Conception de circuits RF sur polymère Benzocyclobutène (BCB) pour des applications à ondes millimétriques et THz

Design of RF circuits on Benzocyclobutene polymer (BCB) for millimeter wave and THz applications

• Auteur / Autrice : Iméne Kaid Omar
• Direction : Badr Eddine Ratni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 15/02/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Gaquière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Faouzi Boussaha, Élodie Richalot, Saïd Zouhdi, Nicolas Zerounian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Faouzi Boussaha, Élodie Richalot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes microrubans

Guides d'ondes

Micro-fabrication

Salles blanches

Modélisation électromagnétique

Mots clés libres

Modélisation électromagnétique

Technologie salle blanche

Mesures térahertz

Guide d'onde coplanaire (CPW)

Antennes patchs

Rectenna

Electromagnetic modelling

Cleanroom technology

Terahertz measurements

Coplanar waveguide (CPW)

Patch antenna

Retenna

Résumé

Les nouvelles applications dans la gamme de fréquences submillimétriques, imposent un développement rapide du trafic et nécessitent une augmentation importante de la capacité de transmission, que ça soit en télécommunications, en imagerie ou en spectroscopie. Aujourd’hui, cette augmentation de capacité de transmission est obtenue, soit par une amélioration de l’efficacité spectrale, soit par l’élargissement du spectre utilisé, ce qui nécessite l’utilisation des gammes de fréquences au-delà de 300 GHz. Depuis quelques années, ces nouvelles applications, impliquant des hauts débits, ont suscités l’intérêt et l’effort de plusieurs équipes de recherche qui ont effectués des études plus axées sur des dispositifs actifs que des dispositifs passifs. Tandis que les dispositifs passifs à base de polymère, sont particulièrement intéressants et pertinents en raison de leurs excellentes performances intrinsèques, et de leur aptitude à pouvoir s’adapter et à s’intégrer aux différentes technologies microélectroniques existantes telles que MOS Si, BiCMOS SiGe, MMIC GaAs, GaN ou InP. Dans le cadre de cette thèse, l’étude menée a porté sur la conception et la réalisation de circuits passifs dans la gamme de fréquences allant du millimétrique au THz sur le polymère Benzocyclobutene (BCB). Pour cela des antennes de topologies innovantes et des guides d’ondes métalliques monomodes à faibles pertes et à très fort facteur de qualité ont été simulées, réalisées et caractérisées. Le choix du polymère BCB réside dans le fait qu’il présente de faibles valeurs de pertes, notamment aux fréquences THz, permettant ainsi d’améliorer le rendement des circuits passifs à ces fréquences. L’autre atout de ce polymère, réside dans la facilité à le déposer (par centrifugation) au-dessus de tout type de substrat et/ou de circuits intégrés. Cela permet de réaliser sur un même dispositif des systèmes incluant des circuits actifs et passifs tout en réduisant les interconnexions. Dans le but de valider le concept, plusieurs dispositifs ont été réalisés et caractérisés aux moyens technologiques de la CTU du C2N (du réseau Renatech). Dans un premier temps, des guides d’ondes GCPW avec vias ont été réalisés et mesurés sur BCB et les résultats obtenus sont en bon accord avec les simulations jusqu’à 760 GHz (proche THz). Ils demeurent monomode à faible pertes et présentent une atténuation très satisfaisante aussi faible que 3 dB/mm à 600 GHz avec une permittivité effective d'environ 1.95. Dans un deuxième temps, dans le but d’étudier l’association de circuits actifs et passifs sur BCB, il a été proposé de réaliser une rectenna fonctionnant autour de 60 GHz (visant des applications WiGig). Pour cela, différentes topologies d’antennes planaires ont été simulées, réalisées et caractérisées au C2N. Le circuit de la rectenna a ensuite été optimisé sous ADS en testant différentes diodes Schottky commerciales. Ces technologies de dispositifs passifs sur polymère BCB, ouvrent la voie à de nombreuses perspectives telles que, l’interconnexion entre guides et antennes de différente nature, le couplage des circuits passifs avec des dispositifs actifs sur semi-conducteur (des amplificateurs distribués ou des multiplieurs), ainsi que la réalisation des motifs de calibrage et d’épluchage avec des guides monomodes sur polymère au-delà de 110 GHz, en concurrence avec ceux déjà commercialisés sur substrat alumine, et dont les limites sont largement atteintes.

New applications in the submillimeter frequency range require rapid development of traffic and require a significant increase in transmission capacity, whether in telecommunications, imaging or spectroscopy. Today, this increase in transmission capacity is achieved either by improving spectral efficiency or by broadening the spectrum used, necessitating the use of frequency ranges above 300 GHz. In recent years, these new applications, involving high data rates, have aroused the interest and effort of many research teams who have carried out studies focusing more on active devices than on passive devices. The subject of this thesis concerns passive circuits for the millimeter and the THz. For the realization of integrated passive functions and circuits, polymers appear particularly interesting and relevant because of their excellent intrinsic performance, and their ability to be able to adapt and integrate into the various existing microelectronic technologies such as MOS Si, BiCMOS, SiGe, MMIC GaAs, GaN or InP. As part of this thesis, the study carried out focused on the design and realization of passive circuits in the frequency range from millimeter to THz on the Benzocyclobutene (BCB) polymer. For this, antennas with innovative topologies and single-mode low-loss metal waveguides with a very high quality factor were simulated, produced and characterized. The BCB polymer was chosen because it exhibits low losses at THz frequencies and a low real part of the permittivity which reduces radiation losses, thus improving the efficiency of passive circuits at these frequencies. The other advantage of this polymer lies in the ease of depositing it (by centrifugation) on top of any type of substrate and / or integrated circuits. This allow to produce systems including active and passive circuits on the same device while reducing interconnections. In order to validate the concept, several devices are realized and characterized using the technological means of the CTU of C2N (of the Renatech network). First, GCPW waveguides (with vias) on BCB were realized and were first measured at C2N up to 67 GHz. The results obtained are in good agreement with simulations results. Then a few guides were measured at the IEMN up to 760 GHz. These guides remain single-mode and exhibit low losses (3 dB / mm at 600 GHz with an effective permittivity of approximately 1.95).Secondly, in order to study the association of active and passive circuits on BCB, it is proposed to create a rectenna operating around 60 GHz (targeting Wi-Gig applications). To this end, various topologies of planar antennas were simulated, realized and characterized at C2N. The rectenna circuit was then optimized under the Advanced Design System (ADS) software based on different models of commercial Schottky diodes. Finally, in order to maximize the efficiency of the rectenna, an optimization study of a Schottky diode in GaAs technology is proposed. The work undertaken made it possible to acquire and consolidate the stages of modeling, design and realization of integrated technologies on BCB polymer. They open the way to many future perspectives such as the association of passive circuits and active components based on semiconductors which will be directly integrated on a single chip. This technology will thus make it possible to considerably reduce the losses due to the interconnections between components and therefore to design highly integrated systems operating in the THz range.