Doctorantsde l’Institut d’Électronique du Sud

Mercredi 27 Juin 2012Jeudi 28 juin 2012

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IES CST 2012

Département 1 : CAPTEURS COMPOSANTS SYSTEMES Page ABBOUD Pascale Etude du comportement électrique de structures à base de

silicium pour la fabrication des cellules photovoltaiques de nouvelle génération 1

BALDE Mamadou Développement de couches minces ferroélectriques sur substrats souples pour la mise en œuvre de capteurs 2

BRUN Florent Caractérisation et Modélisation des phénomènes de transport dans les dispositifs nano‐électroniques avancés de type mémoires 1 T‐DRAM 3

COUDOUEL Denis Dispositif de pesage haute vitesse pour vehicules roulants 4 CRAMPETTE Laurent Fabrication et étude de cellules Photo‐voltaïques Silicium

adaptées à la concentration solaire 5 DEBLONDE Arnaud Amélioration des performances de capteurs inertiels à détection

thermique 6 GARCIA Ricardo Micro‐sources d’énergie et autonomie des capteurs 7 JACQUEMOUD‐COLLET Fanny Développement et optimisation du procédé industriel de

fabrication d'antenne RFID sur support papier 8 PARIS Lambert Stimulation de neurones par laser infra‐rouge 9 Département 2 : PHOTONIQUE & ONDES ABAUTRET Johan Optimisation de structures Photodiodes à Avalanches en InSb

pour détection infrarouge 13 BEBE MANGA LOBE Joseph Développement de diodes laser à faible largeur de raie pour le

pompage atomique et d'un MOPA à 780 nm pour le refroidissement d'atomes de Rubidium 14

BENSELAMA Attia Développement et intégration de sources lasers à semi‐conducteur de forte puissance et haute cohérence pour les systèmes embarqués 15

EVIRGEN Axel Photodétecteurs InSb réalisés par épitaxie par jets moléculaires pour imageur infrarouge 16

GAIMARD Quentin Lasers mono‐fréquences pour nouveaux capteurs environnementaux 17

GHOUMAZI Mehdi Étude et conception de dispositifs pour l'optique intégrée à base de cristaux photoniques 18

LAFFAILLE Pierre Laser à cascade quantique 19 LOLLIA Guillaume Réalisation de laser à cascade quantique THz à base d'lnAs 20 MADIOMANANA Karine Intégration de la technologie III‐V antimoniure sur substrats de

silicium 21 MAHI Abdelhamid Oscillations collectives THz dans les dispositifs électroniques 22 MAULION Geoffrey Développement d'un capteur photonique intégré pour la détection

de gaz 23

NGUYEN BA Tong Mesure de trace de gaz par spectroscopie d'absorption par

diodes lasers accordables. Application à la surveillance de l'environnement 24

NTSAME GUILENGUI Vilianne Les Plasmons de Surface : de nouveaux concepts pour les composants optoélectroniques IR à base d’Antimoine 25

PENOT Alexandre Réalisation d'un MASER Térahertz par couplage de la résonance du phonon optique et de l'onde de plasma 26

SELLAHI Mohamed Développement et Etude de Nouveaux lasers VCSELs en Cavité Externe de Puissance et de Haute Cohérence 27

SOUICI Mohamed Etude d'un capteur d'ondes acoustiques en milieu sous‐marin à base de laser à fibre dopée ou de réseau de Bragg 28

TAALAT Rachid Réalisation et caractérisation optique de détecteurs infrarouges à super‐réseaux InAs/GaSb à architectures innovantes 29

TOHME Lucie Etude expérimentale de l'effet d'un battement optique sur des dispositifs 30

Département 3 : SYSTEMES D’ENERGIE FIABILITE RADIATIONS DANZECA Salvatore Développement d'un système de métrologie du rayonnement 33 DARKAWI Abdallah Convertisseur multicellulaire à ICT, à fort courant transitoire

pour un système de mesure des propriétés diélectriques des câbles HVDC 34

GARCIA ALIA Ruben Radiation fields at high‐energy accelerators and their impact on radiation damage 35

GUETARNI Karima Effet des radiations naturelles sur les IGBT embarqués sur les véhicules électriques 36

KAOUACHE Abdelhakim Défiabilisation des composants nanoélectroniques par des éléments radioactifs 37

PREDA Ioana Caractérisation et modélisation de matériaux isolants nanocomposites par des méthodes diélectriques 38

PRIVAT Aymeric Stress électrique post irradiation des transistors MOS de puissance pour les systèmes embarqués spatiaux 39

RASHED Amgad Modélisation et mise en oeuvre de protocoles de vieillissement accéléré de composants de puissance semi‐conducteur type IGBT 40

ROIG Fabien Etude des effets de synergie Dose‐SEE et Dose‐TREE dans les circuits intégrés analogiques soumis à une agression de type fort débit de dose 41

YAHYAOUI Hanen Etude du comportement de matériaux isolants pour appareillage haute tension du courant continu ‐ vieillissement et modélisation 42

Journées des DoctorantsInstitut d’Électronique du Sud

DépartementCapteursComposantsSystèmes


ETUDE DU COMPORTEMENT ELECTRIQUE DE STRUCTURES A

BASE DE SILICIUM NANOCRISTALLIN POUR APPLICATIONS

PHOTOVOLTAÏQUES Doctorant : Pascale ABBOUD 2ème année de thèse (Nov. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Alain FOUCARAN Co‐Directeur ou Encadrants : Yvan CUMINAL, Frédéric MARTINEZ , Roy AL ASMAR, Ziad KALLASSY

Type de financement : UM2/CNRS Liban

Résumé : Le but de ce travail est de caractériser et modéliser le transport électrique dans des couches minces de silicium nanocristallin pour la mise au point de cellules photovoltaïques bas coût. Les dépôts étudiés sont déposés par PECVD au sein du laboratoire dans le cadre de la thèse de Rachid Amrani avec pour objectif la maîtrise de la taille des nanocristalites déposées. Mon travail de thèse comporte deux parties : ‐Une partie expérimentale pour la caractérisation des pièges et des états d’interfaces dans ces matériaux par la technique du courant stimulé thermiquement (TSC). Ce travail d’instrumentation fine a occupé la majeure partie de mon temps durant ma première année de thèse. Le travail a consisté dans la mise en place du banc de mesure. Une attention particulière a été portée à la maitrise des rampes de température nécessaires à ce type de mesure. ‐Une partie théorique avec deux objectifs :

• Interpréter les mesures de la TSC obtenus. En parallèle de la mise en place du banc de caractérisation, j’ai développé les modèles numériques nécessaires à l’interprétation de nos mesures.

• Modéliser le transport électrique dans les couches nanostructurées. Pour cette partie, les résultats expérimentaux déduis par la TSC sont utilisés comme paramètres pour alimenter un modèle global permettant une modélisation fine du transport dans ce type de matériaux. Le but ultime de ce travail étant la détermination du mode de transport dominant dans ces matériaux : transport par sauts, percolation, conduction tunnel à travers les joints de grains ou conduction thermo ionique.

Mots clés : TSC, transport électrique, cellule photovoltaïque, silicium nanocristallin.

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ETUDE ET DEVELOPPEMENT DE COUCHES MINCES

FERROELECTRIQUES SUR SUBSTRAT PAPIER POUR LA MISE EN ŒUVRE DE CAPTEURS

Doctorant :Mamadou Saliou BALDE 2ème année de thèse : (Oct. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Philippe COMBETTE Co‐Directeur ou Encadrants : Brice SORLI Type de financement : Alloc ED

Résumé :

Cette thèse vise l'élaboration de matériaux ferroélectriques/diélectriques en couches minces destinés à être utilisés dans le cadre de capteurs de mesure sur substrat Papier. L’utilisation de substrats flexibles dans les applications électroniques est en plein essor grâce à l’avènement de l’électronique organique ou imprimée. Le papier, omniprésent dans la vie de tous les jours présente les avantages d’être : très peu couteux (papier= 0,1 cent/dm², PET=2 cent/dm², polyimide (PI)=30 cent/dm²),largement utilisé en process BtoB, et ecofriendly. Cependant, les applications de l’électronique sur papier sont un véritable challenge. En effet, la surface d’un tel substrat est non seulement rugueuse mais elle est aussi poreuse ce qui représente une barrière à la fabrication de systèmes électroniques directement sur papier.

Notre travail s’est orienté d’une part vers l’étude et la caractérisation du substrat papier afin de pouvoir transposer sur celui‐ci différents process technologiques (salle Blanche, dépôts sous vide, bain électrolytique, gravure, etc…)qui sont généralement utilisés sur des substrats rigides classiques type verre ou silicium; En complément d’autres techniques propres aux substrats souples comme la sérigraphie, la flexographie et l’impression ont été mis en œuvres.

D’autre part, nous travaillons sur la modélisation d’électrodes interdigitées en vue de faciliter l’élaboration de structures simples sur papier. Et parallèlement à cela, nous étudions des matériaux polymères ferroélectriques type poly(vinylidenefluoride) (PVDF) compatible avec notre substrat papier. L’utilisation de ce type de matériau est intéressant car leur appartenance à une classe de symétrie polaire dites non centro‐symétrique leur confère à la fois des propriétés piézoélectriques grâce à l'existence de dipôles électriques internes qui soumis à une contrainte mécanique sont déformés (réversibilité du phénomène), mais aussi des propriétés pyroélectriques avec l'existence d'une polarisation électrique spontanée évoluant en fonction de la température sans aucune contrainte ou champ extérieur. Ils ont aussi l'avantage sous l'action d'un champ électrique externe de réorienter ou même de renverser la polarisation spontanée. Du fait de leur très grande faculté à être polarisés, ils présentent des constantes diélectriques (εr) et des indices de réfraction (n) élevés.

Notre objectif est de démontrer la faisabilité d’un capteur sur substrat papier avec son électronique associée. L’application visée est « aide à la décision bas cout » pour l’emballage agroalimentaire ou celui du médicament.

Mots clés : Substrat papier, couches minces, technologie salle blanche.

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MODELISATION DES PHENOMENES DE TRANSPORT DANS LES

DISPOSITIFS NANO‐ELECTRONIQUES AVANCES DE TYPE MEMOIRES 1T‐DRAM

Doctorant : Florent BRUN 1ère Année (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/BRUMI Directeur de thèse : Matteo VALENZA Co‐Directeur ou Encadrants : S. CRISTOLOVEANU (IMEP/Grenoble), M. BAWEDIN, F. ANDRIEU (CEA LETI)

Type de financement : Alloc ED / CEA

Résumé : Le sujet de thèse se centre autour des dispositifs CMOS en prolongement ou en rupture avec la loi de Moore (transistors MOS nanométriques simple grille et multi‐grille) et plus particulièrement sur les effets de "body" flottants induisant des phénomènes transitoires utiles à la conception de mémoires DRAM à un seul transistor (1T‐DRAMs) en technologie Silicium‐sur‐Isolant (SOI). L'objectif générique sera de déterminer quelles combinaisons de matériaux, de technologies et d’architectures permettraient (i) de poursuivre l’augmentation des performances de mémoires 1T‐DRAM (ii) de pousser leur miniaturisation jusqu’aux limites physiques et (iii) d’enrichir leurs fonctionnalités. Pour y parvenir, la thèse de doctorat proposée sera focalisée sur l’étude de dispositifs innovants pour le nœud technologique 22nm et au‐delà, la caractérisation fine et la modélisation physique.

Le travail requis dans cette thèse a comme objectif l’étude des potentialités des effets de body flottant dans des transistors au nœud technologique 22nm et au‐delà pour application aux mémoires DRAM/SRAM et également le développement de solutions technologiques qui permettront d’améliorer le stockage.

Le travail comprend les parties suivantes: 1. Mesure et analyse des propriétés électriques (en particulier effets mémoire) de MOSFETs

nanométriques sur SOI de dimensions variables. 2. Evaluation des différentes méthodes de programmation existantes en vue de déterminer celle(s)

qui est (sont) la (les) plus prometteuse(s). 3. Etude théorique, par simulation TCAD et modélisation semi‐analytique, des principes physiques

donnant lieu à l’effet de body flottant régissant le fonctionnement mémoire des transistors sur SOI, afin de proposer des voies d’optimisation des dispositifs réalisés pour application aux mémoires DRAM ou SRAM.

