L’augmentation massive des échanges de données à l’échelle mondiale impose la conception de technologies de communication à haute performance. Les commutateurs radiofréquence (RF) à base de matériaux à changement de phase (PCM), dont la conductivité électrique est modulée par une transition de phase thermique, apparaissent comme une solution prometteuse, notamment dans le cadre d’exploitations de nouvelles bandes de fréquences plus élevées offrant des débits plus rapides. Toutefois, pour être compétitifs, ces dispositifs doivent offrir à la fois une excellente tenue en puissance et des performances RF optimales.

Ce travail de thèse propose une démarche d’optimisation de ces commutateurs, en s’appuyant sur des simulations par éléments finis pour analyser l’influence des paramètres géométriques, des matériaux utilisés et des stratégies de chauffage. De nouveaux designs sont proposés afin d’améliorer l’efficacité de la commutation, notamment en augmentant la quantité de PCM amorphisé à l’état OFF, ce qui permet de réduire les pertes parasites et d’augmenter la stabilité thermique.

Les dispositifs issus de cette démarche présentent, après fabrication et caractérisation, des avancées notables. L’ajout de couches thermiquement conductrices et l’adoption d’architectures spécifiques ont permis d’optimiser l’évacuation de la chaleur, conduisant à une amélioration de la tenue en puissance à l’état OFF de 5 dBm pour des structures en série. Par ailleurs, l’implémentation de structures chauffantes multibranches a permis d’atteindre des tenues en puissance de 37 dBm à l’état OFF et de 35 dBm à l’état ON. Ces résultats s’accompagnent d’une diminution de 20 % des capacités parasites à l’état OFF, sans compromis sur la résistance à l’état ON, ainsi que d’une réduction de 16 % de la consommation énergétique.

Enfin, une modélisation basée sur la méthode « champ de phase » a été intégrée à l’environnement de simulation pour suivre l’évolution microstructurale du PCM lors de la commutation. Cette approche permet de comparer le comportement de matériaux comme le GST et le GeTe, ce dernier montrant une meilleure stabilité de phase à l’état OFF, et confirmant son intérêt pour les applications RF.

The exponential growth in global data exchange is placing increasing demands on high-performance communication technologies. Among emerging solutions, radio-frequency (RF) switches based on phase-change materials (PCMs), which modulate electrical conductivity via thermally induced phase transitions, show significant promise, especially for operation in higher-frequency bands that support faster data rates. To compete with established technologies, however, these devices must offer both robust power handling and excellent RF performance.

This thesis presents a comprehensive optimization strategy for PCM-based RF switches, grounded in finite element simulations to evaluate the impact of device geometry, material selection, and thermal actuation methods. New design approaches are proposed to enhance switching efficiency, primarily by increasing the volume of amorphized PCM in the OFF state, leading to reduced parasitic losses and improved thermal stability.

Fabricated and experimentally characterized devices exhibit substantial performance gains. The use of thermally conductive layers, together with tailored thermal management architectures, significantly improves heat dissipation and enables OFF-state power handling improvement of up to 5 dBm in series-configured switches. Furthermore, the implementation of multi-branch heating structures allows the switches to sustain power levels of up to 37 dBm in the OFF state and 35 dBm in the ON state. These enhancements are accompanied by a 20 % reduction in OFF-state parasitic capacitance, with no degradation in ON-state resistance, and a 16 % reduction in overall energy consumption.

In parallel, a Phase-Field modeling framework has been integrated into the simulation environment to track the microstructural evolution of the PCM during switching. This approach enables direct comparison between materials such as GST and GeTe, with GeTe demonstrating superior phase stability in the OFF state, highlighting its suitability for next-generation RF applications.