Thesis defence of Ayoub Naoui (RMS team): Integration of optical control of RF switches based on Germanium Telluride phase-change materials

Ayoub NAOUI - RMS team

Thesis direction
Florence PODEVIN - Thesis director - Full professor - TIMA Lab. - Grenoble INP-UGA
Étienne PERRET - Co-thesis director - Full professor - LCIS - Grenoble INP-UGA

Rapporteurs
Pierre BLONDY - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Jean-François ROBILLARD - Rapporteur - Associate professor - JUNIA

Composition of the jury
Florence PODEVIN - Thesis director - Full professor - TIMA Lab. - Grenoble INP-UGA
Pierre BLONDY - Rapporteur - Full professor - Université de Limoges
Jean-François ROBILLARD - Rapporteur - Associate professor - JUNIA
Sylvain BOURDEL - Examinator - Full professor - TIMA Lab. - Grenoble INP-UGA
Nabil EL-HINNAWY - Examinator - PhD in Science - Tower Semiconductor
Étienne PERRET - Guest - Full professor - LCIS - Grenoble INP-UGA
Bruno REIG - Guest - Research engineer - CEA Leti

Title: Integration of optical control of RF switches based on Germanium Telluride phase-change materials
Keywords: Optical actuation, Germanium Telluride (GeTe), Phase change material (PCM), Sub-THz imaging, RF switches, Microelectronics
Abstract: Radio frequency (RF) switches play a crucial role in the implementation of reconfigurable front-end architectures for modern communication systems. Currently, RF switching technologies are based predominantly on semiconductor devices, which offer satisfactory performance but exhibit relatively high insertion losses. Mechanical switching solutions, although exhibiting excellent RF performance and reliability, are generally impractical due to their large form factor and high manufacturing cost. MEMS-based RF switches, while miniaturized, suffer from reliability concerns and require high actuation voltages. In response to these limitations, phase-change materials (PCMs) have emerged as a promising alternative for the development of compact, reliable, and cost-effective RF components capable of efficient operation at high frequencies. Among PCMs, Germanium Telluride (GeTe) has emerged as a promising alternative. Initially used in optical storage media and non-volatile memories, this material exhibits a variation in resistance of several orders of magnitude under the effect of brief thermal pulses. This property is being exploited to develop non-volatile RF switches with low power consumption. Furthermore, the compact and monolithic integration of GeTe within standard silicon-based processes enables the realization of sophisticated, reconfigurable, and fully integrated RF devices. This thesis presents the first demonstration of a reliable and miniaturized RF switch based on GeTe that features integrated optical actuation, a world first. The developed switches operate over a wide frequency range, from DC up to 40 GHz, and are fabricated through an optimized microfabrication process comprising only five technological layers. Their power handling and linear behavior were evaluated experimentally. These switches demonstrated remarkable endurance, exceeding 160,000 switching cycles, attesting to their high reliability. Comparison was made with the same devices controlled electrically or by optical irradiation. The thesis also reports the implementation of a reflective-type phase shifter operating at 60 GHz, specifically designed for millimeter-wave (mmW) applications. This device is based on the integration of the aforementioned switches in a shunt configuration.

Titre : Intégration de la commande optique de commutateurs RF à base de matériaux à changement de phase en Tellure de Germanium
Mots-clés : Actionnement optique, Tellure de Germanium (GeTe), Matériau à changement de phase (PCM), Imagerie Sub-THz, Commutateurs RF, microélectronique
Résumé : Les commutateurs radiofréquences (RF) jouent un rôle clé dans la mise en œuvre de front-ends reconfigurables pour les systèmes de communication actuels. Les technologies de commutation RF sont principalement dominées par les semi-conducteurs, qui offrent des performances satisfaisantes avec toutefois des pertes d'insertion relativement importantes. Les solutions mécaniques, bien que remarquables en termes de performances RF et de fiabilité, restent peu pratiques en raison de leur volume et de leur coût élevé. Quant aux commutateurs à base de MEMS, ils posent des problèmes de fiabilité et nécessitent des tensions d'activation élevées. Face à ces défis, les matériaux à changement de phase (PCM) offrent des solutions RF miniaturisées, fiables et rentables, capables de fonctionner efficacement à des fréquences élevées. Le Tellure de Germanium (GeTe), parmi les PCM, apparait comme une alternative prometteuse. Initialement utilisé dans les supports de stockage optique et les mémoires non volatiles, ce matériau présente une variation de résistance de plusieurs ordres de grandeur sous l'effet de brèves impulsions thermiques. Cette propriété est exploitée pour développer des commutateurs RF non volatiles, à faible consommation de puissance. L'intégration compacte et monolithique de ce matériau en technologie Silicium permet d'envisager des dispositifs RF intégrés, reconfigurables et sophistiqués. Ce travail de thèse présente un commutateur RF fiable, miniaturisé, utilisant le GeTe comme matériau de commutation, dont la commande par voie optique est intégrée, une première mondiale. Les commutateurs développés, qui couvrent une gamme de fréquences allant du courant continu à 40 GHz, nécessitent un processus de microfabrication optimisé comprenant seulement cinq couches technologiques. Leur tenue en puissance et leur comportement linéaire ont été évalués expérimentalement. Ces commutateurs ont démontré une endurance remarquable, dépassant les 160 000 cycles de commutation, attestant de leur grande fiabilité. Une comparaison a été réalisée avec les mêmes dispositifs commandés électriquement ou par irradiation optique. La thèse présente également la réalisation d'un déphaseur à réflexion fonctionnant à 60~GHz, spécialement conçu pour les applications mmW. Ce dispositif est basé sur l'intégration des commutateurs précédents en configuration shunt.