Contribution au développement d’une filière de transistor de forte puissance à base de technologie HEMT GaN pour applications télécoms et radar

Contribution to the development of a new high power transistor process based on the GaN HEMT technology for telecom and Radar applications

• Auteur / Autrice : Gwenael Le Coustre
• Direction : Christophe Gaquière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nano Technologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 16/12/2009
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Tension de rupture

Ondes décimétriques

Amplificateurs de puissance

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ

Mots clés libres

Transistors à haute mobilité d'électrons

Résumé

L’utilisation de matériaux grand gap, et tout particulièrement l’emploi du nitrure de gallium est une solution pour la génération de puissance aux fréquences microondes. Les HEMTs réalisés à partir du matériau GaN présentent actuellement les meilleures performances mondiales pour la génération de puissance hyperfréquence. Cependant, les concepteurs ont besoin de connaître leurs limitations électriques : Plus précisément, ils ont besoin de connaître leurs caractéristiques électriques dans leurs zones de fonctionnement et d’en avoir des modèles mathématiques intégrables dans des outils de CAO. Dans une première partie, des caractérisations électriques ont été effectuées afin de déterminer l’impact des limitations physiques sur la génération de puissance : tension de claquage, pièges de drain et de grille, résistance thermique d’interface dans l’épitaxie … Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception et la réalisation de premières maquettes ont été effectuées en bande S (3 GHz). Ces maquettes permettent une première caractérisation des composants de puissance de plusieurs millimètres de développement de grille réalisés au laboratoire. Ces caractérisations, pour des considérations de connexions mais également thermiques ne sont pas réalisables sous pointes. Ces mesures permettent également la détermination des impédances optimales en puissance et en rendement au plus près des composants afin de les connaitre avec précision. Ces impédances seront utilisées lors de la conception des amplificateurs de puissance présentée dans la dernière partie. Dans un premier temps, une analyse de l’impact des adaptations d’entrée et de sortie sur la largeur de bande d’adaptation a été réalisée. Une attention particulière a été consacrée à l’architecture de l’adaptation d’entrée. Dans un second temps, une présentation de la conception et de caractérisation d’amplificateurs de puissance de classes 25W et 100W en bande S est présentée. Des mesures de ces amplificateurs ont montré des puissances de sortie supérieures à 120W avec un rendement en puissance ajoutée et un gain en puissance associé respectivement de 40% et 22dB. Ces résultats en termes de puissance, de rendement et de température confortent la possibilité de réaliser des amplificateurs en bande-S pour des applications radars en technologie GaN.

The use of wide-gap materials is a solution for the generation of power at microwaves frequencies, and HEMTs processed on Gallium Nitride currently present the best world performances in this domain. However, the designers need to know their electrical limitations. More precisely, they need to know their electric characteristics in their areas of operation, and also to have at their disposal mathematical model for CAD tools. In a first part, electrical characterizations were carried out in order to determine the impact of the physical limitations on the generation of power: breakdown voltage, gate-lag and drain-lag related trapping effects, thermal resistance of interface in the epitaxy…In the second part of this thesis, the design and the realization of first demonstrators were carried out in band S (3 GHz). These demonstrators allow a first characterization of the power devices with several millimeters of gate development processed in the laboratory. These characterizations are not to be done on wafer, for thermal reasons as well as electrical connections issues. They allow determining the optimum impedances for power and/or PAE very close to the DUT terminals, i.e. with a good precision. These impedances will be used for the design of the amplifiers, presented in the first part. First, an analysis of the impact of the input and output loads on the reachable bandwidth has been done. Secondly, a presentation of the design and the characterization of 25W and 100W class HPA is presented. The measurements of these latter amplifiers have shown output power higher than 120W, with a power added efficiency and an associated power gain respectively of 40% and 22 dB. These results, in terms of power, PAE and temperature, make us very confident for the future design of GaN HEMTs based amplifiers in S-band for radar applications.