4. Optimisation de l’architecture des transistors, à partir des résultats expérimentaux et théoriques. Les modèles physiques seront élaborés et validés grâce aux résultats expérimentaux et des simulations numériques 2D/3D. Ces dernières seront réalisées sur la plateforme de simulation TCAD Synopsys de l'IES. Les modèles numériques développés permettront une interprétation fine des résultats expérimentaux. Au niveau applicatif, on envisagera également le développement d’une librairie, modulaire et exhaustive, de modèles physiques compacts, dérivés des modèles numériques décrivant le fonctionnement des mémoires SOI. En conclusion, ce sujet de thèse est polyvalent car il traite de problèmes relatifs à la technologie CMOS, au domaine SOI, aux propriétés des matériaux, et à la physique du solide et des dispositifs. C’est un espace de recherche où la formation universitaire du doctorant, sa curiosité scientifique et sa motivation devront démontrer leur efficacité. L’expertise gagnée pendant son Doctorat et le nombre significatif de publications envisageables le rendront très apte pour une excellente carrière professionnelle. Par ailleurs, les résultats seront très utiles pour conforter les industriels dans leurs choix stratégiques futurs.

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ETUDE ET REALISATION DE DISPOSITIFS DE PESAGE POUR VEHICULES ROULANTS

Doctorant : Denis COUDOUEL 2ème année de thèse (Juin 2010)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Alain GIANI Co‐Directeur ou Encadrants : Philippe COMBETTE et Brice SORLI Type de financement : CIFRE

Résumé : La détermination du poids de véhicules roulants (automobiles, camions, aéronefs, ..) est une nécessité pour contrôler les flux de matières, pour des raisons de sécurité routière, pour la gestion des infrastructures, mais aussi pour le contrôle légal et répressif ou encore pour quantifier les transactions commerciales. Il existe actuellement un besoin d’effectuer des pesées à vitesse supérieur à 20Km/h mais il n’existe aucun dispositif répondant à ce besoin avec une précision acceptable.

Cette thèse a pour but de réaliser un dispositif de pesage dynamique (Weighing in Motion (WIM)) qui permettra de déterminer le poids total des véhicules roulants jusqu’à des vitesses de 50Km/h avec une précision de 5% et de déduire le poids par essieu, la pression des pneus, la vitesse et le type de véhicule.

L’étude s’oriente autour de deux axes : la conception d’un capteur de déformation par des techniques de sérigraphie et la fabrication d’un dispositif de pesage dynamique pour véhicules roulants intégrant ces capteurs.

La sérigraphie, technique de fabrication collective de microcomposants à faible coût, est largement utilisée en microélectronique hybride pour la réalisation d’interconnexions, de composants passifs (conducteurs, résistances, isolants…) en couche épaisse et l’encapsulation de circuits hybrides. Elle permet également de valoriser les propriétés de nombreux matériaux et de développer des applications dans le domaine des composants passifs (varistances, éléments chauffants, …) et des capteurs. La conception de capteurs de déformation compatibles avec des applications de pesage a nécessité d’adapter cette technique à des substrats en acier par l’utilisation d’encres particulières à base de polymères. Ces encres permettent de préserver les propriétés mécaniques de l’acier grâce à des recuits entre 130°C et 200°C. Des capteurs piézoélectriques et piézorésistifs ont été ainsi développés.

Le dispositif de pesage dynamique, en plus de répondre aux performances souhaitées, doit aussi intégrer des contraintes industrielles comme le coût, l’encombrement, le poids etc.. En parallèle au développement des capteurs par sérigraphie, un premier dispositif utilisant des capteurs du commerce pour les jauges de déformation a ainsi été fabriqué. Ce premier prototype a permis de mettre en place la chaîne d’instrumentation nécessaire l’exploitation des mesures et de développer le traitement du signal permettant de remonter au poids statique du véhicule faisant suite à l’étude physique du phénomène étudié. Les premiers résultats obtenus sont encourageants bien qu’insuffisants en terme de précision.

Un second dispositif plus abouti est à l’étude et permettra d’intégrer aussi bien des capteurs du commerce que les capteurs développés par sérigraphie.

Mots clés : pesage dynamique, sérigraphie, jauges de déformations.

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REALISATION DE CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES EN SILICIUM

DESTINEES AUX FAIBLES ET MOYENNES CONCENTRATIONS Doctorant : Laurent CRAMPETTE 2ème année de thèse (Dec. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Alain FOUCARAN Co‐Directeur ou Encadrants : Yvan CUMINAL Type de financement : CIFRE

Résumé : Mise au point d’un procédé industriel pour la fabrication de cellules Photovoltaïques Silicium adaptées à la concentration solaire. Cette thèse a pour objectif de réduire le coût de l’énergie photovoltaïque par la fabrication de cellules de format réduit, en silicium, à haut rendement, destinées aux faibles et moyennes concentrations solaires (quelques dizaines de soleils). Pour atteindre cet objectif nous avons décidé d’adapter la technologie LGBC (Laser BuriedGrooved Contact) pour des procédés industriels. Cette technologie est basée sur la réalisation de contacts métal/silicium enterrés (dans des sillons) sur la face avant des cellules. Ces contacts sont déposés sur un émetteur sélectif (surdopage localisé de phosphore) qui permet de réduire fortement la résistance série des cellules tout en maintenant un taux de recombinaison des électrons faible entre les contacts. Gravure des sillons : Des premiers tests de gravure des sillons ont été réalisés par laser infrarouge. Nous avons réalisé dans ces sillons un dépôt électrolytique de nickel comme couche d’accroche. De nouveaux tests sont en cours de réalisation afin d’améliorer ce procédé. Il est aussi prévu d’étudier la gravure par voie électrochimique (HF) sur des cellules de type N. Réalisation des émetteurs sélectifs : Pour cette étape deux solutions utilisant des masques (nitrure ou oxyde) sont actuellement à l’étude dans le cadre de ma thèse :

En utilisant les masques comme barrière à la diffusion du phosphore (on procède alors à une diffusion légère, masquage, ouverture localisée du masque, diffusion forte dans les ouvertures).

En utilisant les masques nitrures comme masques semi‐perméables (dans ce cas le masque et les ouvertures sont réalisés avant une diffusion forte, les zones ouvertes sont fortement dopées alors que les zones masquées sont faiblement dopées).

Cette étude a donné lieu à une présentation lors de la conférence EMRS 2012. Dans le but d’optimiser la métallisation une étude de dépôts métalliques par voie électrochimique a été également démarrée. Il s’agit de déposer une première couche de nickel servant d’accroche et de barrière puis d’argent ou de cuivre. Des dépôts de nickel ont été réalisés par voie acide, électrochimique. Une étude de dépôt par voie basique électroless est en cours.

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OPTIMISATION DES PERFORMANCES D’UN ACCELEROMETRE

THERMIQUE A CONVECTION Doctorant :Arnaud DEBLONDE 1ère année de thèse (Janv. 2012)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Alain GIANI Co‐Directeur : Philippe COMBETTE Type de financement : CIFRE Sagem DS

Résumé : La conception des accéléromètres MEMS est actuellement essentiellement orientée vers les accéléromètres capacitifs, piézorésistifs et piézoélectriques. La technologie que nous développons actuellement, celle de l'accéléromètre thermique à convection, qui de par l'absence de masse solide sismique sujet à une fatigue mécanique, a pour objectif de supporter de très fortes accélérations (50.000 g) sans détérioration ni modification de ses performances. Il permet de mesurer aussi bien des variations d’accélérations comprises entre +/‐1 g qu’entre +/‐100 g en accélération dynamique de type vibratoire ou en continu telles que la gravité.

Le capteur comporte un élément chauffant en platine positionné au centre d'une cavité micro‐usinée sur un substrat de silicium. Deux détecteurs de température sont positionnés de par et d'autre dans la cavité. Le vecteur de transmission de la chaleur dans la cavité est un fluide, gaz ou liquide. En l’absence d’accélération, la distribution de température au sein du fluide est symétrique : il n’y a pas de différence de température entre les deux détecteurs. Une accélération dans la direction sensible du capteur provoque une modification des mouvements du fluide qui résulte en une différence de température entre les deux détecteurs, proportionnelle à l'accélération.

La sensibilité et la fréquence de coupure du capteur sont fonctions de plusieurs paramètres : la taille du capteur, la nature du fluide présent dans la cavité (pression, densité, diffusivité thermique) et la différence de température entre l'élément chauffant et le substrat. De plus, le capteur peut être modélisé comme un dispositif du premier ordre, avec un produit sensibilité bande‐passante constant. Nous sommes aujourd'hui en mesure de concevoir des accéléromètres ayant une étendue de mesure de 0 à 10.000 g avec une erreur de linéarité de +/‐ 5% et une fréquence de coupure de 420 Hz en boucle ouverte. Néanmoins, l'actuel modèle comportemental du capteur ne permet pas d'expliquer le phénomène de saturation de la réponse du capteur soumis à de forte accélérations en régime stationnaire. Il n'existe pas non plus de modèle détaillé expliquant le comportement en régime dynamique.

Mots clés : Accéléromètre, MEMS, Thermique, Convection

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MICROSOURCES D’ENERGIE ET AUTONOMIE DES CAPTEURS

Doctorant :Ricardo GARCIA 2ème année de thèse (Mars 2011)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/ MITEA Directeur de thèse : Pr. Alain FOUCARAN Co‐Directeur ou Encadrants : Jean PODLECKI Type de financement : Fond Unique Interministériel (FUI) ProjetRIDER

Résumé :

Ce programme de recherche est financé dans cadre du projet RIDER qui a été labellisé par le pôle DERBI en 2009 et retenu pour financement au 9e appel à projet du Fond Unique Interministériel (FUI) en 2010. Le projet RIDER a pour objectif de développer un système d’information innovant permettant d’optimiser l’efficacité énergétique d’un bâtiment ou groupe de bâtiments (http://www.rider‐project.com). Les progrès récents sur la communication sans fil et la densité d’intégration dans l’électronique a diminué considérablement la consommation d’énergie des dispositifs électroniques qui ont permis le développement des réseaux de capteurs. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant employés couramment pour différentes applications : logement, bâtiments, industrie, transport, télécommunication, etc., et le plus grand problème est l’autonomie électrique.Jusqu’à présent, des batteries sont utilisées, ce qui impose une maintenance qui peut être problématique et notamment dans des milieux hostiles ou isolés. Les batteries, qui ont initialement favorisé le développement de systèmes embarque portables, sont paradoxalement devenues un frein à cette progression. Les batteries présentent aussi un autre inconvénient : le nombre croissant de produits portatifs à piles ont des incidences importantes sur l'environnement. L'utilisation des microsources d'énergie pour produire de l'électricité est un concept prometteur qui consiste à récupérer (moissonner) les sources d'énergie faibles et diffuses présentes dans notre environnementautour du capteur pour l’alimenter. Le rayonnement solaire ou la lumière ambiante artificielle, les gradients de température, la circulation d'air, les gradients de pression, les vibrations, ondes électromagnétiques, etc. sont des exemples que nous envisageons en tant que sources possibles pour récupérer l'énergie électrique d'un environnement. Objectifs : Les objectifs de ce travail de thèse sont les réalisations de démonstrateurs et premières caractérisations de convertisseurs d’énergie électrique de type PhotoVoltaique (PV), ThermoElectrique (TE), Piezoélectrique (PZE), Pyroélectrique (PRE), Radio Fréquence (RF) réalisés à l’aide de matériaux massifs et en couches minces en vue de leur intégration dans des MEMS ou microcapteurs. Mots clés :Micro‐générateurs, Moissonneur d'énergie, Réseau de capteur sans fil, capteur autonome.

