Développement et étude de composants RF-LDMOS pour l’amplification micro-onde de puissance au-delà de 2 GHz

Development and study of RF-LDMOS devices for microwave power amplification beyond 2 GHz

• Auteur / Autrice : David Fournier
• Direction : Christophe Gaquière, Pascal Chevalier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-Nanotechnologie, Acoustique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 25/06/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs de puissance

Technologie silicium sur isolant

MOS (électronique)

Mots clés libres

Transistors LDMOS

Transistors à grille métallique

Résumé

Le marché des amplificateurs de puissance pour les combinés téléphoniques portables est actuellement dominé par les semi-conducteurs III-V, les transistors HBT et PHEMT GaAs étant utilisés dans les amplificateurs de puissances et les commutateurs d’antennes respectivement. Cette situation est cependant en train d’évoluer puisque des technologies silicium sur isolant (SOI, Silicon-On-Insulator) intégrant à la fois l’amplificateur de puissance (avec des transistors LDMOS) et les commutateurs d’antennes (avec des transistors CMOS ou des MEMS) sont en cours de qualification. Toutefois, les performances de ces transistors à grille polysilicium, intégrés aux technologies CMOS, limitent leur utilisation à des fréquences de travail inférieures à 2 GHz. L’objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est d’étendre le domaine d’applications des transistors LDMOS aux réseaux de communication sans fil fonctionnant dans une gamme de fréquences de 3 à 5 GHz. Dans cette perspective, une première étude sur différents substrats SOI et massifs a permis de conclure que les substrats de type SOI mince pénalisent les performances des composants LDMOS, notamment à cause de l’effet d’auto-échauffement qui est plus important. Une seconde étude axée sur la structure même du composant indique qu’une modification du contact de grille permet d’augmenter de façon significative les performances en petit signal mais l’amélioration des performances grand signal est plus modérée. Enfin, une étude plus amont qui vise à remplacer le polysilicium des grilles par un métal a montré que la co-intégration de transistors CMOS classiques avec des transistors LDMOS à grille métallique est possible.

The power amplifier market for mobile phone handsets is currently dominated by III-V semiconductors, the PHEMT and HBT GaAs transistors being used for the power amplifiers and the antenna switches respectively. However, this situation is evolving with the release of Silicon-On-Insulator (SOI) technologies which allow the integration of both the power amplifier (with LDMOS transistors) and the antennae switches (with CMOS transistors or MEMS). The performances of the polysilicon gate LDMOS transistors, integrated in CMOS technologies, limits however the operatinq frequency of the power amplifiers to below 2 GHz. The aim of the thesis work presented in this manuscript is to extend the applications of LDMOS transistors to the wireless communication networks operating in the 3 to 5 GHz frequency range. In this perspective, an initial study on different SOI and bulk substrates concluded that thin SOI substrates penalize the performances of RF LDMOS transistors mainly because of the increase of the self-heating effect. A second study focused on the transistor layout shows that a change in the gate contact scheme can significantly increase the small signal performances but the improvement of the large signal performances is more moderate. Finally, a more advanced study which aims to replace polysilicon gates by metal exhibited that the co-integration of conventional CMOS transistors with metal-gate LDMOS transistors is possible.