Étude et perspective des transistors à hétérostructure AlInAs/GaInAs de longueur de grille inférieure à 100 nm et conception de circuits intégrés en bande G

par Thierry Parenty

Thèse de doctorat en Microondes et microtechnologies

Sous la direction de Alain Cappy et de Sylvain Bollaert.

Soutenue en 2003

à Lille 1 .

mots clés

• Phosphore d'indium
• Circuits intégrés -- Masques
• Transistors à effet de champ
• Ondes millimétriques
• Circuits intégrés pour microondes
• Amplificateurs microondes
• Oscillateurs à microondes
• Circuits intégrés -- Simulation par ordinateur
• Hétérostructures

Résumé

L'amélioration continue des performances fréquentielles des composants électroniques, n'a cessé d'ouvrir de nouvelles perspectives pour de multiples applications. S'appuyant sur l'expérience de l'IEMN, l'objectif de cette thèse a été de développer des circuits intégrés pour les applications au delà de 100GHz (Radiométrie, Radioastronomie, Radar, Télécommunications haut débit, Métrologie de polluants,. . . ). Ce sujet aborde deux thèmes principaux: La réalisation de transistor à effet de champ à hétérojonction HEMT (High Electron Mobility Transistor) de la filière AlInAs/GalnAs sur substrat d'lnP pouvant répondre à nos objectifs, puis la conception et la réalisation de différents circuits intégrés en bande G (140 - 220 GHz). Dans le premier chapitre, nous introduisons le HEMT et dressons un état de l'art de sa technologie et de ses performances fréquentielles. Puis, nous discutons des paramètres à optimiser pour accroître les performances électriques des HEMTs. Enfin nous présentons le procédé de fabrication pour obtenir des HEMTs de longueur de grille de 70 nm et rapportons les résultats de leur caractérisation électrique. Les meilleurs résultats obtenus sont un fT de 270 GHz et un fmax de 470 GHz, ceux-ci se situent au niveau des meilleurs résultats mondiaux en terme de compromis fT-fmax. Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu des amplificateurs à 140 et 180 GHz, un oscillateur à 140 GHz et des VCOs à 140 GHz. Concernant les amplificateurs, les résultats de simulation laissent espérer un gain par étage de 7 et 3,5 dB à respectivement 140 et 180 GHz. Pour les VCOs, nous avons envisagé difte͏̈rentes topologies, cependant la bande d'accord la plus élevée pourrait atteindre 7,5 GHz. A l'heure actuelle, la fabrication des circuits n'a pu être achevée. Cependant nous avons réalisé l'ensemble des dispositifs passifs constituant les circuits, sur ceux-ci des mesures de paramètres S ont été réalisés jusque 220 GHz. Ces mesures ont montré une bonne concordance avec les résultats de simulation, pour les éléments test ainsi que les réseaux d'adaptation. Ces résultats valident les modèles des éléments passifs, et nous permet d'envisager positivement la réalisation d'un circuit complet.

Titre traduit

Study and prospect of AlInAs/GaInAs HEMTs with sub-100 nm gate length and design of integrated circuits in G band

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