Étude de la linéarité de composants HEMT GaN pour des applications en gamme d'ondes millimétriques

Linearity study of GaN HEMT components for millimeter-wave applications

• Auteur / Autrice : Lyes Ben hammou
• Direction : Farid Medjdoub, Katir Ziouche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés libres

GaN HEMTs

Load-Pull

Linéarité

Ondes millémtriques

Effets de pièges

Fiabilité

GaN HEMTs

Load-Pull

Linearity

MmWaves

Trapping effects

Reliability

Résumé

La technologie GaN est considérée comme une technologie de rupture pour les applications RF en raison de ses performances supérieures aux autres technologies. L'avantage potentiel est énorme, car les transistors GaN à semi-conducteurs permettent de remplacer les amplificateurs TWT encombrants pour les applications à puissance de sortie élevée jusqu'en bande Ka. Par exemple, la possibilité de réaliser des SSPAs (Solid State Power Amplifiers) compacts à plus larges bandes passantes est une solution d'avenir pour les applications spatiales, notamment les réseaux d'antennes à phase active. Cependant, les HEMT GaN industriels RF ne sont actuellement qualifiés que jusqu'à la bande Ka (30 GHz) en utilisant une longueur de grille de 150 nm. Les futures applications de télécommunications et d'observation de la Terre nécessiteront que des SSPAs à base de GaN hautes performances soient également disponibles dans les bandes de fréquence Q, V et W. Par ailleurs, un certain nombre de défis clés doivent être relevés avant que cette technologie puisse atteindre son plein potentiel et remplacer les plates-formes technologiques à faible efficacité en Si et/ou SiGe qui offrent les avantages de l'intégration CMOS. En particulier pour les communications sans fil, la linéarité d'un transistor (c'est-à-dire sa capacité à gérer des signaux sans distorsion) et son efficacité énergétique sont essentielles. Les dispositifs GaN actuels déployés dans les stations sans fil utilisent largement les techniques de pré-distorsion numérique (DPD) pour obtenir une linéarité globale suffisante, mais cela nécessite des calculs très lourds (et très énergivores), et qui ne s'adapte pas bien aux débits de données et aux bandes passantes croissantes de la 5G et au-delà. De plus, alors qu'en théorie le rendement PAE devrait être (quasiment) indépendante de la fréquence, les résultats expérimentaux semblent assez différents. Bien qu'un assez bon PAE (> 65 %) puisse être obtenu aux fréquences mobiles actuelles (jusqu'à 3 GHz), l'efficacité chute considérablement aux fréquences d'ondes millimétriques (30 GHz et plus). Ce qui limite la réduction en taille et en masse des futurs SSPAs, car le PAE a un impact direct sur la puissance continue totale et la puissance dissipée. La principale cause de cette limitation est liée aux défauts dans le semi-conducteur qui constituent les composants, mais aussi aux interfaces semi-conducteur/isolant, et aux effets thermiques. Les applications à fréquence élevées nécessiteront non seulement la réduction de la longueur de grille mais aussi l'élaboration de nouveaux matériaux épitaxiés et même de nouveaux concepts. Des progrès technologiques sont nécessaires pour obtenir simultanément une efficacité et une linéarité élevées sous forte puissance de sortie, ainsi qu'une grande fiabilité dans la gamme d'ondes millimétriques. Les résultats obtenus récemment à l'IEMN sont prometteurs, notamment l'obtention de rendements à l'état de l'art dans la bande Q ou W. Cependant, l'évaluation de la linéarité est cruciale dans le cadre de ces développements technologiques. L'objectif du travail de thèse sera de développer un banc mesure de linéarité dans la gamme d'ondes millimétriques (40 GHz) spécifique pour la caractérisation des transistors à large bande interdite, ce qui à notre connaissance n'est pas encore disponible en France. Il s'agira ainsi d'évaluer et de comparer les diverses technologies existantes dans notre groupe qui sont issues des différentes projets et partenariats industriels. Des modélisations numériques de la linéarité seront nécessaires pour améliorer la compréhension des phénomènes limitants.

GaN technology is seen as a disruptive technology for RF applications due to its superior performances. The potential benefit is tremendous as solid-state GaN transistors (SSPAs) allow replacement of bulky TWT amplifiers for high output power applications up to Ka-band. The ability to realize compact SSPAs is for instance an enabler for space based active phased array antenna systems, since this novel technology allows increased integration and wider operating bandwidths. However, RF industrial GaN HEMTs are currently qualified only up to Ka band (30 GHz) using a gate length of 150 nm. Future Telecommunication and Earth Observation applications will require high performance GaN based SSPAs to also be available in Q, V and W-band frequencies. Furthermore, there are a number of key challenges that must be addressed before this technology can reach its full potential and be able to displace lower efficiency technology platforms in Si and SiGe that offer advantages of CMOS integration. Especially for mobile wireless applications, device linearity (i.e., a device's ability to handle large signals without distortion) and power efficiency are critical. Current GaN devices deployed in wireless base stations make extensive use of digital predistortion (DPD) techniques to achieve sufficient overall linearity, but this is very computationally intensive (and thereby power consuming) and therefore does not scale well with the increasing data rates and bandwidths of 5G and beyond. Moreover, while in theory PAE should be (nearly) independent of frequency, what is observed in practice is rather different. While quite good PAE (>65%) can be achieved at current mobile wireless frequencies (3 GHz and below), the efficiency drops dramatically at millimeter-wave frequencies (30 GHz and above). This may limit the size and mass reduction of future SSPAs as the PAE has a direct impact in total DC and dissipated power. The main cause is surmised to be defects in the semiconductor, as well as at the semiconductor-insulator interfaces as indeed thermal effects. Further reducing the gate length to reach higher frequency requires a complete change of the fundamental epitaxial materials and device design. Breakthrough technologies are needed to achieve simultaneously high efficiency and linearity under high output power, together with high reliability in the millimeter-wave range. Promising results have been recently achieved at IEMN such as high efficiency Q or W band. However, the linearity assessment is mandatory in the frame of this technology development. The PhD candidate will develop a linearity bench in the mm-wave (40 GHz) specifically for wide bandgap transistors, which is not yet available in France. He will assess and compare various technologies issued from different project including industrial devices. Linearity modelling will be also carried out to get more insight and increase the understanding of the limiting factors.