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DEVELOPPEMENT ET OPTIMISATION DU PROCEDE INDUSTRIEL

DE FABRICATION D’ANTENNE RFID SUR SUPPORT PAPIER

Doctorant :Fanny JACQUEMOUDCOLLET 1ère année de thèse : (Dec. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/ MITEA Directeur de thèse : Brice SORLI Co‐Directeur ou Encadrants : Alain FOUCARAN

Type de financement : CIFRE TAGEOS

Résumé : Dans le cadre du développement d'étiquettes RFID (Tags) bas‐coût réalisées sur papier thermique, un partenariat entre l’institut d’Electronique du Sud (IES/UMR 5214/Département Composants, Capteurs, Systèmes) et la société TAGEOS s'est mis en place en 2007. Dans la continuité de cette collaboration, une thèse Cifre (2008‐2011) a validé l’industrialisation du procédé de réalisation des Tags sur papier thermique déjà mis au point précédemment à l'IES. D’importantes préséries ont été réalisées, permettant ainsi de faire certifier et connaitre certains produits TAGEOS. Les acteurs majeurs du secteur de la RFID sont attentifs à la solution que propose TAGEOS avec pour preuve l’implication de certains d’entre eux dans des partenariats privilégiés. Dans ce cadre là, la société TAGEOS au moyen d’un plan de recherche et développement souhaite optimiser et développer son procédé industriel pour se hisser au tout premier plan mondial et consolider ainsi son objectif de tag RFID bas coût. Le sujet de thèse est axé sur : ‐ l’étude, l’optimisation, la conception et l’industrialisation d’antennes HF et UHF adaptées à l’outil de production utilisé par la société. ‐ à la mise en place de moyens de caractérisation, de fiabilité et de traçabilité des produits. ‐ l’étude de faisabilité d’un tag RFID passif UHF avec une valeur ajoutée de type capteur qui respecte le bas coût, l’environnement et le moyen de production. Les applications seront fonction des besoins spécifiques dans les domaines de la santé, de l'agroalimentaire, de la logistique et de l'authentification. Mots clés : RFID, Capteurs, fiabilité, transfert industriel

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STIMULATION DE NEURONES PAR LASER INFRA‐ROUGE Doctorant : Lambert PARIS 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Capteurs Composants Systèmes/MITEA Directeur de thèse : Michel DUMAS Co‐Directeur ou Encadrants : Fabrice BARDIN Type de financement : Alloc ED + Univ. Nîmes + Institut des Neurosciences de Montpellier

Résumé :

La technique actuellement la plus utilisée dans les neuroprothèses est basée sur la stimulation électrique par électrodes. Les inconvénients d’une telle technique (très invasive, de faible résolution spatiale et par contact) pourraient être surmontés en utilisant une stimulation par laser infra‐rouge. Les travaux effectués lors des thèses de Jean‐Michel Bec (2007‐2010) et Sandrine Albert (2008‐2011) dans le cadre d’une collaboration des laboratoires IES et INM ont montré qu’une impulsion laser infra‐rouge (à 1470, 1535 ou 1875 nm, 100‐200 mW) permet le déclenchement de potentiels d’action (PA) contrôlés, reproductibles et non létaux sur des neurones vestibulaires et rétiniens de la souris adulte. La mesure de gradients de température ainsi que l’implication de canaux ioniques thermo‐dépendant suggèrent la prédominance d’un effet thermique.

L’objectif de cette thèse est de poursuivre le travail de compréhension des mécanismes

biologiques (quels sont les canaux ioniques impliqués) et physiques (thermique, mécanique …) responsables de la stimulation laser de neurone et de rechercher si il existe une ou des longueurs d’onde optimales dans le domaine du proche infra‐rouge pour une telle stimulation. Il s’agit tout d’abord de reproduire des déclenchements de PA par stimulation laser sur des neurones issus de ganglions dorsaux rachidiens (DRG) de la souris adulte, puis d’étudier l’effet de longueurs d’onde dont le coefficient d’absorption optique est plus élevé dans les lipides que dans l’eau (la membrane des cellules étant principalement composée de lipides). Cela pourrait permettre d’éloigner la source de stimulation de quelques centaines de microns des cellules dans le dispositif actuel à quelques centimètres et d’envisager des applications pour des neuroprothèses. Mots clés : Stimulation laser, neurone, ganglions dorsaux rachidiens, neuroprothèse.

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Photonique&Ondes


PHOTODIODES A AVALANCHE EN InSb POUR IMAGEUR INFRAROUGE

Doctorant : Johan ABAUTRET 1ère année de thèse (Janv. 2012)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Philippe CHRISTOL (IES) Co‐Directeur ou Encadrants : H.SIK (SagemDS), J.P.PEREZ (IES), J.ROTHMAN(LETI)

Type de financement : CIFRE (SagemDS)

Résumé : On trouve aujourd’hui des détecteurs matriciels (FPAs) en InSb et HgCdTe, au pas de 15µm et au format mégapixel 1280x1024pour l’imagerie moyen infrarouge. Bien que ces capteurs soient très performants, leur sensibilité reste cependant insuffisante pour permettre une utilisation efficace lorsque le flux devient très faible devant le bruit du circuit de lecture, pour des applications d’imagerie passive et d’imagerie active. Pour répondre à ces besoins, une rupture technologique au niveau du détecteur est nécessaire. Elle consiste à apporter du gain au niveau de la conversion électro‐optique du détecteur, ce que permettent les photodiodes à avalanche (APD). Ces dernières années, des APDs infrarouges ont été développées à base de matériau II‐VI : l’HgCdTe (CEA/LETI). Disposant d’une structure de bandes favorable pour une multiplication initiée exclusivement par les électrons et grâce à la maitrise de la technologie d’épitaxie nécessaire à l’ingénierie des structures des photodiodes, les APDs HgCdTe sont aujourd’hui les plus performantes pour la détection dans le moyen infrarouge avec notamment un gain supérieur à 5000 sans excès de bruit. L’InSb, matériau III‐V déjà étudié à l’IES et à Sagem DS pour la fabrication d’imageurs infrarouges, autoriserait théoriquement l’obtention d’un signal amplifié par mécanisme d’avalanche sans ajout de bruit de multiplication. L’objectif de cette thèse est la réalisation et l’étude d’APDs InSb fabriquées par la technique d'épitaxie par jets moléculaires (EJM). Cette technologie de fabrication du matériau permet d'obtenir des jonctions PiN de qualité inaccessible par les techniques conventionnelles de diffusion ou d’implantation de dopants indispensables à l’efficacité du mécanisme d’avalanche des photoélectrons générés par absorption de photons IR. Elle permet également de donner un nouveau degré de liberté à l’ingénierie des photodiodes en alliage d’antimoine, en permettant de considérer d’autres alliages comme l'AlInSb par exemple, matériau disposant d’un plus grand gap et pouvant jouer un rôle dans l’optimisation des performances du détecteur. Les premiers résultats obtenus lors des premiers mois de thèse se sont déjà montrés encourageant sur de simples structures PN et PiN avec la signature, a priori, d’un phénomène d’avalanche sous polarisation inverse. Au cours des prochains mois, le gain obtenu doit être précisément quantifié en s’affranchissant de toutes les contributions liées au courant d’obscurité, et optimisé en déterminant les dopages et épaisseurs nécessaires pour obtenir des performances à l’état de l’art, en s’appuyant sur des simulations (SILVACO) et une caractérisation électro‐optique fine des composants élaborés. Mots clés : Photodiode à avalanche (APD), Imagerie infrarouge, matériau InSb .

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DEVELOPPEMENT DE DIODES LASER A FAIBLE LARGEUR DE RAIE

POUR LE POMPAGE ATOMIQUE ET D’UN MOPA POUR LE

REFROIDISSEMENT D’ATOMES DE RUBIDIUM Doctorant :Joseph Patient BEBE MANGA LOBE 1ère année de thèse (Nov. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Pr Bernard ORSAL Co‐Directeur ou Encadrants : Dr Michel KRAKOWSKI/IIIV Lab Type de financement :CIFRE

Résumé :

Il s’agit d’une part de concevoir, d’optimiser et caractériser des diodes laser à faible largeur de raie Pour le pompage du Rubidium (raie D2 à 780nm et raie D1 à 795nm) et pour le pompage du Thulium (793nm). Il s’agit d’autre part d’augmenter la puissance des lasers émettant à 780nm en intégrant un oscillateur Maître et un amplificateur de puissance (MOPA ou Master Oscillator Power Amplifier).

Les diodes laser correspondant à une transition atomique (Césium ou Rubidium) sont devenues des Composants incontournables pour beaucoup d’applications telles que les horloges ou les interféromètres atomiques. Les prochaines horloges spatiales en cours d’étude sont basées sur différents concepts utilisant des lasers pour le pompage optique du Césium ou du Rubidium, comme le refroidissement d’atomes ou le piégeage cohérent de population (CPT). Le développement de capteurs inertiels (interférométrie atomique) qui seront à terme utilisés pour la navigation, les sous‐marins ou encore les satellites nécessitent également le développement de sources lasers performantes.

Notre travail porte sur la modélisation, conception et caractérisation de structures lasers à forte puissance (P>500 mW), de bonne qualité de faisceau (M2<3) et de faible largeur de raie (∆ν<500kHz). Ces travaux s’organisent en différents axes:

Optimisation et caractérisation de composants discrets, lasers et amplificateurs émettant à 780 nm en puissance, qualité de faisceau, largeur de raie et bruits 1/f optique et électrique.

Conception, optimisation et caractérisations complètes des lasers larges et de type ridge à 780 nm.

Evaluation des lasers à 793 nm pour le pompage du Thulium et à 795 nm (raie D1 du Rubidium).

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LASERS VECSEL Doctorant :Attia BENSELAMA 1ère année de thèse (Sept. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Arnaud GARNACHE Co‐Directeur ou Encadrants : Mikhaël MYARA

Type de financement : CIFRE

Résumé :

Dans le cadre d’une collaboration entre l’IES (Institut d’Electronique du Sud) et la société

« INNoptics » (entreprise innovante spécialisée dans l’intégration optique), cette thèse a pour but le développement et l’intégration de nouvelles sources lasers à semi‐conducteur de type VeCSEL (Vertical ExternalCavity Surface Emitting Laser) émettant dans le moyen‐infrarouge (continument accordables autour de 1 µm et de 2.3µm), à forte puissance (jusqu’à 400 mW), à bas bruit et de haute cohérence, pour les systèmes embarqués. Leurs propriétés permettront d’adresser les besoins de nombreuses applications exigeantes dans des domaines très différents, notamment les horloges atomiques, la vélocimétrie doppler, la détection de traces de gaz à haute sensibilité, …

Pour atteindre cet objectif, différents volets sont abordés : ‐ La conception d’un système de pompage optique incluant une pompe multimode et des

lentilles de focalisation. ‐ Le développement d’une structure à base de puits quantiques permettant de monter en

puissance laser, tout en gardant les caractères monomode transverse et mono fréquence du faisceau de sortie.

‐ L’étude physique du composant (qualité de faisceau, bruit, cohérence, impact du « feedback ») afin de mieux comprendre et d’optimiser le laser en vue d’atteindre ou surpasser les performances exigées par les applications visées.

Mots clés :VeCSEL, pompage, structure, feedback, intégration.

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PHOTODETECTEURS InSb REALISES PAR EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES POUR IMAGEUR INFRAROUGE

Doctorant : Axel EVIRGEN 1ère année de thèse (Nov. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : P. CHRISTOL Co‐Encadrants : J.P. PEREZ (IES), P. CHRISTOL (IES), H. SIK (SAGEM DS), J. FLEURY (SAGEM DS)

Type de financement : CIFREDéfense (ex DGA)

Résumé : SAGEM DS produit et commercialise des systèmes d’imageur infrarouge tels que des caméras infrarouges ou des autodirecteurs de missiles. Le composant de ces systèmes, qui capte le flux infrarouge, est un photodétecteur en matériau InSb (longueur d’onde de coupure à 5.5µm à 80K) de type FPA ou « Focal Plane Array ». Ce sont des matrices de pixels au pas de 25 µm hybridés sur circuits de lecture silicium. Ces pixels sont des jonctions PN réalisées par implantation ionique de dopant dans un substrat d’InSb. Cette technologie nécessite une température de fonctionnement du composant à 80K.

La future génération de systèmes que souhaite développer SAGEM doit répondre aux besoins suivants :

‐ Diminuer la consommation et le délai de mise en froid, ce qui demande une augmentation de la température de fonctionnement du composant, typiquement supérieure à 110K.

‐ Augmenter la résolution, ce qui demande une diminution du pas des pixels.

