Thèse soutenue

Conception et réalisation de transistors de puissance à base du GaN jusqu’en bande W
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Auteur / Autrice : Kathia Harrouche
Direction : Farid Medjdoub
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
Date : Soutenance le 16/12/2021
Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Jury : Président / Présidente : Katir Ziouche
Examinateurs / Examinatrices : Chloé Bouexiere, Didier Floriot
Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Malbert, Olivier Latry

Résumé

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Au cours des dernières décennies, des progrès remarquables ont été réalisés sur les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs GaN) destinés aux applications d’amplification et de commutation de puissance à haute fréquence. Actuellement, les HEMTs GaN les plus matures sont basés sur des hétérostructures AlGaN/GaN. Plus récemment, les hétérostructures à barrières ultrafines (<10 nm) (In)(Ga)AlN/GaN riches en Al ont également présentées beaucoup d’intérêt pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. En effet, contrairement aux structures AlGaN/GaN, les barrières ultrafines riches en Al peuvent fournir une densité d’électrons (2DEG) deux fois plus élevée tout en offrant un rapport d’aspect important (longueur de grille / distance grille-canal) y compris avec des grilles très courtes inferieures à 100 nm. Par conséquent, les HEMTs GaN à barrière ultrafine riche en Al permettent de fonctionner à une fréquence plus élevée de manière robuste. Dans ce contexte, plusieurs groupes de recherche ont démontré une combinaison unique de puissance plus élevée et une bande passante plus large jusqu’à 100 GHz par l’utilisation de transistors GaN par rapport aux autres technologies (GaAs ou silicium). Cependant, la plupart des applications nécessitent des amplificateurs de puissance à très haut rendement associé à une fiabilité éprouvée et une linéarité accrue. L’état de l’art des HEMTs GaN est limité aujourd’hui à environ 50% de rendement PAE (Power Added Efficiency) et peu de travaux reportés sur la fiabilité des composants GaN utilisant des grilles courtes inferieures à 150 nm. Néanmoins, l’une des limitations majeures des composants RF modernes est la dissipation thermique. En effet, la puissance dissipée s’améliore de 80% lorsque le rendement PAE passe de 50% à 80%. L’objectif de ce travail est de fournir une technologie de pointe dans ce domaine avec le développement et l’optimisation de transistors GaN à grille sub-150 nm pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. En particulier, nous avons effectué une optimisation des couches tampons (buffer) tout en optimisant une barrière AlN ultrafine inférieure à 5 nm afin d’augmenter le gain de puissance, d’améliorer le confinement des électrons sous fort champ électrique et de simultanément réduire les effets de pièges. De plus, le développement d’un banc de mesures de puissance à 94 GHz a permis de démontrer une densité de puissance à l’état de l’art en bande W avec les composants fabriqués. Ces travaux constituent une base de travail prometteuse pour garantir des performances élevées (notamment le rendement PAE) et fiables des HEMTs GaN pour l’amplification de puissance en gamme d’ondes millimétriques liée aux futures applications de télécommunication 5G, spatiales ou militaires.