Contribution à l'optimisation de transistors à effet de champ MESFET à base de carbure de silicium 4H pour applications en amplification de puissance RF/hyperfréquence PDF Download
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Author: Alexandre Kerlain Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 8
Book Description
L'avènement de substrats de haute pureté nous a permis de réaliser les premiers composant performants et stables, sans dérive observable, au moins sur plusieurs dizaines d'heures d'amplification en régime nominal à pleine excitation. En particulier, une puissance de 50W a été obtenue à 500MHz sur un développement de 19,2mm (2.6 W/mm), avec une tension de polarisation de 70 V. La disparition des instabilités liés aux substrats nous a permis d'aborder la problématique de la passivation de ces composants, et de percevoir de manière anticipée l'acuité de ce problème fondamental pour la mise au point de transistors latéraux stables fonctionnant à haute tension. Les phénomènes de charge de l'isolant de passivation représentent actuellement l'une des limitations fondamentales de la fiabilité de ce type de composant. L'élimination de ces effets constitue une des clefs principales du développement et de l'industrialisation de la prochaine génération de transistors hyperfréquence de puissance.
Author: Alexandre Kerlain Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 8
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L'avènement de substrats de haute pureté nous a permis de réaliser les premiers composant performants et stables, sans dérive observable, au moins sur plusieurs dizaines d'heures d'amplification en régime nominal à pleine excitation. En particulier, une puissance de 50W a été obtenue à 500MHz sur un développement de 19,2mm (2.6 W/mm), avec une tension de polarisation de 70 V. La disparition des instabilités liés aux substrats nous a permis d'aborder la problématique de la passivation de ces composants, et de percevoir de manière anticipée l'acuité de ce problème fondamental pour la mise au point de transistors latéraux stables fonctionnant à haute tension. Les phénomènes de charge de l'isolant de passivation représentent actuellement l'une des limitations fondamentales de la fiabilité de ce type de composant. L'élimination de ces effets constitue une des clefs principales du développement et de l'industrialisation de la prochaine génération de transistors hyperfréquence de puissance.
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LE CARBURE DE SILICIUM (SIC) EST UN MATERIAU A LARGE BANDE INTERDITE COMBINANT UNE VITESSE DE SATURATION DES ELECTRONS ELEVEE, UN FORT CHAMP DE CLAQUAGE, UNE TRES BONNE CONDUCTIVITE THERMIQUE ET DE NOMBREUSES PROPRIETES SPECIFIQUES QUI EN FONT UN CANDIDAT DE CHOIX POUR REPOUSSER LES LIMITES DU SILICIUM (SI) ET DE L'ARSENIURE DE GALLIUM (ASGA), DANS LES DOMAINES DE LA PUISSANCE, DES HAUTES TEMPERATURES ET DES HAUTES FREQUENCES. CE TRAVAIL PRESENTE LA CARACTERISATION ET LA MODELISATION DE DISPOSITIFS SIC DEDIES EN PARTICULIER AUX APPLICATIONS HYPERFREQUENCES DE PUISSANCE. LES AVANTAGES DU SIC POUR CE TYPE D'APPLICATIONS SONT DETAILLES DANS LE PREMIER CHAPITRE. LA DESCRIPTION DES PRINCIPES DE MESURE EN HAUTE FREQUENCE EST AUSSI PRESENTEE. DANS LE SECOND CHAPITRE, NOUS AVONS CARACTERISE DES LIGNES DE TRANSMISSION COPLANAIRES REALISEES SUR DES SUBSTRATS SIC DE RESISTIVITES DIFFERENTES ET ANALYSE LES DIFFERENTS MODES DE PROPAGATION PRESENTS DANS CHAQUE STRUCTURE. LE TROISIEME CHAPITRE EST CONSACRE A L'ETUDE STATIQUE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ET A CONTACT SCHOTTKY (MESFET). L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES DES TRANSISTORS EST ANALYSEE. LE CHAPITRE IV CONCERNE PARTICULIEREMENT LES PERFORMANCES DES MESFET DANS LA GAMME 45 MHZ-18 GHZ. LA MODELISATION PETIT SIGNAL DE CES COMPOSANTS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES EFFETS D'AUTOECHAUFFEMENT SUR LES PERFORMANCES HYPERFREQUENCES. DANS LE DERNIER CHAPITRE, UNE ETUDE EN BRUIT BASSE FREQUENCE (