Pour ces perspectives, la technologie actuelle « planar implantée » constitue une limitation majeure. D’une part, les défauts générés par l’implantation ionique sont à l’origine de bruit (courant d’obscurité) qui augmente rapidement avec la température et qui est, par conséquent, rédhibitoire pour le fonctionnement à plus haute température des photodétecteurs. Ensuite, compte tenu du rapprochement entre les pixels, leur isolation peut ne plus être suffisamment assurée et provoquer de la diaphonie.

Pour répondre à ces besoins, il est nécessaire de réaliser les composants InSb par épitaxie par jets moléculaires. Cette technique a l’avantage de préserver la qualité cristalline du matériau car l’incorporation des dopants s’effectue lors de la croissance de l’InSb. Elle offre, de plus, un degré de liberté supplémentaire dans le design de la structure des composants, avec la possible fabrication de barrières en InAlSb pour la réalisation de structure dites XBn . Elle nécessite cependant la mise en place d’une autre technologie dite « MESA » qui délimite les pixels par l’introduction de topographie sur la surface du matériau.

Le but de cette thèse est de développer de nouvelles structures de photodétecteurInSb, de type PIN ou XBn, par la technique d’épitaxie par jets moléculaires, puis de réaliser un « FPA » démonstrateur.

Au cours de mon exposé je présenterai mes premiers mois de thèse où nous avons vérifié les conditions de croissance du matériau InSb par EJM et défini le protocole technologique de fabrication des pixels photodiodes grâce à des caractérisations électriques. Les premiers résultats obtenus à 80K présentent des densités de courants de 0.1µA/cm2 (‐100mV) et des produits R0A supérieur à 1MΩ.cm2, valeurs correspondant à des performances industriellement compatibles.

Mots clés : Imagerie infrarouge, matériau InSb, matrice de détecteur, haute température

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DIODES LASER A PUITS QUANTIQUES MONO‐FREQUENCES POUR CAPTEURS NOUVELLE GENERATION

Doctorant :Quentin GAIMARD 1ère année de thèse (Dec. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Rolland TESSIER Co‐Directeur ou Encadrants : Aurore VICET Type de financement : ANR

Résumé : La mise au point de systèmes de mesure de gaz à l’état de trace, en temps réel, fiables, à bas coût ayant une longue durée de vie est un enjeu économique crucial tant sur le plan écologique qu’industriel. Le projet NexCILAS propose le développement d’un capteur optique intégré basé sur la technique de spectroscopie par diodes laser accordables pour la détection du méthane (application environnementale) et de l’éthylène (application agro‐alimentaire). Ma thèse a pour but de développer et mettre en œuvre les diodes lasers utilisées dans ces capteurs. Ces diodes laser devront être mono fréquences et accordables autour de 3,3µm, avec un fonctionnement en régime continu à température ambiante. Le parti pris est d’utiliser des diodes à puis quantiques issues de la filière antimoniure : substrat GaSbcladding en AlGaAsSb et zone active en AlGaAsSb contenant des puits en GaInAsSb. La croissance de ces plaques a été développée au sein de l’équipe dans la thèse de Sofiane Belahsene. Les structures à large ruban (100µm) réalisées actuellement ne permettent que de les faire laser en pulsé à température ambiante. Le premier enjeu de ma thèse est d’améliorer le process pour diminuer la résistance thermique (Rth) des diodes et faire laser en continu et à température ambiante des structures à ruban fin. Actuellement on cherche à faire baisser Rth par dépôt d’une couche épaisse d’or augmentant la conductivité thermique à la surface de la diode. Pour être monomodes et accordables, les lasers développés seront des lasers à contre réaction répartie (distributed feedback). Des simulations m’ont permis de déterminer le pas du réseau et une géométrie de la structure permettant un couplage suffisant lumière/réseau pour accéder à une émission monomode. Ce réseau est dessiné par holographie: lithographie optique utilisant les franges d’interférence entre 2 faisceaux issus d’un même laser UV. A l’ordre 1 ce réseau aura un pas de 500nm. Je suis en train de développer une gravure sèche argon. On envisage également de développer ce réseau à l’ordre 4 (pas de 2µm), ce qui nous permettrait d’utiliser une gravure chimique. Un montage optique pour accéder à un tel pas est en cours de conception. Mots clés : Laser ; 3,3µm ; Antimoniure ; contre réaction répartie (Distributed Feedback) ; Holographie.

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ÉTUDE ET CONCEPTION DE DISPOSITIFS POUR L'OPTIQUE INTEGREE A BASE DE CRISTAUX PHOTONIQUES

Doctorant :Mehdi GHOUMAZI 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : T. TALIERCIO Co‐Directeur ou Encadrants : R. KRIBICH

Type de financement: Averroès

Résumé : Le développement de capteurs optiques pour le biomédical est un domaine ou de nombreuses techniques sont utilisées bien que peu de solutions suffisamment intégrées soient commercialisées. Les techniques les plus courantes utilisent des méthodes de microscopie pour observer des modifications de fluorescence ou de spectroscopie Raman. D’autres techniques mettent en jeu la propagation d’un signal électromagnétique au travers ou au voisinage de la zone à mesurer : la détection par le champ évanescent d’un mode optique guidé ou d’un plasmon de surface en sont des exemples. Dans le cadre de cette thèse, nous visons à développer une plateforme basée sur des cristaux photoniques composés de trous d’air dans le silicium afin d’emprisonner les molécules à détecter grâce des peptides qui biofonctionnalisent la surface du Silicium. Ce type d’architecture permet, par effet résonnant, de détecter avec une forte sensibilité un faible volume situé dans un trou de quelques centaines de nanomètres seulement et est donc compatible avec un diagnostic rapide et précoce sans besoin d’amplification préalable. Des études ont été menées sur les bandes d’énergie photoniques présentes dans un tel cristal. Des actions sont en cours quant au développement d’un processus de fabrication fondé sur la lithographie électronique suivie d’une gravure par ions réactifs appliquées à des échantillons de Silicium sur isolant.

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LASERS A CASCADE QUANTIQUE A BASE D’ANTIMONIURES

POUR L’ANALYSE DE GAZ Doctorant :Pierre LAFAILLE 2èmeannée de thèse (Sept. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Roland TEISSIER Co‐Directeur ou Encadrants : Alexeï BARANOV

Type de financement: Contrats divers dont ANR

Résumé :

Ce travail de thèse concerne la modélisation, la conception et la caractérisation de lasers à cascade quantique à base d’antimoniures pour des applications du moyen infrarouge et plus particulièrement l’analyse de gaz polluants. Les lasers à cascade quantique sont des lasers à semi‐conducteurs unipolaires composés de centaines de couches de quelques plans atomiques d’épaisseur qui leur confèrent une structuration quantique. Cela leur permet de produire de la lumière à partir des transitions radiatives entre les sous‐bandes électroniques de la bande de conduction. Cette particularité autorise à ces lasers l’émission à des longueurs d’onde du moyen infrarouge jusque dans le domaine du Térahertz, car elles ne sont pas limitées par le gap du matériau, comme dans les autres lasers à semi‐conducteurs, mais dépendent de l’épaisseur des barrières et puits quantiques. Nos structures sont réalisés par épitaxie à jets moléculaires à partir de matériaux de type antimoniures. Elles sont typiquement composées de 20 à 30 périodes de zone active, chacune constituée d’un injecteur à super‐réseau InAs/AlSb assurant le transport des porteurs vers des puits quantiques d’InAs où ont lieu les transitions radiatives. Les antimoniures sont des matériaux peu conventionnels dans l’univers des lasers à cascades quantiques, constitué essentiellement des filières GaAs et InP. L’InAs/AlSb qui compose nos zones actives présente la plus grande discontinuité de bande de conduction, ce qui nous permet de détenir le record mondial des lasers à cascade quantique de plus courte longueur d’onde avec une émission à 2.6µm et fait de ce matériau un sérieux candidat pour émettre en continu à la très convoitée longueur d’onde de 3.3µm. Ce travail de thèse a porté dans un premier temps sur la réalisation de lasers à émission monomode grâce au développement d’une technologie de fabrication de lasers à contre réaction répartie. Cet objectif étant atteint, mon travail se concentre désormais sur le fonctionnement de ces lasers en régime continu à température ambiante, régime que nous espérons atteindre grâce à des technologies de fabrication qui optimisent les pertes optiques et les propriétés thermiques de nos lasers et en explorant des guides d’onde et des designs de zone active particulièrement innovants. Mots clés : Laser à cascade quantique, antimoniures, moyen infrarouge, détection de gaz

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REALISATION DE LASERS A CASCADE QUANTIQUE (QCL) DANS LE THZ SUR SUBSTRAT INAS

Doctorant : Guillaume LOLLIA 1ère année de thèse (Dec. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Alexeï BARANOV Co‐Directeur ou Encadrants : Rolland TEISSIER, Michael BHARIZ Type de financement: Contrat CNRS

Résumé : La plupart des composants électroniques qui émettent des sources de radiations Thz sont pour des applications biomédicales et militaires. En raison de leurs particularités à pénétrer les matériaux organiques sans aucun dommage (excitation des molécules organiques au niveau rotationnel seulement), ces sources sont alors très demandées en tant que capteur (certains systèmes ont pratiquement été testés à l’aéroport avec une fréquence de 94 GHz) mais aussi en tant qu’imagerie médicales Néanmoins la plupart de ces sources ne sont pas compactes et ont des puissances de sorties très faibles de l’ordre de quelques mW contrairement au QCLs (Watt). Les Lasers à cascade quantiques sont des lasers à transitions inter‐sous bandes contrairement aux diodes lasers inter‐bandes. La structuration des matériaux en puits quantiques permet de quantifier alors l’énergie des électrons. De ce faite, en jouant sur l’épaisseur des couches, on peut modifier la longueur d’onde d’émission des lasers. Enfin, en raison de sa structure et de sa masse effective, la filière antimoniure InAs/AlSb a déjà été particulièrement utilisé obtenant des performances records à ce jour dans le proche infrarouge avec un fonctionnement mono fréquence 3.3 µm. Tout aussi bien dans le proche infrarouge, on s’attend alors que la filière antimoniure puisse traverser les frontières des QCLS dans les grandes longueurs d’ondes THz. Ce travail de thèse s’inscrit donc dans l’élaboration de lasers à cascades quantiques dans la gamme l’infrarouge lointain intermédiaire (15 <lambda<30 µm) jusqu’à celle du THz (>60 µm). On s’appuiera essentiellement sur l’ingénierie de structure de bandes et celle de la technologie de guide d’onde double métal (Double Plasmon) permettant de mieux confiner les ondes THz .

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INTEGRATION DE LA TECHNOLOGIE III‐V ANTIMONIURE SUR

SUBSTRATS DE SILICIUM Doctorant :Karine MADIOMANANA 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Eric TOURNIE Co‐Directeur ou Encadrants : JeanBaptiste RODRIGUEZ Type de financement : Allocation Président

Résumé : Les semiconducteurs à base d’antimoniures ont des propriétés physiques remarquables qui leur attribuent un très grand intérêt pour la fabrication de composants opto‐électroniques tels que les photo‐détecteurs infrarouges (3ème génération), lasers à cascade quantique, diodes laser dans la gamme de l’infrarouge. De plus, l’intégration de ces matériaux III‐V à la technologie CMOS déjà existante et maitrisée fait l’objet de nombreuses recherches, le but étant de combiner les particularités de ces matériaux III‐V aux avantages de cette technologie dans la réalisation de capteurs intégrés par exemple. L’une des méthodes actuelles est l’intégration indirecte basée sur le collage de vignettes de matériaux III‐V sur circuits CMOS. Cependant, les étapes de collage et d’alignements en font un procédé complexe, contrairement à une fabrication directe. Le groupe NANOMIR de l’IES a entrepris plusieurs études pour développer un procédé d’épitaxie par jets moléculaire (EJM) directe sur substrat de Silicium. Des premiers lasers émettant à 1.55 et 2.3 µm fonctionnant à température ambiante ont été obtenus. Le but de cette thèse est donc de développer des procédés de croissance EJM pour améliorer la qualité des couches épitaxiées et donc la performance des lasers réalisés et caractérisés par photoluminescence (PL), Atomic Force Microscopy (AFM) et X‐Ray Diffraction (XRD). Ainsi, je suis intervenue dans les différentes étapes de fabrication, allant de la préparation chimique de la surface de Silicium à la réalisation des hétérostructures par EJM. Ceci m’a permis de me familiariser avec le bâti de croissance (EJM) et de mieux comprendre les phénomènes de croissance de matériaux ayant un large désaccord de paramètre de maille avec le substrat. De plus, j’ai caractérisé les échantillons par PL. Enfin, nous avons pu obtenir, après caractérisation électro‐optique, des diodes laser sur Si et le premier sur SOI émettant à 2.3µm, fonctionnant à température ambiante et en pulsé. Une deuxième partie visera à améliorer la préparation chimique du Si avant croissance, les conditions de croissances, avec notamment celle du buffer du Si avant dépôt des éléments III‐V afin d’obtenir des procédés reproductibles en EJM.

