Études expérimentales de transistors HFET de la filière nitrure de gallium pour des applications de puissances hyperfréquences

par Nicolas Vellas

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Jean-Claude de Jaeger et de Christophe Gaquière.

Soutenue en 2003

à Lille 1 .


  • Résumé

    Depuis cinq ans environ, l'institut s'est investi dans la réalisation de transistors HFET de puissance basés sur une hétérostructure AIGaN/GaN afin de concevoir des amplificateurs de forte puissance fonctionnant en bande S ainsi qu'en bande X. L'objectif de ces travaux était d'apporter un ensemble de méthodes de caractérisation afin d'expliquer le comportement des transistors GaN et d'identifier les différents problèmes liés à l'immaturité de cette technologie. Nous présentons, dans ce mémoire, les propriétés physiques du nitrure de gallium hexagonal et nous proposons un modèle Schrödinger-Poisson incluant les propriétés pyroélectrique et piézoélectrique du GaN afin de simuler la densité de porteurs à l'interface d'une hétérostructure AlGaN/GaN. L'influence de la contrainte résiduelle de la couche tampon de GaN sur la densité de porteurs est abordée. L'ensemble des structures étudiées durant ces travaux a été simulé et les résultats obtenus ont été comparés à ceux issus des mesures post et pré fabrication des transistors. La physique du Schottky est ensuite abordée, et nous montrons par des mesures C(V), que malgré son aspect ionique, le GaN présente un ancrage du niveau de Fermi. L'étude en direct des diodes grille-source et grille-drain a montré que l'etfet tunnel assisté par des défauts est le phénomène de conduction prépondérant dans ces diodes Schottky. Cet effet, lié aux états de surface, est responsable des forts coefficients d'idéalité mesurés. L'étude statique des transistors en régimes continu et pulsé a montré la présence de pièges électriques et leurs influences sur le courant de drain. Nous expliquons le concept de la grille virtuelle, l'influence de centres profonds dans la barrière et l'impact de l'injection de porteurs chauds dans le buffer. Nous présentons les résultats de puissance obtenus à 4 GHz et nous montrons que la plupart des transistors présentent un écart important entre les résultats attendus et expérimentaux. Le système de mesure grand signal développé a pennis de montrer que le courant de drain maximum à 4 GHz s'écroule lorsque l'impédance de charge augmente. Nous avons attribué cet effet à l'accumulation d'électrons en surface dans l'espace grille-drain qui favorise la formation d'une grille virtuelle provoquant la désertion du canal. Enfin, les résultats d'intennodulation biton présentés montrent que les transistors HFET à base de GaN ont un comportement plus linéaire que ceux issus des technologies GaAs.

  • Titre traduit

    Experimental studies of HFET transistors resulting from the gallium nitride technology for microwave power applications


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Informations

  • Détails : 1 vol. (347 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. à la suite de chaque chapitre

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  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2003-279
  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2003-280
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