Études théoriques et expérimentales de transistors HEMT's de la filière nitrure de gallium pour les applications de puissance hyperfréquences PDF Download
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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.
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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.
Author: Nicolas Vellas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 347
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Depuis cinq ans environ, l'institut s'est investi dans la réalisation de transistors HFET de puissance basés sur une hétérostructure AIGaN/GaN afin de concevoir des amplificateurs de forte puissance fonctionnant en bande S ainsi qu'en bande X. L'objectif de ces travaux était d'apporter un ensemble de méthodes de caractérisation afin d'expliquer le comportement des transistors GaN et d'identifier les différents problèmes liés à l'immaturité de cette technologie. Nous présentons, dans ce mémoire, les propriétés physiques du nitrure de gallium hexagonal et nous proposons un modèle Schrödinger-Poisson incluant les propriétés pyroélectrique et piézoélectrique du GaN afin de simuler la densité de porteurs à l'interface d'une hétérostructure AlGaN/GaN. L'influence de la contrainte résiduelle de la couche tampon de GaN sur la densité de porteurs est abordée. L'ensemble des structures étudiées durant ces travaux a été simulé et les résultats obtenus ont été comparés à ceux issus des mesures post et pré fabrication des transistors. La physique du Schottky est ensuite abordée, et nous montrons par des mesures C(V), que malgré son aspect ionique, le GaN présente un ancrage du niveau de Fermi. L'étude en direct des diodes grille-source et grille-drain a montré que l'etfet tunnel assisté par des défauts est le phénomène de conduction prépondérant dans ces diodes Schottky. Cet effet, lié aux états de surface, est responsable des forts coefficients d'idéalité mesurés. L'étude statique des transistors en régimes continu et pulsé a montré la présence de pièges électriques et leurs influences sur le courant de drain. Nous expliquons le concept de la grille virtuelle, l'influence de centres profonds dans la barrière et l'impact de l'injection de porteurs chauds dans le buffer. Nous présentons les résultats de puissance obtenus à 4 GHz et nous montrons que la plupart des transistors présentent un écart important entre les résultats attendus et expérimentaux. Le système de mesure grand signal développé a pennis de montrer que le courant de drain maximum à 4 GHz s'écroule lorsque l'impédance de charge augmente. Nous avons attribué cet effet à l'accumulation d'électrons en surface dans l'espace grille-drain qui favorise la formation d'une grille virtuelle provoquant la désertion du canal. Enfin, les résultats d'intennodulation biton présentés montrent que les transistors HFET à base de GaN ont un comportement plus linéaire que ceux issus des technologies GaAs.
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Les semiconducteurs basés sur les nitrures III - N à large bande interdite présentent un intérêt croissant pour la recherche et le monde industriel. Parmi eux, les composants de puissance à base de nitrure de gallium constituent un domaine de recherche majeur de l'électronique à l'état solide pour les applications hyperfréquences. Les travaux décrits dans cette thèse correspondent à la conception et à la réalisation de transistors de puissance à haute mobilité pour l'amplification en bandes X et Ku (8-18 GHz). L'évolution continue des hétérostructures demande de constantes rétroactions avec le procédé technologique. Dans ce but, l'approche utilisée a consisté au développement et à l'optimisation des briques technologiques de base, associée à l'analyse physique indispensable à l'optimisation des choix technologiques. Une étude fine des contacts ohmique et Schottky a été entreprise. Une optimisation des conditions de réalisation des fossés de grille, du contact ohmique, des métallisations, du prétraitement de surface et de la nature du diélectrique de passivation a été nécessaire. L'ajout d'une électrode de champ a été étudiée afin d'améliorer davantage la tenue en tension des composants et minimiser l'impact des pièges de surface. Dans ce cadre, nous avons conçu et développé différentes topologies de plaque de champ. Plusieurs diélectriques innovants comme le nitrure de bore ont été testés afin d'établir les potentialités de ces transistors HEMTs à grille isolée. L'ensemble de cette technologie optimisée a été appliquée sur une couche HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si (001) et a permis d'établir un état de l'art en puissance à 10GHz pour cette nouvelle filière bas coût.
