Conception et développement d’étalons de paramètres S pour la caractérisation des nanodispositifs haute fréquence

La thèse s’inscrit dans le prolongement de travaux pour établir des méthodes fiables et traçables pour la mesure des paramètres S de circuits planaires. Menée au Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) en partenariat avec l’Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) de Lille, cette recherche vise à répondre aux besoins croissants de l’industrie des radiofréquences (RF) et des micro-ondes, dans un contexte de miniaturisation des dispositifs électroniques. Si la réduction de la taille des composants représente un levier essentiel du progrès technologique, elle a un impact fort sur les performances électriques des dispositifs. Ces performances sont évaluées à l’aide d’instruments de référence tels que les analyseurs de réseaux vectoriels (VNA), optimisés pour une impédance nominale de 50 Ω et sensibles aux variations d’impédance autour de cette impédance nominale. Or la miniaturisation des dispositifs peut conduire à la présence d’impédances de valeurs sur une large étendue et extrêmes. La mesure sur des nanocomposants avec un VNA pose alors des défis majeurs, tant en termes d’adaptation d’impédance que de sensibilité de mesure. Face à ces difficultés, le LNE développe de nouvelles méthodologies de mesure.

L’objectif est d’élargir la bande de fréquence couverte, de cibler des domaines d’impédance spécifiques et d’étudier les mesures réalisées à l’échelle nanométrique. En particulier, ce travail de thèse consiste à concevoir et à développer des nanostructures coplanaires traçables au SI pour l’étalonnage vectoriel, capables de couvrir une large gamme d’impédances, y compris les valeurs extrêmes. Des méthodes d’étalonnage spécifiques sont également mises en place afin d’assurer la vérification métrologique du système de mesure.

La thèse a pour objet la conception de structures coplanaires en configuration Ground–Signal–Ground (GSG) qui soient adaptées pour l’étalonnage des VNA, avec un focalisation sur les mesures de paramètres S réalisées sur wafer. Elle aborde les principaux défis et avancées dans le domaine de la mesure RF et micro-ondes sur wafer, avec un accent sur la caractérisation précise des nanodispositifs jusqu’à des fréquences de 110 GHz.

Le document présente le contexte scientifique, les motivations et objectifs de la recherche, un état de l’art en métrologie RF couvrant les lignes de transmission et les systèmes de mesure de paramètres S, les méthodes d’étalonnage et de de-embedding, ainsi que l’évaluation des incertitudes selon le GUM. Une attention particulière est accordée aux techniques de mesure sur wafer, à l’influence de la miniaturisation et aux problématiques liées aux mesures à haute impédance. La thèse détaille la conception et la fabrication de kits d’étalonnage dédiés, en abordant le choix des technologies, des matériaux et des dimensions, les simulations électromagnétiques et la validation des algorithmes d’étalonnage. Elle expose également le dispositif expérimental utilisé pour caractériser les dispositifs de DC à 110 GHz, les protocoles de mesure, les procédures de correction des données, les études de reproductibilité et l’analyse des incertitudes par la méthode TRL, sur la base d’étalons mesurés et modélisés.

Le travail introduit de nouvelles approches pour les mesures à haute impédance, validées expérimentalement avec divers kits d’étalonnage qui reposent sur la méthode multiline-TRL. Ces approches incluent la méthode Short-Open-Load-Thru (SOLT) et des variantes intégrant des offsets, telles que Short-Short-Short-Thru (SSST), Open-Open-Open-Thru (OOOT) et Highimpedance-Highimpedance-Highimpedance-Thru (HHHT).

Enfin, la thèse propose des perspectives d’extension de ces méthodes à de nouvelles applications. Globalement, cette recherche apporte des contributions théoriques et expérimentales pour améliorer la précision, la répétabilité et l’applicabilité des mesures RF et micro-ondes sur wafer, notamment pour des dispositifs de plus en plus miniaturisés et à forte impédance.

étalons de paramètres S, analyseur de réseau vectoriel (VNA), haute fréquence, méthodes d’étalonnage, incertitudes, traçabilité, guide d’onde coplanaire, nanodispositifs, métrologie, impédance.

Consulter la thèse (EN) : Thèses françaises (2025ULILN043) ou DOI