Conception et fabrication de circuits intégrés basés sur les nano-diodes Schottky GaAs fonctionnant aux fréquences THz et sub-THz pour les récepteurs hétérodynes spatiaux dédiés à l'astrophysique

Conception and fabrication of integrated circuits based on GaAs Schottky nano-diodes working at THz and sub-THz frequencies for astrophysics

• Auteur / Autrice : Cécile Jung
• Direction : Yong Jin, Alain Maestrini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Mélangeurs hyperfréquences

Circuits intégrés

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de concevoir et réaliser des circuits mélangeurs à 330GHz et à 183GHz pour la détection hétérodyne en astrophysique. Ces circuits sont basés sur les diodes Schottky, permettant ainsi un fonctionnement à température ambiante. Le thème principal de la thèse consiste à élaborer un protocole de fabrication de diodes Schottky submicroniques et à les intégrer dans des circuits mélangeurs. Ces circuits seront assemblés dans un bloc de test et caractérisés en termes de performances RF. Ce travail de thèse pourra être utilisé pour des circuits à plus hautes fréquences, aussi bien pour les mélangeurs que pour les multiplicateurs. Un processus de fabrication entièrement basé sur la lithographie électronique a été développé, permettant la réalisation de diodes Schottky ayant des anodes submicroniques et le perfectionnement de leurs caractéristiques électriques. De nombreuses études spécifiques d'optimisation de contact ohmique et de contact Schottky ont permis d'obtenir des résistances en séries inférieures à 10Ω et des meilleurs facteurs d'idéalité entre 1,08 et 1,15. Deux types de circuits ont été réalisés. L'un pour un fonctionnement à 330GHz composé d'une paire d'anodes anti-parallèles sur une membrane de 10μm. L'autre, pour une fréquence de fonctionnement à 183GHz, consiste en un circuit MMIC comprenant une paire d'anodes anti-parallèles sur une membrane de 50μm. Un des composants à 330GHz a été intégré dans un bloc mélangeur et ses performances RF ont été caractérisées. Le résultat préliminaire a été encourageant avec une température de bruit de 1800K pour une perte en conversion de 8dB.

The objective of this thesis is to design and integrate circuits mixers at 330GHz and 183GHz for heterodyne detection in astrophysics. These circuits are based on Schottky diodes, allowing operation at room temperature. The main point of the thesis is to develop a protocol for fabrication of submicron Schottky diodes and to integrate them in circuits mixers. These circuits are integrated in a test block and characterized in terms of RF performances. This thesis work may be used for circuits at higher frequencies, for both mixers and multipliers. A fabrication process entirely based on electron beam lithography has been developed, allowing the realization of Schottky diodes with submicronic anodes and improvement of their electrical characteristics. Many studies for specific optimization of the ohmic and schottky contacts have yielded to series resistances below 10Ω and to best ideality factors between 1,08 and 1,15. Two types of circuits have been made. One for operation at 330GHz composed of a pair of anti-parallel anodes on a 10μm membrane. The other, for a frequency of 183GHz, consists of a MMIC circuit including a pair of anti-parallel anodes on a 50μm membrane. One of the components to 330GHz has been integrated into a mixer bloc, its RF performances have been characterized. The preliminary result was encouraging with a noise temperature of 1800K for a conversion loss of 8dB.