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Le travail de thèse consiste à étudier des composants de la filière nitrure de gallium à partir d’études électriques et d’un modèle physico-thermique. Les dispositifs de cette filière sont très prometteurs pour des applications de puissance en hyperfréquence. Cependant, leurs performances électriques sont limitées par deux causes principales : La première cause est liée à la réalisation des contacts. Dans ce travail, nous avons étudié des contacts Schottky TiN sur hétérostructures AlGaN/GaN sur substrats Si (111) réalisés par pulvérisation magnétron. Une analyse détaillée des paramètres obtenus, tels que la hauteur de barrière, le coefficient d’idéalité et le courant de fuite en polarisation inverse, permet d’optimiser la topologie et le procédé technologique, tels que la température et la durée de recuit, la passivation et le prétraitement de surface. La théorie relative aux mécanismes de conduction à travers le contact est aussi rappelée, montrant que l’effet tunnel assisté par champ électrique et le courant limité par charge d’espace sont les mécanismes dominants. La seconde cause est liée à l’effet d’auto-échauffement important dans les composants de la filière GaN compte tenu des fortes puissances dissipées, ce qui dégrade leurs performances électriques ainsi que la fiabilité. Dans ce cadre, un modèle physico-thermique basé sur le couplage d’un modèle énergie-balance avec un modèle thermique a été développé. Ce modèle prend en compte la température de réseau en tout point du composant et décrit bien les performances électriques et thermiques des composants de cette filière. Grâce au modèle développé, nous avons d’abord analysé les hétérostructures AlGaN/GaN et InAlN/GaN sur différents substrats à partir de structures TLM, afin d’évaluer leurs performances électriques et thermiques, et ainsi d’optimiser le choix des substrats. Nous avons également étudié les diodes Gunn de la filière GaN avec différentes topologies, ce qui a permis d’optimiser une structure en termes de fréquence d’oscillations et de conversion de puissance, en prenant en compte les effets thermiques. Après une comparaison entre les résultats de simulation et ceux mesurés, il s’avère que le modèle physico-thermique est un outil de prédiction précis et fiable, extrêmement utile pour les technologues et qui permet en outre une meilleure compréhension des phénomènes physiques observés.
Author: Philippe Altuntas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de nitrure de gallium constituent une filière prometteuse pour l'amplification de puissance hyperfréquence pour les applications en bande millimétrique. Les propriétés remarquables du GaN, tels que le champ de claquage , la vitesse de saturation et la densité des électrons élevés sont à l'origine des performances exceptionnelles obtenues avec les dispositifs à base de GaN. Les travaux de thèse ont été réalisés au sein du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l'IEMN. Ce travail relate la fabrication et la caractérisation de dispositifs de type HEMT de la filière GaN pour des applications de puissance hyperfréquence. La première partie de ce travail expose les phénomènes physiques mis en jeu dans les hétérostructures à base de GaN. La suite porte sur l'optimisation des procédés technologiques ayant comme point de mire la montée en fréquence ainsi qu'en puissance hyperfréquence. Un travail a été mené en vue de la réduction de la longueur du pied de grille permettant d'atteindre des longueurs minimales de l'ordre de 60nm. De plus, des analyses sont effectuées afin d'étudier les principales limitations inhérentes aux composants HEMTs. Le dernier chapitre présente l'ensemble des caractérisations en régimes statique et hyperfréquence sur des structures HEMTs fabriquées dans le cadre de ce travail. Il en ressort notamment un résultat en terme de densité de puissance à 40GHz, à ce jour à l'état de l'art, relatif à un HEMT de topologie 2x50x0.075μm2. Celui-ci ayant permis d'obtenir une densité de puissance de 2.7W/mm associée à un gain linéaire de 6.5dB et un rendement en puissance ajoutée de 12.5%.
