Caractérisations de composants et Conceptions de circuits à base d'une filière émergente AlN/GaN pour applications de puissance en gamme d'ondes millimétriques PDF Download
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Author: Riad Kabouche
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La technologie Nitrure de Gallium s'impose actuellement comme le candidat idéal pour les applications de forte Puissance en gamme d'ondes millimétriques. Les caractéristiques de ce matériau le prédisposent à un fonctionnement à haute tension sans sacrifier la montée en fréquence, illustrées par son champ de claquage et sa vitesse de saturation des électrons élevés. Ces travaux de recherche s'inscrivent, dans un premier temps, dans le développement d'un banc de mesures permettant la caractérisation « grand signal », dite LoadPull dans la bande Ka et Q, en mode continu et impulsionnel de cette technologie émergente. En effet, la forte densité de puissance qu'est capable de générer la technologie GaN a rendu le développement de ce banc indispensable et relativement unique. Par ailleurs, cette étude s'est focalisée, dans la caractérisation de plusieurs filières innovantes qui ont mis en évidence des performances à l'état de l'art, avec un rendement en puissance ajoutée PAE de 46.3% associée à une densité de puissance de 4.5W/mm obtenue pour une fréquence d'opération de 40 GHz en mode continu. Enfin, ces travaux de thèse ont permis de générer la conception et la réalisation de deux amplificateurs de puissance en technologie GaN sur substrat silicium (basée sur la filière industrielle OMMIC) en bande Ka, représentant la finalité d'une démarche cohérente de l'étude de transistors en technologie GaN à la réalisation de circuits de type MMIC. Ces deux amplificateurs ont été conçus pour des objectifs biens précis : combiner puissance élevée et rendement PAE élevé et repousser les limites en termes de largeur de bande.
Author: Riad Kabouche
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La technologie Nitrure de Gallium s'impose actuellement comme le candidat idéal pour les applications de forte Puissance en gamme d'ondes millimétriques. Les caractéristiques de ce matériau le prédisposent à un fonctionnement à haute tension sans sacrifier la montée en fréquence, illustrées par son champ de claquage et sa vitesse de saturation des électrons élevés. Ces travaux de recherche s'inscrivent, dans un premier temps, dans le développement d'un banc de mesures permettant la caractérisation « grand signal », dite LoadPull dans la bande Ka et Q, en mode continu et impulsionnel de cette technologie émergente. En effet, la forte densité de puissance qu'est capable de générer la technologie GaN a rendu le développement de ce banc indispensable et relativement unique. Par ailleurs, cette étude s'est focalisée, dans la caractérisation de plusieurs filières innovantes qui ont mis en évidence des performances à l'état de l'art, avec un rendement en puissance ajoutée PAE de 46.3% associée à une densité de puissance de 4.5W/mm obtenue pour une fréquence d'opération de 40 GHz en mode continu. Enfin, ces travaux de thèse ont permis de générer la conception et la réalisation de deux amplificateurs de puissance en technologie GaN sur substrat silicium (basée sur la filière industrielle OMMIC) en bande Ka, représentant la finalité d'une démarche cohérente de l'étude de transistors en technologie GaN à la réalisation de circuits de type MMIC. Ces deux amplificateurs ont été conçus pour des objectifs biens précis : combiner puissance élevée et rendement PAE élevé et repousser les limites en termes de largeur de bande.
Author: Romain Pecheux
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Du fait des propriétés exceptionnelles du Nitrure de Gallium (GaN), les transistors HEMTs à base de GaN sont des candidats prometteurs pour les applications de puissance fonctionnant en gamme d'onde millimétrique. Cette technologie émergente est particulièrement attractive pour les senseurs aéroportés développés par Thales et pourrait, à terme, remplacer les amplificateurs à tube employés jusque-là. Cependant, des problèmes inhérents à cette filière de composants subsistent, requérant l'optimisation de cette technologie notamment dans le cadre de la réduction des dimensions des transistors pour la montée en fréquence. Outre les performances RF en puissance, la stabilité impulsion à impulsion (P2P) est une figure de mérite clé des senseurs aéroportés. La détection et la précision des paramètres d'une cible dépendent de cette stabilité. Mes travaux de thèse consistaient à développer un banc de mesure fonctionnant en bande Ku et permettant d'extraire sous pointe la stabilité impulsion à impulsion de transistors GaN. En lien avec ce banc, une procédure de mesures transitoires en puissance et en courant a également été mise en place. J'ai pu étudier, dans le contexte des senseurs aéroportés, trois filières de composants industrielles provenant de la compagnie UMS incluant la filière qualifiée dénommée GH25 (grille de 250nm), la filière GH15 (grille de 150nm) en cours de qualification et la filière GH10 (grille de 100nm) en cours de développement. La technologie GaN 100nm étant encore en phase exploratoire au niveau mondial, nous avons également étudié de nouvelles structures dans le but d'améliorer les performances de ces composants de manière fiable tout en limitant les effets de pièges. J'ai ainsi pu montrer que l'hétérostructure AlN/GaN, avec une architecture d'épitaxie bien choisie, permet d'obtenir des transistors à grilles courtes fonctionnant à des tensions de drain élevées (30V) et délivrant de fortes densités de puissance (> 4W/mm) associées à de hauts rendements (PAE> 50%) à 40GHz.