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OSCILLATIONS COLLECTIVES THZ DANS LES DISPOSITIFS

ELECTRONIQUES Doctorant :Abdelhamid MAHI 1ère année de thèse (Sept. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Luca VARANI Co‐Directeur ou Encadrants : Christophe PALERMO Type de financement : TASSILI cotutelle

Résumé :Le domaine Térahertz, région du spectre électromagnétique entre 300 Ghz et 30 THz, présente un grand intérêt pour la communauté scientifique et l’industrie. Le manque de sources et de détecteurs intégrables et fonctionnant à température ambiante empêche un usage à grande échelle des techniques THz. Les composants électroniques tels que des diodes et transistors conçus pour fonctionner à haute fréquence semblent atteindre leurs limites. Pour développer des dispositifs et systèmes pour ce domaine de fréquences nous proposons une stratégie qui consiste à mettre à contribution des phénomènes oscillatoires collectifs pouvant produire des résonances à très haute fréquence. En particulier, l’utilisation des oscillations collectives du plasma constitué par les électrons libres d’une région semi‐conductrice est l’une des solutions les plus prometteuses. De plus, des travaux théoriques et expérimentaux ont déjà démontré les potentialités des oscillations de plasma dans les transistors en tant que détecteurs ou sources de radiation THz.

Notre travail de thèse consiste à développer une approche théorique basée sur le modèle physique dit « hydrodynamique » permettant l’étude des oscillations collectives dans le canal d’un transistor HEMT, la description du comportement aux fréquences THz du gaz électronique et l’étude de l’influence de différents paramètres physiques et technologiques sur les résonances de plasma (structure générale du dispositif, choix du matériau, géométrie, polarisation, etc.). Le modèle hydrodynamique représente un compromis acceptable entre le modèle dérive‐diffusion qui nécessite des approximations problématiques à haute fréquence et la méthode Monte Carlo qui nécessite de temps de calcul importants. Il présente à la fois l’avantage d’un temps de calcul acceptable, tout en permettant l’analyse des phénomènes transitoires rapides dans des structures submicroniques et nanométriques complexes. Le modèle hydrodynamique a aussi donné un excellent accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans l’équipe, raison pour laquelle c’est vers ce modèle que se porte notre choix.

Pour l’instant, le simulateur que nous avons développé nous a permis de calculer la réponse du courant de drain et de grille, pour différents types d’excitations THz (sur la grille, sur le drain et sur les deux électrodes en même temps). Nous avons montré que la valeur continue et l’harmonique du courant en fonction de la fréquence de l’excitation présentent deux pics de résonance dans le domaine THz correspondant aux deux premiers modes de plasma. Le facteur de qualité des pics de résonance peut être contrôle à travers la tension de drain. Les fréquences peuvent être ajustées sur l'ensemble du domaine THz en jouant sur la dimension du canal, le type d’excitation, la polarisation et l’impédance de charge. Ces résultats sont de grande importance pour le développement et l’optimisation de détecteurs de radiation THZ à base de transistors à effet de champ.

Mots clés : oscillation collectives, transistor HEMT, hautes fréquences, gaz électrons libres.

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DEVELOPPEMENT D'UN CAPTEUR PHOTONIQUE INTEGRE POUR LA DETECTION DE GAZ

Doctorant :Geoffrey MAULION 2ème année de thèse (Fev. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Raphaël KRIBICH Co‐Directeur ou Encadrants : Philippe SIGNORET Type de financement :ANR PEPS

Résumé :

Dans le cadre de la recherche de capteurs innovants pour la détection de gaz, nous étudions de nouvelles architectures optiques permettant d’améliorer la sensibilité des capteurs actuels. La plateforme proposée est basée sur le dépôt d’une poudre sensible sur un circuit photonique. En présence de gaz, la poudre, composée de nanoparticules recouvertes d’un alliage métallique, catalyse l’oxydation du gaz ce qui a pour effet un dégagement de chaleur. L’élévation de température provoquée se propage à l’intérieur du circuit photonique. Lorsque les matériaux qui composent le circuit et dans lesquels le signal optique voyage sont altérés par effet thermo‐optique (modification de l’indice de réfraction en fonction de la température), l’indice effectif associé aux modes optiques varie. Cette variation est transposée sur le signal optique grâce à la fonction réalisée par le circuit. Outre les architectures de circuit classiques de type réseau de Bragg et interféromètre Mach‐Zehnder, nous étudions des architectures originales basées sur les interférences multimodes et les résonances de modes de galerie. Les aspects théoriques sont étudiés, les modèles des circuits sous influence thermique sont implémentés, les designs sont conçus et optimisés grâce à des simulations utilisant les techniques numériques telles que la méthode du faisceau propagé (BPM) ou encore les différences finies (FDTD). Une autre voie commence à être envisager. Nous allons étudier le dépôt d’une fine couche métallique d’or sur des guides en matériau sol‐gel afin d’étudier le couplage du mode optique vers un plasmon de surface.

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MESURE DE TRACE DE GAZ PAR SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION PAR DIODES LASERS ACCORDABLES. APPLICATION A LA

SURVEILLANCE DE L’ENVIRONNEMENT Doctorant :Tong NGUYEN BA 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Eric TOURNIE Co‐Directeur ou Encadrants : Aurore VICET Type de financement : Alloc NUMEV / Alloc ED

Résumé : Cette thèse s’inscrit dans l’action ‘Capteurs et nouveaux capteurs’ du projet intégré ‘Observation de l’environnement et du vivant’ de Labex NUMEV (Solutions Numériques, Matérielles et Modélisations pour l’Environnement et le Vivant) qui a été créé en 2010 à Montpellier. Elle se situe à la jonction entre l’électronique et la biologie car il s’agit d’une collaboration entre l’Institut d’Electronique du Sud (IES, UMR‐CNRS 5214) et le Laboratoire des symbioses tropicales et méditerranéennes (LSTM, UMR‐IRD113) afin de développer un capteur de gaz sensible et sélectif, capable de mesurer in‐situ plusieurs espèces gazeuses d’intérêt environnemental et biologique avec des lasers accordables fabriqués par l’IES qui émettent vers 3,3 µm. Ce capteur sera ensuite utilisé dans une campagne expérimentale visant à étudier, via des mesures de très faibles émission gazeuses, la biosynthèse de l’éthylène sur des plans d’arabidopsisthaliana. Ces études, parce qu’elles portent sur des plans individuels et qu’elles donnent accès à des données en temps réel difficiles à obtenir, sont particulièrement novatrices.

L’IES dispose actuellement une version laboratoire de ce capteur qui est basé sur la technique de mesure par photo‐acoustique à quartz (QEPAS ‐ Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy). Cette technique utilise un simple quartz de montre en tant que détecteur photo‐acoustique (transducteur piézoélectrique). La petite taille du quartz permet de rendre la conception du module de détection très compacte, applicable à une large gamme de pression y compris la pression atmosphérique et capable d’analyser des échantillons gazeux de très petits volumes.

Durant la première année de ma thèse, j’ai eu l’occasion de faire des recherches bibliographies afin de comprendre les principes de la technique QEPAS. J’ai étudié et mis en place une mesure de la variance d’Allan qui permet de prévenir le temps d’intégration optimal et la limite de détection du capteur. J’ai étudié ensuite l’effet de relaxation moléculaire qui influence sur la génération du signal photo‐acoustique créé par espèce gazeuse mesurée. Je me suis surtout consacré à des mesures sur le méthane, pour aboutir à une faible sensibilité. L’étape suivante sera de travailler sur l’éthylène.

L’objectif de la deuxième année de thèse sera de rendre le banc de mesure plus compact (boitier de 5 cm de long) et d’intégrer les composants électriques (alimentation, stabilisation thermique, détection synchrone) pour disposer d’une version transportable qui permet de mesurer l’éthylène. Une étude des composants optiques et du montage est en cours.

Mots clés : Spectroscopie infrarouge, photo‐acoustique, laser, détection, éthylène

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LES PLASMONS DE SURFACE : DE NOUVELLES STRUCTURES POUR LES COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES DANS

L'INFRAROUGE Doctorante :Vilianne NTSAME GUILENGUI 2ème année de thèse (Oct. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Thierry TALIERCIO Co‐Directeur ou Encadrants : Type de financement : Alloc ED

Résumé : Les plasmons de surface sont générés à l'interface entre un métal et un diélectrique. Ils sont étudiés en détail depuis plusieurs années entre autres pour leurs propriétés particulières de confinement du champ électromagnétique localisé à l'interface ou encore d'exaltation de ce champ. La fréquence plasma, caractéristique des matériaux, liée à la densité de porteurs libres, est à l'origine des propriétés optiques remarquables des plasmons de surface. La majorité des études faites sur les plasmons concerne les métaux nobles comme l'or ou l'argent. Cependant, dans ce cas, il n'est pas possible de modifier la fréquence de plasma qui est située dans le domaine de l'Ultraviolet. Les résonances des plasmons de surface ont lieu dans le visible. L'utilisation de semi‐conducteurs fortement dopés en plasmonique permet de contourner cette limitation. En changeant le dopage, ou le type de semi‐conducteur, il est possible de changer la fréquence plasma du matériau et ainsi, obtenir des résonances dans le moyen infrarouge. Une partie de ce travail de thèse concerne l'étude expérimentale de réseaux de semi‐conducteurs dopés et non dopés. Les échantillons sont constitués d'une couche d'InAsSb (antimoniure d'arséniure d'indium) dopée avec du silicium. La longueur d'onde plasma de l'InAsSb dopé est située dans le moyen infrarouge. Cette couche est déposée par épitaxie par jets moléculaires(MBE) sur un substrat de GaSb (antimoniure de gallium). Les rubans d'InAsSb sont ensuite réalisés par holographie et gravure chimique avec un mélange d'acide citrique et peroxyde d'hydrogène. La gravure chimique a l'avantage de réduire la largeur des rubans InAsSb en augmentant le temps de gravure, la période étant constante. Pour fabriquer le réseau InAsSb et GaSb, nous procédons à la reprise d'épitaxie par MBE d'une couche deGaSb sur le réseau InAsSb. Nous arrivons ainsi à planariser la structure en conservant sa cristallinité. Nous pouvons donc envisager d’intégrer des structures plasmoniques à des composants à base de semiconducteurs. Nous avons réalisé par la suite des mesures de réflectivité en angle et en polarisation. En faisant varier l'angle de l'onde incidente et sa polarisation nous identifions des résonances dues aux plasmons de surface localisés. En modifiant la géométrie de la structure ou un des matériaux utilisés, nous changeons la longueur d'onde de résonance des plasmons de surface localisés. Mots clés : Plasmons de surface, Fréquence plasma, Semiconducteurs, Infrarouge

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REALISATION D’UN MASER THZ A BASE DE GAN Doctorant :Alexandre PENOT 2ème année de thèse (Oct. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Luca VARANI Co‐Directeur ou Encadrants : Jérémi TORRES Type de financement : Alloc ED