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Les composants HEMTs (High Electron Mobility Transistors) à base d'AlGaN/GaN sont à ce jour les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance, dû essentiellement à leur forte densité de porteurs et des mobilités électroniques élevées. Cependant, la température générée en condition réelle est un paramètre capital à mesurer, afin d'estimer précisément la fiabilité des composants et leur durée de vie. Pour ces raisons, nous avons comparé les méthodes de caractérisation thermique par thermoréflectance et par spectroscopie Raman car elles sont non destructives et avec une résolution spatiale submicronique. Ces techniques ont déjà prouvé leur faisabilité pour la caractérisation thermique des transistors, en modes de fonctionnement continu et pulsé. Nous comparons dans cette étude leurs adaptabilité et performance dans le cadre de la réalisation d'un banc d'essai thermique dédié. Ces méthodes sont reconnues pour ne caractériser que certaines catégories de matériaux : les métaux pour la thermoréflectance et les semiconducteurs pour la spectroscopie Raman, ce qui nous a conduit à l'éventualité de les combiner. Nous avons confronté des résultats obtenus par thermoréflectance à partir des équipements de deux fabricants commercialisant cette méthode, nous permettant ainsi de mettre en évidence des résultats originaux sur des aspects et inconvénients qui ne sont pas relayés dans la littérature. Avec la spectroscopie Raman, nous avons identifié les paramètres de métrologie qui permettent de réaliser un protocole de mesure thermique le plus répétable possible, et nous présentons également une technique innovante pour sonder les matériaux en surface, à l'aide du même équipement, et notamment les métaux.
Author: Nicolas Thouvenin Publisher: ISBN: Category : 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.
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Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de transistors HEMTs de la filière AIGaN/GaN. Le but est d'optimiser la technologie du composant afin d'exploiter les potentialités en termes de puissance hyperfréquence offertes par la filière nitrure. Le premier chapitre passe en revue les différentes filières de transistors de puissance, puis les propriétés physiques du GaN et les techniques d'élaboration du matériau sur différents substrats. Nous discutons des effets liés à l' autoéchauffement ou aux pièges, qu'il convient de minimiser pour améliorer les performances des transistors HEMTs. Enfin, un état de l'art des performances actuelles est présenté. Le deuxième chapitre présente les étapes technologiques du composant ainsi que leurs optimisations nécessaires à l'amélioration des performances des transistors, telles que les contacts ohmiques et les traitements de surface.
Author: Sandra de Meyer Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 217
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Ces travaux se rapportent à l'étude de transistors HEMTs GaN pour l'amplification de puissance hyperfréquence. L'analyse des caractéristiques des matériaux grand gap, et plus précisément du GaN, est réalisée afin de mettre en évidence leur intérêt pour des applications d'amplification de puissance large bande. Des résultats de caractérisation et modélisation électrique de composants sont présentés. Par la suite, la méthode de modélisation hybride de composant est exposée et mise en œuvre sur différentes topologies et montages de HEMTs GaN. La finalité de ces travaux concerne la conception d'amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, reportés en flip-chip sur un substrat d'AlN. Il s'agit d'un premier pas vers le MMIC GaN étant donné que des capacités et résistances sont intégrées sur la puce de GaN. L'une des versions permet d'atteindre 10W sur la bande 4-18GHz avec une PAE associée de 20% à 2dB de compression
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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: Matthieu Werquin
Author: Matthieu Werquin
Author: Nicolas Vellas
Author: Jean-Claude Gerbedoen
Author: Xiao Tang
Author: Philippe Altuntas
Author: Guillaume Brocero
Author: Nicolas Thouvenin
Author: Salim Touati
Author: Sandra de Meyer
Author: Audrey Philippon-Martin