Les travaux de thèse visent à optimiser la linéarité des HEMT GaN et intervenir dans la mise en oeuvre d’un banc load-pull multi-tons (MTLP). L’optimisation repose sur la simulation électrique d’un modèle du transistor et la quantification des effets des non-linéarités du modèle, les effets des parasites basses-fréquences soustraits au préalable. La mesure MTLP unifie potentiellement les caractérisations en linéarité traditionnelles. La réalisation de l’environnement de simulation permettant de simuler un modèle et la configuration MTLP accompagnent ces travaux. La modélisation considère un développement 8x0.25x75μm² et un point de repos (30V, 60mA). La caractéristique intrinsèque Id(Vgs, Vds) est identifiée de façon relativement rigoureuse et l’interprétation selon laquelle deux cadences d’émission (longue/rapide) et un seuil d’activation en Vds caractérisant les pièges longs est renforcée. Les modèles petit-signal et thermique sur Cgd sont directement extraits de paramètres [S] BF. L’émulation télécom est réalisé avec un signal à 8 raies pures irrégulièrement espacées satisfaisant aux conditions : PAPR=8.5 dB et loi gaussienne des composantes I,Q(t). Le choix des fréquences nous prémunit de l’interférence parmi IM3,5 (intermodulation d’ordre 3,5) et raies principales et l’acquisition (amplitude/phase) couvrent raies principales et d’IM3 de de relation fi + fj-fk et 2 fi-fj. Le critère de linéarité est celui du C/13 (taux d'intermodulation d'ordre3). Les signaux mono-/bi-porteuses sont parallèlement mis en oeuvre pour mesurer et comparer la linéarité de technologies GH25, GH50 et concurrente à 2 et 4 GHz. La nonlinéarité parasite est quantifiée sur la puissance disponible à l’entrée ( 1/2|a1|2 ) et l’analyse conjointe des caractéristiques temporelles d’enveloppe est proposée. / The PhD aims at optimizing the linearity of GaN HEMT in addition to the development and exploitation of a multi-tone load-pull bench (MTLP). The optimization is commonly based on electrical simulations implementing a model of the transistor and telecom signal and consists of identifying the influence of each non-linearity while annihilating low-frequency parasitics effects (models). The MTLP experiment has some capability to unify the classical linearity characterizations. The electrical simulation consistent with MTLP data is also suggested. The modelling focus on a 8x0.25x75μm² HEMT GaN sample and a (30V, 60mA) quiescent bias. The intrinsic Id(Vgs,Vds) characteristic is more accurately evaluated and more consistent look the interpretation that two types of emission time-scale (fast and long) plus a Vds trigger threshold (15V) characterizing the ‘long’ trap. The small-signal and the thermal model related to Cgd are straightforwardly extracted from low-frequency [S] parameters. A signal composed of unequally-spaced 8 tones has a PAPR=8.5 dB and Gaussian statistical rule of its I,Q(t) components (telecom properties). The frequency set implies no interferences among IM3,5 (3rd,5th order intermodulation ratio) and main tones. Power-wave acquisition cover the main tones and IM3 satisfying fi + fj-fk and 2 fi-fj. The C/I3 (3rd order carrier-to-intermodulation ratio) is the main linearity criterion. CW (Continuous Wave) and two-tone signals are also put into operation to survey and compare the linearity performances of GH25, GH50 and acompetitor. The parasitic non-linearity is quantified ( 1/2|a1|2 ) and the time-domain analysis give rise to interpretation about how trap effect may interact with linearity.

Ce document présente les travaux de thèse ayant pour objet la recherche et développement d’une technologie co-intégrée HEMT GaN normale-on/normally-off compatible avec les matériaux et procédés technologiques de la technologie normally-on hyperfréquence. Un exposé théorique et une revue de l’état de l’art permettent d’abord d’entrevoir les différentes solutions technologiques qui s’offrent à nous, tout en affirmant et en précisant les applications visées. Différentes briques technologiques sont ensuite développées pour la fabrication de MOS-HEMTs GaN à recess de grille sur des épi-structures à barrière AlGaN ou (Ga)InAlN dédiées aux applications hyperfréquences. Nous insistons sur la possibilité d’intégrer les 2 fonctionnalités normally-off et normally-on de manière monolithique. Les échantillons ainsi réalisés sont ensuite caractérisés électriquement de manière conventionnelle, mais aussi en utilisant des techniques avancées de spectroscopie de pièges comme les paramètres S à basse fréquence et la mesure du transitoire de RON. Bien que certains phénomènes de piègeage dans l’oxyde de grille soient mis en évidence, les résultats sont très satisfaisants : des composants normally-off sont obtenus pour les 2 structures, et les performances sont au niveau de l’état de l’art mondial, avec plusieurs pistes d’amélioration en perspective. / This document reports on research and development efforts towards a normally-on/normally-off integrated GaN HEMT technology that remains compatible with the material and processing dedicated to normally-on microwave devices. Following several theoretical considerations, the state-of-the-art is presented, which gives a perspective on the available technological solutions and helps define the specifications and the targeted applications. The development and optimization of new process steps enables the fabrication of gate-recessed MOS-HEMTs on epi-structures with AlGaN or (Ga)InAlN barrier, monolithically integrable with normally-on transistors. The samples are electrically characterized by means of standard measurements and more advanced trap spectroscopy techniques such as low-frequency S-parameters or RON transient monitoring. In spite of oxide-related trapping phenomena, the results are very promising: normally-off devices are obtained for both structures, and the performances are in line with literature accounts while identified possible improvements can be explored.