Résumé : Dans le but de réaliser un MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fonctionnant dans le domaine du spectre électromagnétique nommé terahertz (1 THz = 1012 Hz), deux types d’expériences complémentaires sont menées en parallèle. 1. Etude des propriétés de transmission et d’émission THz de différentes structures cristallines en GaN (nitrure de gallium) telles que des puits quantiques, des doigts interdigités, des diodes Gunn … Des paramètres tels que la tension de polarisation et la géométrie des diodes, la température (de 4 à 300 K) et bien sûr la fréquence de fonctionnement (0,220‐0,325 et 0,750‐1,1 THz) sont investigués. Les objectifs de cette étude sont doubles : faire une analyse des propriétés électriques et électromagnétiques pour ce domaine de fréquence novateur et trouver le meilleur composant permettant de servir de milieu amplificateur à température ambiante. 2. Etude et développement d’une cavité résonnante THz dans laquelle viendra se placer le milieu amplificateur pour compléter le MASER. Plusieurs traitements de surface des miroirs utilisés (argent, or, aluminium) ainsi que différents designs sont actuellement à l’étude. Les principales qualités de cette cavité seront la présence d’un minimum de pertes à chaque réflexion à l’intérieur de la cavité, d’une haute sélectivité en fréquence ainsi que d’une plus grande accordabilité possible. En dehors de cet objectif principal qu’est la réalisation du MASER THz, des expériences de détection directe et de mélange à différentes fréquences avec des SSD (Self Switching Diodes) en GaN ont également été mises en place et effectuées. Mots clés :Terahertz, GaN, MASER

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SOURCES LASER A SEMI‐CONDUCTEUR A EMISSION VERTICALE

DE HAUTE COHERENCE ET DE FORTE PUISSANCE POUR LE

PROCHE ET LE MOYEN INFRAROUGE Doctorant :Mohamed SELLAHI 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Arnaud GARNACHE Co‐Directeur ou Encadrants : Mikhaël MYARA Type de financement : ANR + Alloc ED

Résumé :Ces dernières années ont vu l'arrivée à maturité de certaines technologies laser à base de matériaux à semi‐conducteur (filière III‐V) pour le proche et moyen infra‐rouge. Ces lasers sont hélas souvent limités sur de nombreux critères (puissance, cohérence), mais elles peuvent être surpassées grâce à la technologie "VECSEL" (Vertical ExternalCavity Surface Emitting Laser). De plus, cette géométrie laser à base de cavité externe permet d'atteindre d'autres fonctionnalités comme l'accordablilité continue et permet d'insérer des éléments intra cavité. Ainsi il est possible d'obtenir de nouveaux états cohérents "non‐conventionnels" tels que l'émission cohérente large bande (dite "sans mode"), ou des faisceaux vortex à moment orbital, tout cela, en préservant le caractère "compact" (taille de l'ordre du cm) des sources à semiconducteur.

Le premier objectif de cette thèse consiste à mieux comprendre et améliorer le fonctionnement des laser VeCSEL pour une émission cohérente "traditionnelle", en atteignant une émission à plus forte puissance toutes en préservant la cohérence spatiale et temporelle élevée, en introduisant un contrôle de la polarisation et de la thermique. Ainsi, l'un des objectifs de ma thèse est la conception d'un miroir externe permettant de sélectionner un état propre unique de la lumière. Cette amélioration nécessite de mieux connaitre le laser depuis les étapes technologiques (croissance de la structure à semiconducteur) jusqu'aux caractérisations de faisceau laser (carte transverse de phase/d'intensité, bruit de fréquence/d'intensité). Un autre volet de ma thèse consiste à démontrer de nouveaux états laser en utilisant la technologie VeCSEL, comme l'émission sans modes large bande cohérente ou des lasers émettant sur des modes d'ordre supérieur contrôlés pour atteindre l'état vortex (nouvelles pinces optiques) ou un fonctionnement bi‐mode transverse pour les applications au THz. Le début de ma thèse s'est focalisé sur le design des filtres métalliques qui seront déposés sur la puce VECSEL pour sélectionner des modes transverses d'ordre supérieurs de type Laguerre‐Gauss. Le design efficace de ces grilles nécessite la modélisation dynamique non linéaire des états transverses du VeCSEL, et l'étude de la compétition entre eux. Most clés: Laser MIR/NIR de forte puissance, cohérence spatiale et temporelle, Miroir filtrant, laser sans mode, laser Vortex

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NOUVEAU CAPTEUR D’ONDE ACOUSTIQUE EN MILIEU SOUS‐MARIN A FIBRE DOPEE

Doctorant : Mohamed Tahar SOUICI 2ème année de thèse (Déc. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Bernard ORSAL Co‐Directeur ou Encadrants : Bertrand WATTRISSE Type de financement : Allocation Président

Résumé :

Nous présentons un nouveau capteur à base de laser à fibre dopée dont la sensibilité suffisamment élevée permettra de détecter les ondes acoustiques d’intensité équivalente au bruit de mer en grande profondeur. Les lasers à base de réseau de Bragg inscrit sur fibre optique sont bien adaptés à la détection en milieu sous‐marins pour de multiples applications : prévention sismique, recherche pétrolière, recherche gazière mais les bruits d’intensité et de fréquence du laser limitent les performances de ce capteur et dégradent le rapport signal à bruit[1].Le détecteur au cœur du projet est un hydrophone à laser à fibre DFBFL (DistributedFeed Back Fiber Laser), ce laser est constitué par un segment de fibre optique de quelques centimètres de longueurs sur lequel on imprime un réflecteur de Bragg. Le pas de ces réflecteurs de Bragg détermine la longueur d’onde d’émission du laser à fibre. L’amplification optique est obtenue généralement en dopant à l’Erbium le réseau de Bragg inscrit sur la fibre [2], [3]. Le principe de ce dispositif consiste à détecter les changements de fréquence du laser. Les variations de longueur de l’élément de fibre dopée, proportionnelles à la pression acoustique (signal) se traduisent par un changement de fréquence ou de longueur d’onde de la lumière émise que l’on détecte. Lorsque le laser à fibre est immergé, une onde acoustique se propageant dans l’eau crée une variation de pression hydrostatique qui modifie le pas du réseau de Bragg ce qui entraine un changement de fréquence de la lumière émise. On montrera l’influence de la sensibilité acousto‐optique du capteur sur le rapport signal à bruit en fonction de la fréquence. Mots clés : laser à fibre, sensibilité acousto‐optique, bruit de mer, bruit d’intensité, bruit de fréquence. REFERENCES [1]B.Orsal, S.Ouaret, R.Vacher, D.Dureisseix.”Noise equivalent pressure of a 1550nm fiber laser as an underwater acoustic sensor dedicated to high depth: IEEE , INCF June 2011,12‐16. [2] Lars voxenHansen,Fredik Kullander. “Modelling of hydrophone based on a DFB fiberlaser”,XXI ICTAM,15‐21 August 2004, Warsaw,Poland. [3] D.J.Hill, P.J.Nash, D.A.Jackson, D.J.Webb, S.F.O Neill, I.Bennion, and L. Zhang “A fiber laser hydrophone array”: procceding of SPIE (1999) volume: 3860 , pp 55‐65.

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REALISATION ET CARACTERISATION ELECTRO‐OPTIQUE DE DETECTEURS INFRAROUGES A SUPER‐RESEAUX INAS/GASB A

ARCHITECTURES INNOVANTES

Doctorant : Rachid TAALAT 2ème année de thèse (Oct. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / NanoMIR Directeur de thèse : Philippe CHRISTOL (IES) Co‐Directeur ou Encadrants : J.B. RODRIGUEZ (Encadrant, IES)

I. RIBETMOHAMED (Codirectrice, Onera)

Type de financement : DGA

Résumé :Des progrès significatifs ont été obtenus récemment sur les détecteurs à super‐réseaux (SR) InAs / GaSb opérant dans le domaine du moyen‐infrarouge (MWIR), mais de nombreux efforts doivent encore être fournis pour atteindre les performances des technologies InSb et MCT qui dominent actuellement le marché des caméras infrarouges. Les structures à SR InAs/GaSb, structure périodique à multipuits quantiques couplés, sont fabriquées par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) qui est une technique de croissance permettant la réalisation de couches de matériaux semiconducteurs avec une maitrise de l’épaisseur de l’ordre de la monocouche atomique (quelques Å). Le composant détecteur fonctionne en configuration photodiode, c'est‐à‐dire que le SR est la partie absorbante d’une jonction pin non intentionnellement dopée.

Dans la première partie de mon travail de thèse, une analyse théorique et expérimentale a été faite dans le but d'améliorer les performances des diodes à SR. Une des possibilités est d’améliorer les caractéristiques électriques (réduction des courants) et électro‐optiques (augmentation de l’absorption) de la zone absorbante à SR, par une amélioration des propriétés quantiques du SR à travers un choix judicieux de la période de la structure. Ce choix est obtenu grâce à la flexibilité du SR où l’on peut changer les épaisseurs d’InAs et de GaSb déposées sans changer le gap du matériau.

Nous avons comparé deux structures présentant des longueurs d’ondes de coupures autour de 5µm à 80K. L’une dite « symétrique » (8 monocouches (MC) d’InAs et 8 MC de GaSb) et l’autre, plus innovante, « asymétrique » (7 MC d’InAs et 4 MC de GaSb). Les composants détecteurs ont été caractérisés par des caractéristiques électriques (I‐V, C‐V, ...) et photoélectriques (photoluminescence, réponse spectrale, rendement quantique).Il apparaît que, pour des gaps comparables, la structure asymétrique affiche des densités de courant une décade inférieure à celles obtenues sur des structures symétriques à haute comme à basse température ainsi que de meilleurs rendements quantiques. Ces résultats montrent toute la potentialité de la filière à SR dans le choix d’une structure optimisée pour le domaine spectral du MWIR. Mots clés : photodétecteur infrarouge, super‐réseaux InAs/GaSb, courant d’obscurité, photoréponse.

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ETUDE DE SOURCES ET DETECTEURS POUR COMMUNICATIONS

SANS FIL TRES HAUT‐DEBIT SUR PORTEUSE THZ Doctorant : Lucie TOHME

1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Photonique et Ondes / TeHO Directeur de thèse : Luca VARANI Co‐Directeur ou Encadrants : Stéphane BLIN Type de financement : Alloc ED

Résumé: Le futur de la communication sans fil est le haut-débit c'est-à-dire jusqu'à un débit de 100 GHz. Pour cela il est nécessaire d'avoir une porteuse de large bande donc une porteuse dans le térahertz (THz). Des expériences de transmission d'information, à basse fréquences, ont été réalisée en utilisant comme détecteur un transistor Si pour la première fois. La création de sources dans le domaine du THz, sources optiques ou électronique, est une évolution importante dans le domaine de la télécommunication car elles permettent de porter des informations à haut débit. Le but est de mettre en place des sources THz à bas coût, moins compliquées à manipuler et modulables à haut-débit. D'autre part, il est nécessaire aussi de trouver les détecteurs performants. Différents composants seront réalisés afin de permettre une détection très haut-débit. Certains composants sont existants mais doivent être caractérisés aux fréquences ou débit recherchés (transistors Si), d’autres composants plus innovants seront réalisés au cours du projet. L'objectif est d'étudier et de mettre en oeuvre des expériences dans lesquelles différents types de détecteurs (essentiellement des transistors à effet de champ et des transistors à haute mobilité électronique) et des sources seront testés afin d'obtenir un banc de communication très haut-débit sur porteuse THz dans la bande 0,3-0,9 THz avec une modulation entre 10 et 40 Gbit/s. Mots clés : porteuseTHz, haut-débit, télécommunication, sources, détecteurs.

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DépartementSystèmesEnergieFiabilitéRadiations


DEVELOPPEMENT D’UN SYSTEME DE METROLOGIE DU

RAYONNEMENT DoDoctorant :Salvatore DANZECA 1ère année de thèse (Déc. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : Laurent DUSSEAU Co‐Directeur ou Encadrants :Giovanni SPIEZIA(CERN) Type de financement : CERN

Résumé : In the Large Hadron Collider (LHC) tunnel, the effects of the radiations on the electronic components can pose critical issues. The RadMon (RADiationMONitoring) is an electronic measurement unit capable of monitoring the radiation levels in the sensible areas of the LHC tunnel where other electronic instruments are installed. The knowledge of the radiation levels is important to anticipate the device degradation and to investigate the cause of failures of the electronic equipments.

The newer version of the RadMon is based on radiation‐tolerant components in order to be more durable in harsh environment such the one of the LHC tunnel. Thus, Commercial Off the Shelf components (COTS) are suitably tested. As far as the hardware development of the RadMon, I am involved in the component test and data analysis of the digital parts, such as the ADC and the FPGA.

The main objective of my research is focused on the investigation and the study of new types of sensors for the measurements of Total Ionizing Dose (TID), Displacement Damage (DD) and High Energy Hadron (HEH) Fluence.

