Conception et optimisation de la tête haute fréquence d'un récepteur hétérodyne à 1.2 THz pour l'instrument JUICE-SWI

Design and optimization at the highest frequency of a heterodyne receiver at 1.2 THz for the JUICE-SWI instrument

• Auteur / Autrice : Diego Moro Melgar
• Direction : Alain Maestrini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 06/09/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Aziz Benlarbi-Delaï
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Hartogh, Juliette Mangeney, Javier Mateos
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Aniel, Mohammed Zaknoune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectromètres

Arséniure de gallium

Diodes à barrière de Schottky

Mots clés libres

Diodes planaires de barrière Schottky

Mélangeur de fréquence

Doubleur de fréquence

Récepteur hétérodyne

Monte Carlo

Arséniure de Gallium

Heterodyne receiver

Planar Schottky barrier diodes

Gallium arsenide

Résumé

La conception, fabrication et caractérisation d’un récepteur hétérodyne à 1.2 THz a été effectuée par le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) et constitue la base de ce rapport de thèse. Les études, analyse et résultats présentés dans ce manuscrit ont été effectués dans le cadre la mission JUpiter ICe moon Explorer (JUICE). JUICE est la première des grandes missions proposées à l’agenda du programme spatial Cosmic Vision 2015-2025 de l’Agence Spatial Européenne (ESA). La mission satellitaire JUICE est consacrée à l’étude du système Jovien. La charge utile du satellite est composée de 10 instruments à l’état-de-l’art et d'une expérience. Le développement du récepteur hétérodyne à 1.2 THz présenté dans cette thèse est dédié à SWI, acronyme anglais de “Submillimeter Wave Instrument'', qui, grâce à une résolution spectrale de 107, étudiera à partir de 2030 la structure, la composition et la dynamique des températures de la stratosphère et de la troposphère de Jupiter ainsi que les exosphères et les surfaces des lunes glacées. La partie haute fréquence du récepteur est complètement basée sur la technologie de diodes Schottky planaires sur membrane d'arséniure de galium (GaAs), appelées “Planar Schottky Barrier Diodes” (PSBDs) dans le manuscrit. La réalisation du canal à 1.2 THz de SWI basé sur la technologie Schottky et entièrement développé par le consortium européen, dont fait parti le LERMA, a été le défi le plus significatif rencontré par ce dernier. L'extrême réduction de la taille des anodes des diodes Schottky nécessaire pour monter aux fréquences du THz a été atteinte en collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) en utilisant la lithographie électronique pour la fabrication de véritables “Monolithic Microwave Integrated Circuits” (MMIC).Une partie importante du ce rapport de thèse et consacrée à l’étude des phénomènes physiques additionnels qui apparaissent quand les dimensions des diodes sont fortement réduites. En particulier, les modifications du comportement résistif et capacitif des diodes Schottky dues à des phénomènes microscopiques bidimensionnels ont été étudiées au moyen d’un simulateur bidimensionnel Monte Carlo (2D-MC), en collaboration avec l’Université de Salamanca, en Espagne.Comme détaillé dans ce manuscrit, la caractérisation précise du comportement capacitif de la diode Schottky est un point critique pour déterminer la plage de fréquences de leur utilisation pour une application donnée. Toute modélisation imprécise de cette propriété de la diode peut entrainer un décalage significatif de la plage de fréquences d’opération d'un circuit THz.Cependant, la modélisation précise des diodes Schottky à ultra-hautes fréquences, n'est qu'une des étapes requises pour réussir à concevoir correctement un circuit THz. L’analyse précise et méticuleuse de l’interaction entre le comportement électromagnétique du chip MMIC et le comportement physique des diodes Schottky a été le but le plus important poursuit dans ce travail doctoral pour le développement du récepteur à 1.2 THz. Cette tâche a été abordée en utilisant les outils commerciaux “High Frequency Simulation/Structure Software” (Ansys-HFSS) et “Keysight Advance Design System” (Keysight-ADS). La combinaison des simulations électromagnétiques des structures tridimensionnelles du chip MMIC (Ansys-HFSS) et les simulations du comportement électrique non-linéaire de la diode Schottky (Keysight-ADS) est la manière actuelle d'aborder la conception de ce type de circuits THz. Le modèle électrique analytique de la diode requis par l’outil ADS a été défini par l'auteur conformément aux résultats précédemment obtenus avec le simulateur physique Monte Carlo. L’implémentation du modèle étendu de la diode Schottky dans cette méthode pour la conception et l'optimisation de chaque étage du récepteur à 1.2THz, est le sujet développé dans ce rapport de thèse.

The design, fabrication and testing of a frequency heterodyne receiver at 1.2 THz has been developed by Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) and it is the foundation of this dissertation. The studies, analysis and results presented in this manuscript have been carried out within the framework of the JUpiter ICe moon Explorer (JUICE) mission. JUICE is one of the proposed missions in the agenda of the European Space Agency (ESA) Cosmic Vision 2015-2025 program. The objective of the JUICE satellite mission is to study the Jovian system, especially the Jupiter atmosphere properties and the surface characteristics of its icy moons. Scientific equipment consisting of ten state-of-the-art instruments and one experiment comprise the payload of this satellite. The development of a 1.2 THz channel is part of the Submillimeter Wave Instrument (SWI) devoted to recovering the spectroscopy data of the Jupiter atmosphere and icy-moons’ surface composition. The scientific principle for this receiver is all-solid-state semiconductor technology based in GaAs Planar Schottky Barrier Diodes (PSBDs). The achievement of a 1.2 THz channel based in PSBDs totally developed by European partners was the major challenge proposed for SWI, with LERMA committed to this assignment. The required ultra-scaling of the Schottky anode size of PSBDs in the attainment of the THz range has been achieved in collaboration with Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) using e-beam photolithography in the fabrication of Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC). An important part of this dissertation addresses the appearance of additional physical phenomena when ultrascaling solid-state PSBDs. Particularly, the modification of the electrical resistivity and capacitance of SBDs due to two-dimensional phenomena has been studied by means of a physical microscopic Two-Dimensional Monte Carlo (2D-MC) simulator, in collaboration with the University of Salamanca, Salamanca, Spain. As discussed within this manuscript, the accurate characterization of the diode capacitance is one of the critical points when opening a frequency window in the required frequency range of a THz application. A misunderstanding of this modified capacitance during the design of these devices can lead to a considerable offset in the frequency range of the experimental module. However, the accurate modeling of PSBDs in such high frequency applications is only a part of the expertise required for the successful completion of this challenge. The accurate and meticulous analysis of the interrelationship between the electromagnetic behavior of the MMIC chip and the physical behavior of the integrated PSBDs is the main challenge faced in this dissertation for the development of the 1.2 THz receiver. This task has been addressed using the commercial Ansys High Frequency Simulation/Structure Software (Ansys-HFSS) and the Keysight Advance Design System (Keysight-ADS). The combination of the three-dimensional electromagnetic characterization of the chip structure (obtained with HFSS) with the non-linear electrical circuit simulation (carried out by ADS) of diodes is the current methodology for the design of these modules. The analytical electrical model of PSBDs required by ADS software has been defined by this author in agreement with the results obtained with the 2D-MC simulator. The implementation of this approach in the design and optimization of the different stages of the accomplished 1.2 THz receiver is the main subject of this dissertation. The interaction between the physical model of the PSBDs and the electromagnetic modeling of the structure will be discussed within the different chapters of this dissertation. Finally, the mechanical engineering of these applications must be addressed in this discussion.