Optimisation théorique et expérimentale de composants hyperfréquences de la filière nitrure de gallium à partir d’études physico-thermiques et électriques

par Xiao Tang

Thèse de doctorat en Micro et nanotechnologies, Acoustique et Télécommunication

Sous la direction de Jean-Claude de Jaeger et de Michel Rousseau.

Soutenue le 22-01-2010

à Lille 1 .


  • Résumé

    Le travail de thèse consiste à étudier des composants de la filière nitrure de gallium à partir d’études électriques et d’un modèle physico-thermique. Les dispositifs de cette filière sont très prometteurs pour des applications de puissance en hyperfréquence. Cependant, leurs performances électriques sont limitées par deux causes principales : La première cause est liée à la réalisation des contacts. Dans ce travail, nous avons étudié des contacts Schottky TiN sur hétérostructures AlGaN/GaN sur substrats Si (111) réalisés par pulvérisation magnétron. Une analyse détaillée des paramètres obtenus, tels que la hauteur de barrière, le coefficient d’idéalité et le courant de fuite en polarisation inverse, permet d’optimiser la topologie et le procédé technologique, tels que la température et la durée de recuit, la passivation et le prétraitement de surface. La théorie relative aux mécanismes de conduction à travers le contact est aussi rappelée, montrant que l’effet tunnel assisté par champ électrique et le courant limité par charge d’espace sont les mécanismes dominants. La seconde cause est liée à l’effet d’auto-échauffement important dans les composants de la filière GaNcompte tenu des fortes puissances dissipées, ce qui dégrade leurs performances électriques ainsi que la fiabilité. Dans ce cadre, un modèle physico-thermique basé sur le couplage d’un modèle énergie-balance avec un modèle thermique a été développé. Ce modèle prend en compte la température de réseau en tout point du composant et décrit bien les performances électriques et thermiques des composants de cette filière. Grâce au modèle développé, nous avons d’abord analysé les hétérostructures AlGaN/GaN et InAlN/GaN sur différents substrats à partir de structures TLM, afin d’évaluer leurs performances électriques et thermiques, et ainsi d’optimiser le choix des substrats. Nous avons également étudié les diodes Gunn de la filière GaN avec différentes topologies, ce qui a permis d’optimiser une structure en termes de fréquence d’oscillations et de conversion de puissance, en prenant en compte les effets thermiques. Après une comparaison entre les résultats de simulation et ceux mesurés, il s’avère que le modèle physico-thermique est un outil de prédiction précis et fiable, extrêmement utile pour les technologues et qui permet en outre une meilleure compréhension des phénomènes physiques observés.

  • Titre traduit

    Theoretic and expermental optimization of gallium nitride based high-frequency devices by means of physical-thermal and electric studies


  • Résumé

    The work of this thesis is dedicated to study gallium nitride based components by means of electric studies and a physical-thermal model. The GaN based devices are very promising for high-frequency microwave power applications. However, their electric performances are limited by two principal causes: The first cause is related to the contacts realization. In this work, we studied TiN Schottky contacts on AlGaN/GaN heterostructures on Si (111) substrates realized by magnetron spray. A detailed analysis of the obtained parameters, such as the barrier height, the ideality factor and the reverse leakage current, permits optimizing the topology and the technological processes, such as the annealing temperature and time, thepassivation and the surface pre-etching. The theory related to the conduction mechanisms through the contact is also recalled, showing that the electric field assisted tunnel effect and the space charge limited current are the dominant mechanisms. The second cause is related to the important self-heating effect in the GaN based components inconsideration of the high dissipated power, which degrades the electric performances and the reliability as well. In this framework, a physical-thermal model based on the coupling of an energy-balance model with a thermal model was developed. Such a model takes into account the lattice temperature everywhere in the device and describes the electric and thermal performances of GaN based components. Thanks to the developed model, firstly the AlGaN/GaN and InAlN/GaN heterostructures were analyzed on different substrates by means of TLM patterns, in order to evaluate their electric and thermal performances so as to optimize the substrate choice. The GaN based Gunn diodes with different topologies were also studied with the goal to optimize a structure in terms of frequency oscillation and power conversion, taking into account the thermal effects. After a comparison between the simulation results and the measured ones, it is proved that the physical-thermal model is an accurate and reliable predictive tool, which is extremely useful for the technologists and furthermore, permits a better understanding of the observed physical phenomena.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (206 p.)
  • Notes : N° d'ordre (Lille 1) : 40234
  • Annexes : Bibliogr. à la fin des chapitres. 100 réf. Liste des publications et communications

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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 : 50376-2010-7
  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille. Service commun de la documentation. Bibliothèque virtuelle.
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