• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2025ULILN043
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 01/12/2025

Résumé en langue originale

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de travaux visant à établir des méthodes fiables et traçables pour la mesure des paramètres S de circuits planaires. Le Laboratoire National de Métrologie et d'Essai (LNE), en partenariat avec l'Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN), répond aux besoins croissants de l'industrie des radiofréquences (RF) et des micro-ondes, avec une attention particulière à la miniaturisation des dispositifs électroniques.La réduction de la taille des composants constitue un facteur clé du progrès technologique, mais influence aussi fortement les performances électriques. Celles-ci sont évaluées grâce à des instruments comme les analyseurs de réseaux vectoriels (VNA), optimisés pour une impédance nominale de 50 Ω, et sensibles aux variations introduites par le composant testé.La miniaturisation peut entraîner des plages d'impédance extrêmes. Mesurer un nanocomposant avec un VNA pose donc des défis majeurs d'adaptation et de sensibilité. Ainsi, un dispositif à haute impédance peut être interprété comme un court-circuit, un circuit ouvert ou une condition similaire, compliquant la détection et générant du bruit de mesure.Pour relever ces défis, le LNE développe de nouvelles méthodologies par VNA, visant à élargir la bande de fréquences, cibler des domaines d'impédance spécifiques et travailler à l'échelle nanométrique. Ce travail conçoit et développe des nanostructures coplanaires traçables pour l'étalonnage vectoriel, capables de couvrir une large gamme d'impédances, y compris extrêmes. Il s'agit aussi de mettre en place des méthodes d'étalonnage assurant la vérification métrologique du système de mesure.La thèse est consacrée à la conception de nanocomposants coplanaires en configuration Ground-Signal-Ground (GSG) pour l'étalonnage des VNAs, spécifiquement pour les mesures de paramètres S sur wafer. Elle traite des principaux défis et avancées dans la mesure RF et micro-ondes sur wafer, avec un accent sur la caractérisation précise des nanodispositifs jusqu'à 110 GHz.Le document présente le contexte scientifique, les motivations et objectifs, l'état de l'art en métrologie RF (lignes de transmission, 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 portée aux techniques 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 : choix technologiques, matériaux, dimensions, simulations électromagnétiques, et validation des algorithmes. Elle présente aussi le dispositif expérimental utilisé pour caractériser les dispositifs de DC à 110 GHz, les protocoles de mesure, les corrections de données, les études de reproductibilité et l'analyse des incertitudes via la méthode TRL, sur la base de standards mesurés et modélisés.Le travail introduit également de nouvelles approches pour les mesures à haute impédance. Validées expérimentalement avec divers kits basés sur la méthode multiline-TRL, elles 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).La thèse se conclut par 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 miniaturisés et à haute impédance.

Résumé traduit

This thesis arises from work undertaking to establish reliable and traceable methods for S-parameter measurements of planar circuits. The LNE, in partnership with IEMN, is committed to continually meeting the growing needs of the RF and microwave industry, with a particular focus on the miniaturization of electronic devices.While reducing component size is essential for technological advancement, it also impacts electrical performance. These performance characteristics are assessed using measurement instruments such as vector network analyzers (VNAs), which typically operate with a nominal impedance of 50 Ω. These instruments are optimized for this impedance and are especially sensitive to variations introduced by the device under test.Miniaturization can significantly alter the impedance range, sometimes resulting in extreme values. Measuring a nanocomponent with a VNA therefore introduces challenges related to impedance matching and measurement sensitivity. For example, a high impedance nanodevice might be interpreted by the instrument as either a short or open circuit, or something close to these conditions, making accurate detection difficult and leading to highly noisy measurements.In response to these challenges, LNE is expanding its research on VNA measurement methodologies. The work aims to cover a wider frequency range, target specific impedance domains, and operate at the nanoscale. The objective is to design and develop traceable coplanar nanostructures for vector calibration, supporting an extended impedance range including extreme, low, and high values and to establish associated calibration methods that ensure the metrological verification of the measurement system.This thesis is devoted entirely to the design of new coplanar nanocomponents in a Ground-Signal-Ground (GSG) configuration for VNA calibration, specifically for on-wafer S-parameter measurements.The work addresses the key challenges and advances in RF and microwave on-wafer measurements, with special emphasis on the precise characterization of nanodevices up to 110 GHz. It covers the overall scientific context, motivations, and objectives, the state of the art in RF metrology including the fundamentals of transmission lines and S-parameters RF measurement systems, calibration and de-embedding methods, and uncertainty assessment according to the GUM. A particular focus is placed on on-wafer measurement techniques, the influence of device miniaturization, and issues related to high-impedance measurements.The thesis details the steps involved in designing and fabricating dedicated calibration kits, including the choice of technology, materials, and dimensions, electromagnetic simulations, and validation of calibration algorithms. It also presents the experimental setup for characterizing devices from DC to 110 GHz, measurement protocols, data correction procedures, reproducibility studies, and uncertainty analysis using the TRL method based on both measured and modeled standards.Furthermore, the work focuses on developing new approaches for high-impedance measurements. These approaches are experimentally validated using different calibration kits based on the multiline-TRL method. The new approaches include the well-known Short-Open-Load-Thru (SOLT) method, as well as derivative methods that integrate offsets into the standards, including Short-Short-Short-Thru (SSST), Open-Open-Open-Thru (OOOT), and Highimpedance-Highimpedance-Highimpedance-Thru (HHHT).The thesis concludes by outlining prospects for extending these methods to new applications. Overall, this research makes both theoretical and experimental contributions aimed at improving the accuracy, repeatability, and applicability of RF and microwave on-wafer measurements, particularly for increasingly miniaturized and high-impedance devices.