Author: Gwenael Le Coustre
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Pages : 179
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L’utilisation de matériaux grand gap, et tout particulièrement l’emploi du nitrure de gallium est une solution pour la génération de puissance aux fréquences microondes. Les HEMTs réalisés à partir du matériau GaN présentent actuellement les meilleures performances mondiales pour la génération de puissance hyperfréquence. Cependant, les concepteurs ont besoin de connaître leurs limitations électriques : Plus précisément, ils ont besoin de connaître leurs caractéristiques électriques dans leurs zones de fonctionnement et d’en avoir des modèles mathématiques intégrables dans des outils de CAO. Dans une première partie, des caractérisations électriques ont été effectuées afin de déterminer l’impact des limitations physiques sur la génération de puissance : tension de claquage, pièges de drain et de grille, résistance thermique d’interface dans l’épitaxie ... Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception et la réalisation de premières maquettes ont été effectuées en bande S (3 GHz). Ces maquettes permettent une première caractérisation des composants de puissance de plusieurs millimètres de développement de grille réalisés au laboratoire. Ces caractérisations, pour des considérations de connexions mais également thermiques ne sont pas réalisables sous pointes. Ces mesures permettent également la détermination des impédances optimales en puissance et en rendement au plus près des composants afin de les connaitre avec précision. Ces impédances seront utilisées lors de la conception des amplificateurs de puissance présentée dans la dernière partie. Dans un premier temps, une analyse de l’impact des adaptations d’entrée et de sortie sur la largeur de bande d’adaptation a été réalisée. Une attention particulière a été consacrée à l’architecture de l’adaptation d’entrée. Dans un second temps, une présentation de la conception et de caractérisation d’amplificateurs de puissance de classes 25W et 100W en bande S est présentée. Des mesures de ces amplificateurs ont montré des puissances de sortie supérieures à 120W avec un rendement en puissance ajoutée et un gain en puissance associé respectivement de 40% et 22dB. Ces résultats en termes de puissance, de rendement et de température confortent la possibilité de réaliser des amplificateurs en bande-S pour des applications radars en technologie GaN.
Author: François Lecourt
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Pages : 243
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Les Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMTs) à base de GaN sont les composants les plus prometteurs pour des applications de puissance en gamme d’ondes micrométriques et millimétriques grâce à leurs très bonnes propriétés physiques comme leur grande largeur de bande interdite (3.4eV), induisant un champ de claquage élevé (>106 V/cm) mais également une vitesse de saturation des électrons élevée (>107 cm/s). Dans ce travail, nous avons étudié les effets de canaux courts pour des transistors réalisés sur des hétérostructures AlGaN/GaN et InAlN/GaN. Des grilles de longueur (Lg=75nm) ont été fabriquées permettant d’atteindre des fréquences de coupure du gain en courant et en puissance respectives de 113GHz et 200GHz. Ces performances sont à l’état de l’art de la filière InAlN/GaN sur substrat saphir. En ce qui concerne les hétérostructures AlGaN/GaN, les pièges liés aux états de surface ont été stabilisés grâce à une étape de passivation optimisée consistant en un prétraitement N20 et un dépôt de bicouche SiN/SiO2. Cette dernière a permis de limiter les chutes de courant du transistor en régime dynamique. A partir d’une topologie adaptée, des résultats de puissance hyperfréquence à 40GHz ont été obtenus. Une densité de puissance au niveau de l’art de 1.5W/mm a été mesurée sur un HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si(111). Pour une hétérostructure InAlN/GaN sur substrat saphir, les résultats de puissance hyperfréquence sont également à l’état de l’art de la filière avec une densité de puissance en sortie du transistor de 2W/mm et un rendement en puissance ajoutée de 13%.