The sensors that are actually used are RadFets for TID measurements, PIN diodes for the displacement damage and commercial SRAM memories for the HEH fluence.

The investigation of new sensors for all the type of measurements is driven by the necessity of improving the sensitivity and the range of the actual ones. The RadFets exhibit higher sensitivity by increasing the oxide thickness; however this implies a reduction of the measurement range. A possible solution is based on the use of thick oxide RadFets (1600 nm) combined with a static or programmable amplifier to increase the range. Another solution is based on the exploitation of a different type of TID sensor, such as the Optical Stimulated Luminescence (OSL) sensor which potentially allows measuring low dose levels thanks to its high sensitivity. Moreover, its auto‐resetting properties permit enlarging the range measurement.

For the DD measurements a new type of PIN diodes (LBSD) is being tested. From the literature the characteristic of this sensor is linear with the particle fluence and should also assure a higher sensitivity at low levels of the 1 MeV equivalent neutron fluence. The reading protocol is still under investigation to adapt it to the existing RadMon setup.

It is also required to improve the sensitivity of the actual SRAM memories in order to measure also low level of HEH fluence in the shielded zone of the LHC tunnel. Hence, a memory based on newer technology has being studied to measure its cross section. Mots clés : Radiationsensors, Radiation Monitoring, Dosimetry

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ETUDE ET CONCEPTION D’UN CONVERTISSEUR MULTICELLULAIRE A ICT A FORT COURANT DESTINE AU

DIAGNOSTIC DE CABLES HVDC Doctorant :Abdallah DARKAWI 2ème année de thèse (Sept. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / GEM Directeur de thèse : Petru NOTINGHER Co‐Directeur ou Encadrants : Thierry MARTIRE, JeanJacques HUSELSTEIN

Type de financement :Banque islamique de développement

Résumé : La problématique de la fiabilité des câbles à courant continu est liée à l’établissement de zones de charges électriques dans le diélectrique. Ces accumulations de charges, dites « charges d’espace », sur‐sollicitent localement le matériau et peuvent le faire vieillir prématurément, voire le faire claquer de manière intempestive. Les mesures de la dynamique des charges électriques directement sur les câbles lors des essais longue durée sont de ce fait devenues indispensables pour les câbliers et les exploitants. La mesure non‐destructive de charges électriques dans un diélectrique solide s’appuie sur l’utilisation de stimuli externes (pression ou température) qui provoquent des faibles déséquilibres temporaires de l’état électrique des matériaux et donc l’apparition de courants ou de tensions transitoires aux bornes de l’objet étudié. L’analyse de ces réponses permet de quantifier et de situer les charges. Ainsi, la méthode de l’onde thermique consiste à appliquer un échelon de température à l’échantillon étudié et à mesurer ensuite un très faible courant appelé aussi « courant d’onde thermique » du aux déplacements des charges dans l’isolant du câble. Dans le cas d’une mesure sur des câbles à forte épaisseur d’isolant, l’élévation de température peut être obtenue à l’aide d’un fort courant transitoire injecté dans l’âme ou dans la gaine conductrice (effet Joule). Notre étude est basée sur la recherche et la mise au point d’une solution innovante, compacte et très dense, basée sur une électronique de puissance capable de générer des impulsions de courant de plus de 12000 A et dont la durée pourra aller jusqu’à 2 s, à utiliser pour caractériser des tronçons de 100 m de câbles HVDC de section du conducteur de 2500 mm². Il s’agit d’une mise en parallèle de 10modules de convertisseurs DC‐DC basse tension et fort courant, alimentés séparément par des bancs de super capacités. Chaque module est constitué d’un convertisseur multicellulaire parallèle entrelacé à 12 phases couplées en utilisant une structure originale de couplage magnétique appelée Transformateur InterCellule (ICT). Un dimensionnement optimal du convertisseur à ICT a conduit à un meilleur filtrage du courant de sortie et a permis ainsi de supprimer les filtres (inductances et condensateurs). Un prototype expérimental a été réalisé et testé afin de confirmer l’étude théorique et valider le principe de l’application. Mots clés : Convertisseurs multicellulaires parallèles, Transformateur InterCellule, courant d’onde thermique, câble haute tension.

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RADIATION FIELDS AT HIGH‐ENERGY ACCELERATORS AND THEIR IMPACT ON RADIATION DAMAGE

Doctorant :Ruben GARCIA ALIA 1ère année de thèse (Janv. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : Fréderic SAIGNÉ Co‐Directeur ou Encadrants : Markus BRUGGER, Fréderic WROBEL, Antoine TOUBOUL

Type de financement : CERN

Résumé :The thesis proposal is based on the analysis of the radiation field present in high‐energy accelerator environments and their impact on the electronics and materials used in them. For the first several months, the study has been centred in Single Event Upsets (SEUs) on SRAM memories, which provide a realistic failure case, and in addition serve as radiation monitors, if conveniently characterized beforehand. In particular, the emphasis of the first steps of the work has been centred in the potential effect of elements characteristic of the mixed environment present in the high‐energy accelerators, as opposed to other environments such as space, or those reproduced in standard test facilities. Notably, the effect of pions and GeV‐energy hadrons is under study. In both cases, simulations using the FLUKA Monte Carlo transport code show SEU‐induction behaviours different to those for protons in the 20‐230 MeV range (typically tested for in the test facilities used by the CERN groups). Moreover, in the case of the GeV‐energy particles, mono‐energetic cross section tests have been performed at CERN showing results that confirm the tendency predicted by the simulations. The implications of the simulations and measurements on the calculated upset rates for the future, as well as the energy deposition mechanism for the different particles are currently under careful analysis with a future emphasis on destructive failures. Moreover, mono‐energetic beam tests using different energies (in the GeV‐range) and hadron types; as well as different devices are programmed. In particular, the effect of high‐Z materials near the Sensitive Volume (SV) regions will be under special analysis both from the simulation and the measurement perspective, as the impact of the increased energy is expected to be much more significant in these cases. In addition, the potential SEE‐effect of thermal neutrons or low‐energy singly charged particle on state‐of‐the‐art deep sub‐micron technologies will be evaluated. More generally, the study will be extended from the Single Event Effect domain to Total Ionizing Dose (TID) and Displacement Damage (DD) effects, not only on electronics but also on the physical properties of the materials. These and further studies aim in fully characterizing the mixed particle and energy radiation environment and determine clear radiation test requirements for applications to be used in accelerator environments. Finally, the high‐energy tail of the neutron spectra being similar for both accelerator and terrestrial will allow further studying respective radiation effects, as well as defining the requiremetns for a dedicated radiation test facility.

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FIABILITE DES COMPOSANTS DE PUISSANCE EN

ENVIRONNEMENT RADIATIF NATUREL

Doctorant : Karima GUETARNI 2ème année de thèse (Sept. 2010)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : Jérôme BOCH Co‐Directeur ou Encadrants : Antoine TOUBOUL Type de financement : Alloc ED

Résumé : Dans le but de réaliser un MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fonctionnant dans le domaine du spectre électromagnétique nommé terahertz (1 THz = 1012 Hz), deux types d’expériences complémentaires sont menées en parallèle. 1. Etude des propriétés de transmission et d’émission THz de différentes structures cristallines en GaN (nitrure de gallium) telles que des puits quantiques, des doigts interdigités, des diodes Gunn … Des paramètres tels que la tension de polarisation et la géométrie des diodes, la température (de 4 à 300 K) et bien sûr la fréquence de fonctionnement (0,220‐0,325 et 0,750‐1,1 THz) sont investigués. Les objectifs de cette étude sont doubles : faire une analyse des propriétés électriques et électromagnétiques pour ce domaine de fréquence novateur et trouver le meilleur composant permettant de servir de milieu amplificateur à température ambiante. 2. Etude et développement d’une cavité résonnante THz dans laquelle viendra se placer le milieu amplificateur pour compléter le MASER. Plusieurs traitements de surface des miroirs utilisés (argent, or, aluminium) ainsi que différents designs sont actuellement à l’étude. Les principales qualités de cette cavité seront la présence d’un minimum de pertes à chaque réflexion à l’intérieur de la cavité, d’une haute sélectivité en fréquence ainsi que d’une plus grande accordabilité possible. En dehors de cet objectif principal qu’est la réalisation du MASER THz, des expériences de détection directe et de mélange à différentes fréquences avec des SSD (Self Switching Diodes) en GaN ont également été mises en place et effectuées. Mots clés :Terahertz, GaN, MASER

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DEFIABILISATION DES COMPOSANTS NANOELECTRONIQUES PAR

DES ELEMENTS RADIOACTIFS

Doctorant :Abdelhakim KAOUACHE 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : F. WROBEL Co‐Directeur ou Encadrants : F. SAIGNE Type de financement : Alloc ED

Résumé : Dans le cadre de la course à l’intégration des technologies à base de transistors MOS, l’industrie de la nanoélectronique doit prendre en compte le problème des effets des radiations en plus des contraintes technologiques et physiques. Ainsi, mon sujet de thèse est consacré à l’étude de la radioactivité naturelle que subissent les mémoires SRAM et DRAM. En effet, l’intégration croissante des technologies silicium fait intervenir de nouveaux matériaux formés par des éléments qui contiennent des isotopes radioactifs (naturels) capables d’émettre des particules alpha et ainsi de produire un changement d’état des bits au niveau des mémoires. Ceci se traduit par une information erronée qui peut être critique lorsque la sécurité des biens et des personnes est en jeu. Actuellement, on compte plus de 20 nouveaux matériaux introduits au niveau de l’oxyde et du métal de grille. À ceci s’ajoute les impuretés radioactives contenues dans les deux chaines de désintégration de l’uranium (U238) et du thorium (Th232), impuretés qui se trouvent naturellement dans tous les matériaux qui nous entourent. L’intégration croissante des composants électroniques a nécessité la modification des règles de design qui mettent les zones sensibles des mémoires à la portée de ces particules alphas émises dans une gamme d’énergie largement suffisante pour déclencher un aléa logique (quelques MeV). Un des enjeux actuels concerne l’équilibre séculaire de la chaine de désintégration qui peut être perturbée lors des étapes de fabrication. Dans tel état de déséquilibre provoqué par un enrichissement d’un isotope ou plusieurs isotopes de la chaine, le taux d’erreurs logiques peut considérablement augmenter et atteindre un niveau inacceptable (typiquement 1000 FIT/Mbit). Une compréhension profonde de ces effets associés aux éléments radioactifs est primordiale pour la mise au point des méthodes d’évaluation des risques associés à une technologie donnée. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé un modèle analytique permettant d’obtenir une évaluation du taux d’erreurs dû à l’uranium et au thorium dans les deux états (équilibre séculaire et déséquilibre). L’évaluation de l’émissivité à l’aide d’un modèle qui prend en compte l’activité des éléments radioactifs est en cours. Les résultats obtenus seront vérifiés en utilisant les outils de la simulation (FLUKA, MC‐Oracle). La mise en évidence expérimentale de ses résultats consiste à mesurer des concentrations d’impuretés dans les matériaux bruts (ICPMS) et enregistrer le taux d’erreurs logiques au niveau des mémoires. Mots clés : Radioactivité naturelle, particule alpha, SRAM, DRAM, aléa logique, équilibre séculaire

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CARACTERISATION ET MODELISATION DES MATERIAUX

ISOLANTS NANOCOMPOSITES PAR DES METHODES

DIELECTRIQUES

Doctorant :Ioana PREDA 2ème année de thèse (Juillet 2010)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / GEM Directeur de thèse : Serge AGNEL (IES) Co‐Directeur ou Encadrants : Jérôme CASTELLON (IES), Michel FRECHETTE (HydroQuebèc)

