Diode Schottky GaN pour la génération THz

GaN Schottky diodes for THz generation

• Auteur / Autrice : Giuseppe Di Gioia
• Direction : Mohammed Zaknoune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Ducournau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Roelens, Tiphaine Cerba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Driad, Frédéric Aniel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Tension de rupture

Rayonnement terahertz

Nitrure de gallium

Diodes à barrière de Schottky

Mots clés libres

Multiplicateur de fréquence

GaN

Schottky diode

THz generation

Résumé

La science térahertz a de nombreux domaines d'applications, tels que l'astronomie, la sécurité, l'analyse biomédicale et les télécommunications sans fil. Cependant, l'application de la technologie THz a été entravée par le manque de sources térahertz adaptées, fiables, compactes et rentables. Bien qu'il existe de nombreuses façons de générer un signal aux fréquences THz, bon nombre de ces sources souffrent de plusieurs inconvénients et limitations, tels qu'une puissance de sortie limitée, le besoin de températures cryogéniques pour fonctionner, une taille excessive, une complexité et un coût prohibitif. Parmi les sources THz actuelles, un type de technologie à semi-conducteurs se distingue : le multiplicateur de fréquence. L'état de l'art actuel de la technologie des multiplicateurs de fréquence est détenu par les multiplicateurs de fréquence à diodes GaAs Schottky. Il s'agit d'une technologie bien connue, qui a été utilisée avec succès, mais comme les exigences de fréquence de sortie deviennent de plus en plus élevées, elle est face, à présent, à un goulot d'étranglement dû aux limitations physiques intrinsèques du GaAs en termes de tension de claquage et de conductivité thermique, qui affectent la puissance de sortie du multiplicateur de fréquence. Le GaN, grâce à son champ de claquage plus élevé et à sa conductivité thermique plus élevée, peut en théorie offrir des capacités de tenu à la puissance de pompe plus élevées pour les multiplicateurs de fréquence par rapport au GaAs. Ces capacités peuvent conduire à des conceptions simplifiées de multiplicateurs de fréquence, par rapport à l'état de l'art des multiplicateurs de fréquence GaAs. En théorie, huit diodes GaAs sont nécessaires pour un doubleur de 200 GHz avec une puissance d'entrée de 150 mW, tandis qu'une diode GaN avec une surface d'anode similaire est capable de gérer cette puissance de pompe en entrée.Dans cette thèse, des diodes GaN Schottky quasi-verticales sont fabriquées et caractérisées, afin d'étudier leurs paramètres et performances pour des applications de multiplication de fréquence. Le procédé de fabrication est réalisé sur trois types différents d'épitaxie GaN : GaN sur saphir, GaN sur Si et GaN sur SiC. Les diodes sont fabriquées avec une structure en pont d'air pour réduire les composants parasites à haute fréquence.

Terahertz science has many areas of applications, such as astronomy, security, biomedical analysis, and wireless telecommunication. However, the application of THz technology has been hindered by the lack of suitable, reliable, compact, and cost-effective terahertz sources. Although there are numerous ways to generate power at THz frequencies, many of these sources suffer from several drawbacks and limitations, such as limited output power, the need for cryogenic temperatures to work, excessive size, complexity, and prohibitive cost. Among the current THz sources, one type of solid-state technology stands out: frequency multiplier. The current state of the art of frequency multiplier technology is represented by GaAs Schottky diode frequency multipliers. This is a well-known technology, which has been employed with success, but as the requirements for the output frequency become more and more high, it has reached a bottleneck, represented by the intrinsic physical limitations of GaAs in terms breakdown voltage and thermal conductivity, which affect the power-handling capabilities of the frequency multiplier. GaN, thanks to its higher breakdown field and higher thermal conductivity, can yield, in theory, higher power handling capabilities for frequency multipliers, compared to GaAs. These enhanced power handling capabilities can lead to simplified designs of frequency multipliers, compared to the state of the art of GaAs frequency multipliers. In theory, eight GaAs diodes are required for a 200 GHz doubler with input power of 150 mW, while one GaN diode with similar anode area is capable of handling this input power.In this thesis, quasi-vertical GaN Schottky diodes are fabricated and characterized, in order to investigate their parameters and performances for frequency multiplication applications. The fabrication process is carried out on three different types of GaN epitaxy: GaN on sapphire, GaN on Si, and GaN on SiC. The diodes are fabricated with air-bridge structure to reduce the parasitic components at high frequency.