Author: Idriss Abid
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Les semiconducteurs à large bande interdite tels que le GaN et SiC sont des matériaux de choix pour les applications de forte puissance. En effet, les propriétés du matériau GaN, notamment la haute densité et mobilité des électrons du gaz bidimensionnel des hétérostructures associées permettent de réaliser un excellent compromis entre la résistance à l'état passant (Ron) et la tension de claquage. De plus, les récents progrès en matière de croissance de GaN sur substrat silicium (111) laissent espérer l'intégration future de composants de forte puissance à bas coût avec des technologies matures de type CMOS. Afin de repousser davantage les limites des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) en GaN pour la conversion de puissance, l'un des défis est de repousser la tenue en tension de cette filière. Dans ce cadre, nous avons, tout d'abord, étudié électriquement les couches tampons (buffer) par décomposition de l'empilement. Plusieurs hétérostructures ont été analysées dont la croissance a été stoppée à différents stades. De cette manière, nous avons été en mesure d'évaluer séparément le processus de conduction et de claquage de la couche de nucléation d'AlN, du buffer AlGaN et de l'empilement des couches jusqu'à une couche GaN dopée carbone. Une seconde étude a permis de développer un buffer à base de super-réseaux (pairs AlN/GaN ultrafins). Afin de mettre en évidence les avantages obtenus avec ce type de buffer une comparaison des caractérisations électriques avec un buffer standard a été réalisée.Ensuite, nous avons développé une approche innovante basée sur l'introduction d'une couche épaisse d'AlN au sein de tranches gravées suivie d'un dépôt par électrolyse de cuivre épais en face arrière. Le matériau AlN constitue une barrière de potentiel après le dépôt de l'électrode métallique sur la face-arrière, étape indispensable dans les convertisseurs de puissance de type DC/DC par exemple. Après avoir vérifié le bénéfice de cette solution en terme de tension de claquage, nous avons analysé son impact sur les pièges et les contraintes mécaniques.Enfin, partant du principe que l'électronique à base de matériaux à grands gaps tels que le GaN et le SiC arrivent à maturité, les matériaux à ultra large bande interdite tels que l'AlN (6,2 eV) ou l'AlGaN riche en Al, pourraient permettre de repousser les limites en tension ou en température. En outre, l'utilisation d'un buffer AlN permettrait à la fois d'augmenter le confinement des électrons dans le canal du transistor mais aussi d'améliorer la dissipation thermique. Nous avons donc mené une étude préliminaire sur différentes configurations de transistors à base d'AlN et de canaux en AlGaN.
Author: Yannick Guhel
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Pages : 225
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La filière GaN connaît actuellement un essor remarquable. En effet, les structures de transistors à effet de champ à base de GaN offrent un énorme potentiel pour des applications de puissance et/ou à haute température. Cette étude avait pour objectif de réaliser des transistors à effet de champ de type HEMT AlGaN/GaN épitaxié sur un substrat de saphir. Nous rapportons dans ce mémoire les différentes étapes technologiques que nous avons développés. Ainsi, nous avons étudié divers procédés technologiques permettant de réaliser des contacts ohmiques, d'isoler les composants les uns des autres (isolation par implantation ionique, par gravure sèche et par gravure humide) et de réaliser des contacts Schottky. Nous avons montré que ces transistors peuvent fonctionner en régime statique, à l'air, jusqu'à 550 °C. Nous avons également mis en évidence que la présence de pièges électriques pouvait être responsable d'une réduction du courant de drain et par conséquent limiter les performances en puissance de ces transistors en hyperfréquence. Afin de limiter ce problème, nous avons étudié l'influence de la passivation précédée de divers traitements de surface. Cela nous a permis de réaliser des transistors HEMT délivrant une densité de puissance de 5W/mm à 4GHz, ce qui se révèle être proche de l'état de l'art mondial (6,6 W/mm à 6 GHz).
Author: Nicolas Herbecq
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Languages : fr
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Les transistors à haute mobilité électronique à base de Nitrure de Gallium sur substrat de silicium (GaN-sur-Si) sont des candidats prometteurs pour les futures générations de convertisseur de puissance. Aujourd'hui, plusieurs verrous techniques ralentissent la commercialisation de cette technologie au niveau industriel, en particulier pour les applications requérant de haute tension (≥ 600 V). Dans ce contexte, ces travaux constituent une contribution au développement de composants innovants à base de GaN-sur-Si fonctionnant au-delà de 1kV. Nous nous sommes principalement focalisés sur l'amélioration de la tenue en tension de ce type de transistors au travers du développement d'un procédé de gravure localisée du substrat en face arrière permettant de supprimer le phénomène de conduction parasite localisé entre les couches tampons et le substrat. Ce procédé ainsi que l'utilisation de structures d'épitaxie innovantes nous ont permis d'observer une amélioration drastique des performances électriques des transistors à haute tension. Nous avons pu notamment démontrer pour la première fois la possibilité de délivrer des tenues en tension de plus de 3 kV sur cette filière émergente. Ces résultats obtenus, supérieurs à l'état de l'art, laissent envisager l'utilisation des technologies GaN-sur-Si pour les moyennes et hautes gammes de tension (>1000V).