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L'OBJET DE CETTE ETUDE EST L'OPTIMISATION DE LA GEOMETRIE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP A GRILLE SCHOTTKY (MESFET), POUR UNE AMPLIFICATION HYPERFREQUENCE EN CLASSE A. NOTRE OBJECTIF INITIAL, SOIT UNE PUISSANCE DE SORTIE DE 0,5 W/MM A 18 GHZ AVEC UN GAIN ASSOCIE SUPERIEUR A 10 DB, A ETE ATTEINT EN PROPOSANT UNE STRUCTURE DE GRILLE ENTERREE A ZONES D'ACCES SOURCE ET DRAIN DIFFERENCIEES. LA DEMARCHE QUI NOUS A CONDUIT A CE RESULTAT, CONSISTE, D'UNE PART A RECHERCHER LE MEILLEUR COMPROMIS POSSIBLE ENTRE UN COURANT DRAIN SOURCE MAXIMAL DISPONIBLE ELEVE, ET UNE FORTE TENSION DE CLAQUAGE GRILLE-DRAIN, ET D'AUTRE PART A MINIMISER LES ELEMENTS PARASITES AU DISPOSITIF INTRINSEQUE, AFIN D'OBTENIR UNE FREQUENCE MAXIMALE D'OSCILLATION ELEVEE. AFIN DE DETERMINER LA CONTRIBUTION DES ELEMENTS EXTRINSEQUES (RESISTANCES ET CAPACITES), NOUS AVONS TOUT D'ABORD ETUDIE DIFFERENTES STRUCTURES DE GRILLE ENTERREES SYMETRIQUES, EN BASANT NOTRE APPROCHE SUR LA DETERMINATION DE LA GEOMETRIE DE LA ZONE ACTIVE DE TRANSISTORS EFFECTIVEMENT REALISES, A L'AIDE D'UNE MICROSECTION TRANSVERSALE DE CEUX-CI. NOUS AVONS ALORS DETERMINE LES ELEMENTS DU SCHEMA PETIT SIGNAL DU TRANSISTOR INTRINSEQUE A L'AIDE D'UNE SIMULATION PARTICULAIRE MONTE-CARLO, PUIS LES ELEMENTS EXTRINSEQUES A L'AIDE DE CALCULS ALGORITHMIQUES. CES RESULTATS ONT ALORS ETE COMPARES AUX RESULTATS DE MESURES HYPERFREQUENCES. CETTE ETUDE NOUS A PERMIS DE DETERMINER UN OPTIMUM POUR UNE TOPOLOGIE SYMETRIQUE (0,5 W/MM AVEC UN GAIN DE 10 DB). AFIN D'AMELIORER CES PERFORMANCES, UNE STRUCTURE DISSYMETRIQUE ETAIT ALORS NECESSAIRE. LA TECHNOLOGIE A DOUBLE USINAGE DISSYMETRIQUE PROPOSEE NOUS PERMET D'OBTENIR UNE TENSION DE CLAQUAGE GRILLE-DRAIN ELEVEE (>30 V), AINSI QU'UN RENDEMENT AJOUTE PRES DE DEUX FOIS SUPERIEUR A CELUI DES MESFET A SIMPLE USINAGE SYMETRIQUE (42% CONTRE 26%). CETTE TOPOLOGIE PARAIT EGALEMENT PARTICULIEREMENT ADAPTEE A L'AMELIORATION DU RAPPORT D'ASPECT DES DISPOSITIFS, ET A UNE UTILISATION DANS UNE CHAINE D'AMPLIFICATION INTEGREE
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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 transistor à effet de champ à gaz bidimensionnel d'électrons (TEGFET) a montré une meilleure montée en fréquence que le transistor MESFET. Cependant, ses performances en puissance étaient soumises à des limitations physiques profondes. C'est ce problème qui a fait l'objet de ce travail. Une première étude théorique et expérimentale de la tension de claquage a permis d'en expliquer l'origine et d'aboutir à une structure spéciale ayant une bonne tenue en claquage. Ensuite une étude plus générale nous a permis par l'utilisation de TEGFET multicouches optimaux d'aboutir à des performances intéressantes de puissance. La suite du travail a concerné les corrélations entre les paramètres technologiques et électriques avec les performances de puissance. Enfin, l'étude a été complétée par une investigation des problèmes relatifs à la résistance de source et à l'impédance de sortie. Nous avons mis ainsi en évidence un des problèmes essentiels posés par le comportement des transistors à effet de champs millimétriques de puissance.
