Spectroscopie micro-onde pour la mesure des charges d'espace à haute résolution spatiale dans les isolants en couche mince

A microwave spectroscopy for the measurement of space charge with a high spatial resolution in thin films

• Auteur / Autrice : Louiza Hamidouche
• Direction : Emmanuel Géron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 15/06/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Algani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Holé, Petru Notingher, Hélène Roussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Berquez, Alain Sylvestre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impédance acoustique -- Mesure

Dispositifs à couches minces

Spectroscopie de microondes

Mots clés libres

Charges d'espace

Couplage électro-élastique

PVDF

Signal réfléchi

Résonance élastique

Résolution spatiale

Capacité intrinsèque

Filtre passe-bas

Space charge

Electro-elastic coupling

PVDF

Reflected signal

Elastic resonance

Spatial resolution

Résumé

L'objectif de cette thèse est de proposer et de tester une nouvelle méthode pour la mesure des charges d'espace dans les isolants en couche mince avec une haute résolution spatiale. La méthode proposée est appelée Reflectométrie Électro-Acoustique ou en anglais Electro-Acoustic Reflectometry (EAR). La méthode EAR est basée sur le couplage électro-élastique de l'échantillon testé. L'excitation et la mesure sont électriques et se font dans le domaine fréquentiel. Une instrumentation micro-onde est employée pour des mesures à haute fréquence. Le principe de la mesure repose sur le fait que lorsque les charges sont excitées par un champ électrique appliqué, elles génèrent des ondes ultrasonores. L'énergie consommée par la génération de ces ondes produit une signature dans la réflexion par l'échantillon de l'excitation électrique. C'est cette signature qui est utilisée pour retrouver la distribution des charges d'espace par une simple transformée de Fourier inverse. Un banc de mesure composé d'un analyseur de réseaux vectoriel, d'un porte-échantillon dédié et d'une interface d'acquisition a permis de tester la méthode EAR. Les résultats obtenus sont prometteurs. La résolution spatiale démontrée est de 1.2µm en volume. Elle dépasse la meilleure résolution spatiale actuelle obtenue avec les méthodes ultrasonores conventionnelles existantes d'un facteur d'environ 10. Pour améliorer encore la résolution spatiale de la méthode EAR, il est nécessaire d'augmenter la plage de fréquences de mesure. Une approche est proposée pour résoudre les problèmes rencontrés à haute fréquence.

The objective of this thesis is to come up with and test a new method for the measurement of space charge in very thin insulating films with a high spatial resolution. The proposed method is called Electro-Acoustic Reflectometry (EAR) method. The EAR method relies on the electro-elastic coupling of the sample under test. Both excitation and measurement are of electrical nature and are performed in frequency domain. A microwave setup is used for high frequency measurements. The measurement principle is the generation of ultasonic waves when space charge undergoes an applied electrical field. The energy that is used up in the generation of these waves leaves a feature in the reflection of the electrical excitation. It is this feature that is used to find the space charge distribution by a simple inverse Fourier transform. A measurement setup comprising a vector network analyser, a dedicated sample holder and an acquistion interface allows to test the EAR method. The obtained results are promising. A bulk spatial resolution of 1.2µm has been demonstrated. It exceeds the current best spatial resolution achieved by existing conventionnal ultrasonic methods by a factor of about 10. To further enhance the spatiale resolution of the EAR method, it is necessary to broaden the measurement frequency range. An approach to deal with the problems occuring at high frequnecy is proposed.