Author: Audrey Philippon-Martin
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Languages : fr
Pages : 203
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Ces travaux de recherche se rapportent à l’étude de transistors HEMTs en Nitrure de Gallium pour l’amplification de puissance micro-onde. Une étude des caractéristiques des matériaux grand gap et plus particulièrement du GaN est réalisée afin de mettre en exergue l’adéquation de leurs propriétés pour des applications de puissance hyperfréquence telle que l’amplification large bande. Dans ce contexte, des résultats de caractérisations et modélisations électriques de composants passifs et actifs sont présentés. Les composants passifs dédiés aux conceptions de circuits MMIC sont décrits et différentes méthodes d’optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique sont explicitées. Les modèles non linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions sont de même détaillés. Le fruit de ces travaux concerne la conception d’amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, l’un étant reportés en flip-chip sur un substrat d’AlN, le second en technologie MMIC. La version MMIC permet d’atteindre 6.3W sur la bande 4-18GHz à 2dB de compression. Ces résultats révèlent les fortes potentialités attendues des composants HEMTs GaN.
Author: Nicolas Thouvenin
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Languages : fr
Pages : 272
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Les nouveaux systèmes de télécommunication nécessitent des bandes de fréquence de plus en plus larges et de plus en plus élevées. La fonction de base de ces systèmes étant la transposition de fréquence, l'amélioration des performances des mélangeurs est un critère sans cesse recherché. Pour cela, l’utilisation de nouvelles technologies émergentes et prometteuses est envisagée. Liés à leurs performances en termes de fréquence et de puissance, les transistors GaN suscitent un intérêt pour des applications de mélange. La première partie de ce travail énonce le potentiel de la filière GaN pour des applications hyperfréquences. Les différentes caractéristiques et architectures sont décrites en se focalisant sur des topologies optimales concernant les mélangeurs à base de transistors FET utilisés par la suite. La suite de ce travail présente l’étude de la modélisation électrique des transistors HEMT. La technique de modélisation est tout d’abord présentée puis illustrée à l’aide de deux composants GaN et d’un composant GaAs. Après comparaison mesures/simulations, la modélisation est validée à l’aide de mesures grands signaux.La dernière partie présente les éléments externes aux transistors nécessaires pour la conception de circuits de mélange. A l’aide des techniques de caractérisation développées de mélangeur, l’ensemble des prototypes de mélangeurs « froid » et « chaud » à base de transistors GaN et GaAs ont été mesurés afin de mettre en évidence les potentialités des mélangeurs GaN pour différentes architectures et d’en déterminer les performances face à des circuits de topologie identique à base de transistor GaAs.
Author: Matthieu Werquin
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Languages : fr
Pages : 267
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Book Description
Le développement des systèmes modernes requière la conception d'amplificateurs de puissances aux performances croissantes afin de répondre aux demandes toujours plus exigeantes du marché. Les matériaux à base de nitrure permettent d'améliorer les performances en puissance hyperfréquences de ces dispositifs. Les travaux réalisés dans ce mémoire portent sur l'étude des caractéristiques expérimentales et de la modélisation des transistors HEMT à base de GaN en vue de leur utilisation dans ces dispositifs. La première partie de ce travail situe la filière nitrure de gallium dans le contexte actuel du marché des hyperfréquences. Les paramètres de cette filière sont comparés aux filières usuelles et par rapport aux besoins des applications hyperfréquences afin de prouver le potentiel du GaN pour ces applications. La suite de ce travail présente l'étude des caractéristiques expérimentales des composants de la filière nitrure de gallium. Plusieurs composants représentatifs sont sélectionnés et leurs caractéristiques théoriques et expérimentales sont comparées et analysées. Cette comparaison met en évidence d'une part le fort potentiel du GaN pour les applications de puissance hyperfréquences et d'autre part les limitations qui y sont encore associées. Différentes techniques de caractérisation ont été développées et appliquées afin de comprendre l'origine de ces limitations. La dernière partie présente la modélisation que nous avons développés pour les transistors à base de GaN. Dans un premier temps l'évolution du schéma équivalent linéaire, adaptée à ces composants est présenté. Les différentes procédures de mesure et d'extraction de ce modèle sont discutées et validées. Dans un deuxième temps, la détermination d'un modèle non linéaire a été entreprise. Différents modèles sont développés et appliqués aux composants nitrures. Ceux-ci sont ensuite validés par la comparaison systématiques avec les mesures en régime statiques, petit et grand signal.
