Étude d’une nouvelle filière de composants sur technologie nitrure de gallium : conception et réalisation d’amplificateurs distribués de puissance large bande à cellules cascodes en montage flip-chip et technologie MMIC

par Audrey Philippon-Martin

Thèse de doctorat en Électronique des hautes fréquences et optoélectronique. Télécommunications

Sous la direction de Michel Campovecchio.

Soutenue en 2007

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• HEMT (High Electron Mobility Transistor)
• Modélisation de composants passifs et actifs
• Cellule cascode
• Amplificateur distribué
• Flip-chip
• MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)
• Nitrure de gallium
• Amplificateurs de puissance
• Transistors de puissance
• Circuits intégrés pour microondes
• Systèmes de télécommunications à large bande

Résumé

Ces travaux de recherche se rapportent à l’étude de transistors HEMTs en Nitrure de Gallium pour l’amplification de puissance micro-onde. Une étude des caractéristiques des matériaux grand gap et plus particulièrement du GaN est réalisée afin de mettre en exergue l’adéquation de leurs propriétés pour des applications de puissance hyperfréquence telle que l’amplification large bande. Dans ce contexte, des résultats de caractérisations et modélisations électriques de composants passifs et actifs sont présentés. Les composants passifs dédiés aux conceptions de circuits MMIC sont décrits et différentes méthodes d’optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique sont explicitées. Les modèles non linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions sont de même détaillés. Le fruit de ces travaux concerne la conception d’amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, l’un étant reportés en flip-chip sur un substrat d’AlN, le second en technologie MMIC. La version MMIC permet d’atteindre 6. 3W sur la bande 4-18GHz à 2dB de compression. Ces résultats révèlent les fortes potentialités attendues des composants HEMTs GaN.

Titre traduit

Modeling of a GaN HEMTs technological process : design of flip-chip and MMIC architectures of wideband distributed power amplifiers with cascode cells

Résumé

The aim of this study is to assess the potentialities of HEMTs AlGaN/GaN transistors for RF power applications. The properties of wide band-gap materials and especially the GaN material are analysed in order to highlight their capabilities for applications to wideband power amplifiers. Modeling of passive components is explained and the design guide library on SiC substrate is implemented. Characterization results as well as linear and nonlinear simulations are presented on devices and circuits. The results of this work give concrete expression to the design of wideband power amplifiers showing a distributed architecture of cascode cells using GaN HEMTs, the first one flip-chip mounted onto an AlN substrate and the second one in MMIC technology. One MMIC version allows to obtain 6. 3W over a 4 to 18GHz bandwidth at 2dB compression input power. These results bring to light famous potentialities assigned to HEMTs GaN components.