Type de financement : Projet européen ANASTASIA

Résumé :Cette thèse porte sur la caractérisation et la modélisation de matériaux isolants nanocomposites par des méthodes diélectriques. Les matériaux étudies sont des époxies avec des particules sphériques (silice) ou des feuillets empilés (C30B) à l’échelle nanométrique. Le but de la thèse est, entre autres, d’étudier l’influence du traitement de surface des nanoparticules avant d’être mélangés avec la matrice polymère, l’influence de l’utilisation des additifs dans la matrice polymère (plastifiants) ainsi que l’impact des méthodes utilisées pour réaliser l’incorporation des nanoparticules sur les propriétés diélectriques. Sachant que les atomes et les molécules qui constituent le polymère sont essentiellement des dipôles électrostatiques qui peuvent s’orienter sous l’action du champ électrique (phénomène de polarisation), la spectroscopie diélectrique, sensible à ces phénomènes, a été choisie pour la caractérisation desces matériaux diélectriques nanocomposites (nanodiélectrique). En réalisant un balayage en température et en fréquence (‐150°C ‐ 200°C, 0.1 Hz ‐1 MHz), le comportement du matériau est analysé et les pertes diélectriques sont relevées. En utilisant le modèle de relaxation diélectrique proposé par Havriliak et Negami (généralisation du modèle de Debye), le temps nécessaire pour le retour à l’équilibre après avoir coupé la contrainte électrique (le temps de relaxation), la force diélectrique, ainsi que des paramètres de forme des pics du spectre diélectrique (asymétrie, élargissement) peuvent être identifiés. Pour ceci, une procédure de lissage (« fitting ») est nécessaire. Le lissage des courbes expérimentales est réalisé en utilisant des procédures propres développées dans le cadre de la thèse et à l’aide de l’environnement de développement Matlab. Une simulation numérique des effets du champ électrique sur la réponse diélectrique des matériaux nanocomposites sera réalisée par la suite, en utilisant le logiciel Comsol. En vue d’aller plus loin dans la compréhension comportement thermique des nanodiélectriques, une analyse thermogravimétrique (TGA) et une analyse calorimétrique différentielle (DSC) des matériaux ont été réalisées. La teneur en produits volatiles des matériaux, les températures de transition vitreuse (Tg) aussi que les dégrées de cuisson et de réticulation ont été identifiées en analysant les résultats obtenus. Mots clés : propriétés diélectriques, nanocomposites, spectroscopie diélectrique, modèle Havriliak‐Negami.

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STRESS ELECTRIQUE POST‐IRRADIATION DES TRANSISTORS MOS DE PUISSANCE POUR LES SYSTEMES EMBARQUES

SPATIAUX

Doctorant :Aymeric PRIVAT

1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : Frédéric SAIGNE Co‐Directeur ou Encadrants : Type de financement :ANR

Résumé :

L’environnement spatial est constitué d’un flux de particules énergétiques (électrons, protons, ions lourds…) issu principalement des éruptions solaires et du rayonnement cosmique. Les particules les plus massives sont celles qui pourront induire la plus forte dégradation au niveau du composant. Ainsi, les ions lourds cosmiques peuvent être à l’origine de la destruction des composants embarqués de type MOS. Ce type de défaillance touche principalement les transistors MOS de puissance au sein desquels règnent des champs électriques d’intensité suffisamment importante pour permettre aux processus de dégradation sous rayonnement de se mettre en place. En particulier, l’oxyde de grille de ces composants peut être claqué suite au passage d’un ion lourd unique au travers d’un événement appelé « Single Event Gate Rupture ». Dans certains cas, aucune dégradation apparente n’est observée après irradiation bien qu’une interaction ait eue lieu au sein de la couche d’oxyde. On parle alors de la création de défauts latents au sein de la couche isolante. L’objet de cette thèse consiste à évaluer l’impact de ce type de défaut sur la dé‐fiabilisation des systèmes de conversion d’énergie embarqués à bord des satellites. En Europe, les principaux maîtres d’œuvre dans la fabrication des satellites se trouvent aujourd’hui face au problème que pose la prise en compte de ces défauts latents. En effet, pour garantir la fiabilité du système de conversion d’énergie, les transistors MOS de puissance doivent suivre une procédure de qualification radiation basée sur la méthode de test militaire américaine MIL‐STD‐750E/1080. Cette méthode est identique en tout point au standard européen (JESD57) mais recommande en plus, d’effectuer un stress électrique post radiation (Post‐irradiationGate Stress, PiGS) afin de révéler la présence d’éventuels défauts latents créés pendant l’irradiation. Contrairement aux technologies américaines (et japonaises) qui passent toutes les étapes du test, les filières technologiques européennes passent avec succès l’ensemble des tests préconisés sauf le PiGS, ce qui rend l’industrie spatiale en Europe dépendante des filières technologiques américaines. Pour autant, ce test post radiation reste infondé tant du point de vue de la pertinence de son application ni du point de vue de l’environnement spatial réel. L’objet de ce travail est d’amener des résultats scientifiques permettant de statuer sur la pertinence du PiGS. Mots clés : Défaut latent, Ions lourds, MOSFET de puissance, PIGS, SEGR

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MODELISATION ET MISE EN ŒUVRE DE PROTOCOLES DE

VIEILLISSEMENT ACCELERE DE COMPOSANTS DE PUISSANCE

SEMI‐CONDUCTEUR TYPE IGBT

DOCTORANT : Amgad RASHED 1ère année de thèse (Sept. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / GEM Directeur de thèse : François FOREST Co‐directeur ou Encadrant : JeanJacques HUSELSTEIN

Type de financement : ANR FIDEA

Résumé :

De nos jours, les composants de puissance à semi‐conducteur (MOSFET et IGBT) sont de plus en plus utilisés dans les applications embarquées de l'électronique de puissance liées aux transports. Ainsi dans le but d’augmenter les niveaux de fiabilité mais aussi de prévenir les pannes, il est nécessaire d'augmenter considérablement le capital de connaissance sur les modes de vieillissement et de défaillance de ces composants. Dans ce contexte, cette thèse en partenariat avec les laboratoires (IMS, INRETS, LAAS, LAPLACE, SATIE) se focalise sur deux grands axes de recherche. La première partie consiste à réaliser un système de mesure automatique des indicateurs de vieillissement (chute de tension à l'état passant et résistance thermique jonction/boitier). Ce système de mesure intégré au banc de vieillissement (onduleur 300V‐200A) doit permettre de déterminer l'état du composant en temps réel et donc de prédire toute défaillance susceptible d'apparaitre. L'autre intérêt d'un tel système est d'avoir un monitoring des composants dans des convertisseurs réels, dans une logique de maintenance préventive intéressant fortement les équipementiers. La seconde partie correspond à analyser les composants vieillis. Une autre tache portera sur la modélisation thermomécanique des composants sous cyclage thermique à l'aide du logiciel COMSOL. Cette phase a pour but d'associer la modélisation par éléments finis à une interprétation physique des modes de vieillissement des modules de puissance. Mots clés : Fiabilité, Cyclage thermique, Vieillissement accéléré, test de durée de vie

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ETUDE DES EFFETS DE SYNERGIE DE L’ENVIRONNEMENT SPATIAL

RADIATIF NATUREL ET ARTIFICIEL SUR LES CIRCUITS INTEGRES

ANALOGIQUES

Doctorant : Fabien ROIG 1ère année de thèse (Oct. 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / RADIAC Directeur de thèse : Laurent DUSSEAU (IES) Co‐Directeur ou Encadrant : JeanRoch VAILLÉ (IES), Gérard AURIEL (CEA), Paul RIBEIRO(CEA)

Type de financement : Bourse CEA

Résumé : L’électronique embarquée dans les satellites est soumise à un environnement spatial fortement radiatif. Le vent solaire, les éruptions solaires, le rayonnement cosmique et les ceintures de radiations sont à l’origine de particules très dangereuses pour les systèmes embarqués. A ces principales sources radiatives naturelles s’ajoutent la possibilité d’une explosion nucléaire d’origine militaire à haute altitude pouvant engendrer d’autres types de rayonnements néfastes pour l’électronique embarquée. Les effets causés par ces différentes sources radiatives (naturelles et artificielles) sont multiples : Effet de Dose, Défauts de déplacement, SEE (Single Event Effects) et TREE (Transient Radiation on Electronics Effects). Ces phénomènes sont connus et étudiés depuis plusieurs années. Cependant, dans les procédures de qualification des composants électroniques pour le spatial (civil et militaire), ces effets sont considérés comme indépendants les uns des autres. Or, il est probable que certains de ces effets puissent être cumulés durant une mission. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier les effets de synergie de l’environnement spatial radiatif naturel et artificiel sur les circuits intégrés analogiques. Le modèle combiné développé dans le cadre d’une précédente thèse permet de prédire, pour un circuit intégré analogique LM124, l’évolution du gabarit d’un SEE ou son comportement lors d’un flash X impulsionnel fort débit (TREE) en fonction de l’état initial du composant (vierge ou après une irradiation ayant accumulé un effet de dose ou des défauts de déplacement), de la polarisation et de la configuration choisie. Ce modèle est obtenu à partir d’une analyse Grand signal et Petit signal du composant. La première année est donc consacrée à la validation de ce modèle pour différents fabricants du même composant (LM124) puis à l’extension de ce modèle sur d’autres composants. La deuxième année sera consacrée à l’étude d’autres effets de synergie : Défauts de Déplacement/SEE et Défauts de Déplacement/TREE. Le modèle sera ensuite développé pour prendre en compte ces nouveaux effets de synergie. Les simulations obtenues seront alors comparées avec des résultats d’expériences afin de valider le modèle combiné. Enfin, la dernière année sera consacrée à l’étude des effets destructifs mis en évidence lors de précédents travaux sur des LM124 ainsi qu’à la finalisation des différents axes de recherche. Mots Clefs : Circuit Intégré Analogique Bipolaire, Dose Ionisante, Défauts de Déplacement, Evénement Singulier Transitoire Analogique, Effets Transitoires des Radiations sur l’Électronique.

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MATERIAUX ISOLANTS DE L’APPAREILLAGE HAUTE TENSION DANS LE DOMAINE DU COURANT CONTINU : COMPORTEMENT,

VIEILLISSEMENT ET MODELISATION MULTI‐PHYSIQUE

Doctorant :Hanen YAHYAOUI 1ère année de thèse (Nov 2011)

Département / Groupe de l’IES : Energie Fiabilité Radiations / GEM Directeur de thèse : Petru NOTINGHER Co‐Directeur: Serge AGNEL Type de financement :ALSTOM Grid /CNRS

Résumé :Les projets de mise en place dans les prochaines décennies de « super réseaux intelligents », qui prévoient la construction de centrales de production à des milliers de kms des centres de consommation, nécessite le développement à large échelle du transport de très fortes puissances par câbles à courant continu. Les principaux verrous à ce développement se situent au niveau du câble et des appareillages adéquats, qui doivent être conçus sur des critères spécifiques et comporter des matériaux isolants ayant des propriétés particulières. En effet, on passe alors d’une distribution capacitive à une distribution résistive du champ électrique dans les matériaux isolants, où leur résistivité dépend fortement du champ électrique et de la température. Outre la variation de la résistivité, il est établi que des charges sont injectées dans la matière isolante, donnant lieu à une charge d’espace modifiant la répartition du champ électrique. Dans le cas d’un renforcement du champ électrique, la présence de charges d’espace conduit à une accélération du vieillissement électrique qui conduit généralement à une augmentation de la densité de sites, constituant ainsi un phénomène auto‐accélérant pour la rupture diélectrique.

Le comportement de ces matériaux sous fortes contraintes continues et en particulier leur vieillissement restent aujourd’hui mal connus.

Ce travail de thèse concerne ainsi l’étude du comportement diélectrique de résines époxydes à charges minérales et du polyéthylène téréphtalate en vue d’évaluer leurs aptitudes à être utilisés dans des appareillages de coupure haute tension continue, ainsi que la définition d’actions et de critères d’aide à la conception de tels appareillages. Il s’agit pour cela de :

• Définir les caractéristiques diélectriques de ces matériaux sous contrainte électrique continue et en température (résistivité volumique en fonction du champ électrique et de la température, seuils et coefficients de non linéarité, quantité de charge d’espace en fonction du champ électrique et de la température) ;

• Etudier le vieillissement électrique sous contrainte continue (évolution des propriétés diélectriques) ;

• Analyser et simuler le comportement des matériaux sous contrainte continue

Des modélisations multi‐physiques (thermique et électrique) sont également envisagés afin d’appliquer les caractéristiques obtenues et les modèles mises au point à la conception des appareillages haute tension.

Mots clés : Matériaux isolants, haute tension, courant continu, modélisation, vieillissement.

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Documents

Résumé des présentations