INTRODUCTION GENERALE

L'électronique moderne fait de plus en plus appel aux hétérostructures de semi-conducteurs. Ainsi, pour les transistors bipolaires, on a très souvent recourt à une hétérojonction entre l'émetteur et la base, alors que pour les transistors à effet de champ, les hétérostructures tendent à supplanter, tout au moins aux hautes fréquences, les transistors à homojonction. Les diodes n'échappent pas à cette évolution avec, par l'emploi des hétérostructures, la possibilité de définir de nouveaux composants ou d'améliorer sensiblement les performances des composants conventionnels.

De manière générale, dans le domaines des hétérostructures, on constate que la technologie a un poids très important. En effet, les structures à hétérojonction ont été proposées depuis bien longtemps et c'est seulement grâce au formidable progrès effectué dans les techniques d'épitaxie que les hétérojonctions ont pu être insérées systématiquement dans la fabrication des composants actifs.

Dans ce travail, nous focaliserons notre effort sur un composant connu sous l'acronyme de SBV (Single Barrier Varactor) qui a été proposé en 1989 par Erik Kollberg à l'université de Chalmers en Suède suite à ses travaux sur la diode à effet tunnel résonant [1]. En étudiant la capacité de ce composant quantique, l'équipe suédoise a découvert un effet varactor tout-à-fait comparable à celui observé pour la diode Schottky varactor, sans distinction toutefois d'un sens privilégié de polarisation, comme c'est le cas pour des diodes redressantes. On a parlé à cette époque de "Quantum Barrier Varactor" par référence probablement aux effets quantiques de la diode à effet tunnel résonant. Nous verrons dans ce travail que les effets quantiques sont présents dans la mesure où les phénomènes de conduction par effet tunnel sont à l'origine des courants de fuite. Par ailleurs, il se forme sous polarisation un puits quantique d'origine électrostatique entraînant une discrétisation des états d'énergie. Au delà de ces effets dont il faudra rendre compte, l'utilisation de composants à hétérostructure de semiconducteurs plutôt que métal-semi-conducteurs confère un avantage indéniable au niveau de l'évolution de la capacité qui est une fonction symétrique de la tension. Cette propriété a des répercussions très importantes lorsque les composants sont exploités en multiplication de fréquence. On montre en effet que seules les harmoniques de rang impair sont générées, et qu'ainsi les transferts de puissance à la fréquence primaire et ceux aux fréquences transposées se font avec des rendements plus importants.

En préalable à cette discussion, nous avons insisté sur l'importance de la technologie pour la fabrication de nouveaux composants actifs aptes à fonctionner en très hautes fréquences. On constate qu'il en est de même pour presque tous les secteurs de la micro-électronique à un point même, qu'à l'heure actuelle on envisage de plus en plus d'étendre les procédés de fabrication à d'autres secteurs tels que la micro-mécanique ou la micro-optique. Pour ces applications, souvent repérées sous le vocable de microtechnologie, on parle souvent de micro-usinage principalement des semi-conducteurs, avec la particularité de maîtriser les procédés à l'échelle du micromètre. Ici encore, l'utilisation de structures composites est un formidable atoût, avec la possibilité d'usiner sélectivement les matériaux constituants. Sans aller vers les nouveaux secteurs que nous venons de mentionner, ces nouvelles procédures d'usinage profitent également à la micro-électronique notamment pour la fabrication des composants passifs. Ceci est d'autant plus vrai lorsque les fréquences de fonctionnement augmentent avec corrélativement une diminution des dimensions mises en jeu à un point tel, que les techniques classiques d'usinage ne sont plus viables ou tiennent de l'exploit technologique.

Nous nous proposons dans ce travail d'utiliser ces techniques de micro-usinage pour concrétiser l'idée d'une ligne de propagation de milieu effectif comparable à l'air [2]. Dans ce but, nous réaliserons des membranes diélectriques déposées sur substrat semiconducteur, et nous verrons que, par ce biais, on s'affranchit d'un grand nombre de limitations liées à la présence d'un support diélectrique épais, notamment la dispersion modale et l'augmentation des pertes. Le manuscrit est organisé de la façon suivante.