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Les amplificateurs de puissance RF réalisés à partir de composants issus des technologies III-V sont actuellement les plus performants du fait de leurs propriétés physique intrinsèques. Malgré cela ces technologies ne répondent pas complètement aux exigences du marché de la radiotéléphonie mobile en terme de coût de revient. Pour répondre à ce besoin de nouvelles générations de transistors MOS de puissance sur silicium tels que les LDMOS sont apparues. Ces composants ont l’avantage d’être réalisés dans des filières matures et offrent des performances très honorables à des coûts beaucoup plus bas, ce qui est un atout majeur dans le contexte actuel où le marché du téléphone cellulaire est très sensible au prix des composants. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une réflexion sur les potentialités d’un transistor LDMOS intégré en technologie BiCMOS 0.25 μm et sur l’optimisation de ses performances pour une application dans des circuits de type amplificateurs de puissance intégrés sur silicium. Les mécanismes de fonctionnement du composant LDMOS et les principales raisons de l’émergence du transistor LDMOS devant celle du MOSFET pour des applications radiofréquences sont présentés. Le travail décrit par la suite s’articule autour de la réalisation du composant LDMOS pour l’amplification de puissance et de son optimisation. Dans un premier temps les paramètres technologiques qui sont nécessaires à l’obtention d’un composant respectant les caractéristiques de sortie fixées par le cahier des charges de l’application sont déterminés. Une analyse a ensuite permis d’identifier les paramètres intrinsèques et extrinsèques du composant susceptibles d’améliorer ses performances dynamiques. Pour cela l’effet des modifications d’architecture, de dessin ainsi que du procédé de fabrication du LDMOS sur les caractéristiques dynamiques ont été étudiées et ont abouti à des résultats prometteurs. En effet les performances du transistor LDMOS optimisé atteignent l’état de l’art.
Author: Ali Soltani Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ce manuscrit constitue un document de synthèse des travaux de recherche visant essentiellement au développement de composants électroniques pour la réalisation de de dispositifs fonctionnant de quelques mégaHertz au téraHertz mais aussi de capteurs à base de matériaux semiconducteurs nitrures à large bande interdite et de diamant. Mes activités de recherche sont en partie orientées vers la technologie des composants, la physique des semiconducteurs ainsi que les procédés matériaux. Une grande part est consacrée au transistor à effet de champ HEMT (Al,In)GaN/GaN/Si pour des applications en amplification de puissance hyperfréquence mais aussi aux transistors tout diamant à dopage delta. Une autre thématique traite de nano-composants quantiques dans la filière des matériaux semiconducteurs AlN/GaN afin d'en étudier le comportement électrique comme les diodes à effet tunnel résonant. Enfin, deux autres filières de capteurs à base de matériaux à large bande interdite (B,Al,Ga)N ont été développées pour répondre aux besoins des industriels : les photodétecteurs X-UV et les dispositifs à ondes élastiques de surface. Chacune de ces études a permis de mettre en évidence les paramètres clés nessaires pour la réalisation du concept jusqu'à leur réalisation technologique en salle blanche.
Author: Alexandre Kerlain
Author: Alexandre Kerlain
Author: Anne-Sophie Royet
Author: Christophe Gaquière
Author: FRANCOIS.. MURGADELLA
Author: Bertrand Boudart
Author: Jean-Claude Gerbedoen
Author: Farid Temçamani
Author: Dorothée Muller
Author: Ali Soltani