Dans un premier temps nous présenterons les procédés technologiques élémentaires. Ils concernent principalement la fabrication des contacts ohmiques visant à minimiser autant que possible les résistances d'accès aux couches actives des semi-conducteurs. Nous verrons que ces éléments sont de première importance dans les performances fréquentielles. Les techniques de gravure incluant les procédés de micro-usinage feront l'objet d'un second volet, qu'elles soient sélectives ou non, surfaciques ou volumiques, peu ou très profondes. Enfin nous considérerons plus en détail les problèmes liés aux techniques de connexion qui mettent en jeu des structures auto-suspendues de type pont-à-air.

Le second chapitre est consacré à la diode SBV. Aprés avoir rappelé très brièvement les critères de choix d'un système de matériaux, nous nous attacherons à présenter les différentes structures fabriquées dont les performances ont été en constante amélioration. C'est pour comprendre ces améliorations que nous nous baserons systématiquement sur des calculs de composantes de courant tunnel, et d'autre part de charges accumulées, cette information servant à la définition des non-linéarités de capacité.

La fabrication des structures de propagation sur membranes diélectriques est rapportée en détail dans le chapitre III. Nous illustrerons en particulier les problèmes rencontrés et les solutions apportées face à des rapports d'aspect entre cotes latérales et verticales des motifs souvent pénalisants. Cette partie technologique sera complétée par une analyse systématique des mesures de caractérisation de ces lignes en terme de constantes complexes de propagation.

Enfin, dans une quatrième et dernière partie, nous définirons des perspectives avec, d'une part l'idée d'intégrer sur une même épitaxie plusieurs composants élémentaires avec l'objectif affiché d'augmenter les niveaux de puissance. Quant aux dispositifs passifs, nous considérerons suite au premier travail sur les lignes de propagation, le cas des structures de filtrage qui devraient présenter des performances accrues pour des fréquences au delà de 100 GHz.

Les applications visées concernent les têtes de réception par satellite qui mettent en jeu des procédés de détection hétérodyne. Le composant SBV se révèle très prometteur pour une utilisation dans la chaîne de multiplication de l'oscillateur local. On pense en particulier obtenir des puissances suffisantes pour le fonctionnement des composants mélangeurs à partir d'une source à l'état solide à l'aide d'un tripleur ou d'un quintupleur. Dans ces conditions, il n'est pas utopique, à partir d'une source centrée autour de 100 GHz, d'accéder au domaine du Térahertz où la nécessité de source à l'état solide est la plus cruciale.

En ce qui concerne les structures de propagation, la tendance actuelle est de travailler autant que possible à l'aide de dispositifs quasi-optiques. Ces structures ouvertes, par opposition aux guides d'ondes, utilisent de plus en plus les membranes qui peuvent se comparer à des milieux d'indice de réfraction faible. Les études sur les lignes de propagation sur membrane, ou de façon plus générale les dispositifs passifs, notamment de filtrage, entrent dans le cadre de cet effort de recherche sur les structures ouvertes qui devraient supplanter à l'avenir les technologies conventionnelles basées sur les structures guide d'onde métalliques.

BIBLIOGRAPHIE DE L'INTRODUCTION GENERALE

[1]	E. Kollberg and A. Rydberg, "Quantum-barrier-varactor diodes for high-efficiency millimetre-wave multipliers", Electronics Letters, 7th December 1989, vol. 25, N°25, pp 1696-1698
[2]	L. P. B. Katehi, G. M. Rebeiz, T. M. Weller, R. F. Drayton, H.-J. Cheng, J. F. Whitaker, "Micromachined Circuits for Millimeter and Sub-millimeter-Wave Applications", IEEE Antennas & Propagation Magazine, vol. 35, N°5, October 1993, pp 9-17