Les systèmes radar nécessitent d’être de plus en plus performants et doivent émettre des impulsions les plus identiques possibles. Un critère permet de quantifier la bonne régularité des impulsions radar au cours du temps : la stabilité pulse à pulse. L’amplificateur de puissance est un élément essentiel du système radar. Dans ce sens, ce travail présente une analyse du critère de stabilité pulse à pulse dans le cas d’un amplificateur HEMT GaN. Les formules mathématiques permettant d’extraire la valeur de la stabilité pulse à pulse des mesures temporelles d’enveloppe sont présentées. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF connectorisé 50 Ω sont décrites. Divers cas de rafales radar ont été étudiés au travers des mesures temporelles d’enveloppe pour en quantifier l’impact sur les valeurs de stabilité pulse à pulse. Un banc de mesure hétérodyne de la stabilité pulse à pulse a été spécialement développé pendant ces travaux de thèse. Finalement, ces résultats de stabilité pulse à pulse ont été utilisés pour optimiser le modèle électrique non linéaire du transistor HEMT GaN afin de prendre en compte lors des simulations temporelles d’enveloppe les effets de la thermique et des pièges. / Radar-oriented applications require stringent performances. Among them, emitting pulse train with uniform envelope characteristics in term of amplitude and phase. The criterion to quantify the self-consistency of radar signals over the pulse train is the pulse to pulse stability. The power amplifier is the most critical element in the RF radar chain because it has a strong impact on the overall pulse to pulse stability performances. In this context, this work is focused on the study of the impact of a HEMT GaN power amplifier on the pulse to pulse stability. Mathematical approach is presented to derive the pulse to pulse stability from time domain envelope measurements. Design and implementation of a 50Ω matched RF power amplifier are presented. Different radar bursts scenario are investigated and their impact on the pulse to pulse stability are quantified through extensive time domain envelope measurements. For that purpose, a dedicated experimental heterodyne time domain envelope test bench has been developed. These pulse to pulse stability measurements are finally used to optimize and fully validate a nonlinear electrical model of a HEMT GaN, allowing to quantify the relative impact of thermal and trapping effects during circuit envelope simulation in radar-oriented applications.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre. / Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en nitrure de gallium (GaN) s’affirment comme les candidats prometteurs pour les futurs équipements à micro-ondes - tels que les amplificateurs de puissance à état solide (SSPA), grâce à leurs excellentes performances. Une première démonstration d'émetteur en technologie GaN-MMIC a été développée et embarquée dans la mission spatiale PROBA-V. Mais cette technologie souffre encore des effets de pièges par des défauts présents au sein de la structure. L’objectif de ce travail est donc l'étude d’effets de pièges et des aspects de fiabilité des transistors de puissance GH50 pour des applications en bande C. Un protocole d’investigation des phénomènes de pièges est présenté, qui permet l’étude des dynamiques des effets de pièges du mode de fonctionnement DC au mode de fonctionnement radiofréquence, basé sur la combinaison des mesures IV impulsionnelles, des mesures de transitoires du courant de drain avec des impulsions DC et RF et des mesures de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT AlGaN/GaN non-linéaire électrothermique est présenté, incluant un nouveau modèle thermique de pièges restituant le comportement dynamique de ces pièges et leurs variations en température afin de prédire correctement les performances en conditions réelles de fonctionnement RF. Enfin, une méthodologie temporelle pour l’évaluation de la fiabilité et de limites réelles d'utilisation de transistors dans l'amplificateur de puissance RF en régime d’overdrive (très forte compression), basée sur la mesure monitorée de Formes d'Onde Temporelles (FOT), est proposée. / GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) are promising candidates for future microwave equipment, such as new solid state power amplifiers (SSPAs), thanks to their excellent performance. A first demonstration of GaN-MMIC transmitter has been developed and put on board the PROBA-V mission. But this technology still suffers from the trapping phenomena, principally due to lattice defects. Thus, the aim of this research is to investigate the trapping effects and the reliability aspects of the GH50 power transistors for C-band applications. A new trap investigation protocol to obtain a complete overview of trap behavior from DC to radio-frequency operation modes, based on combined pulsed I/V measurements, DC and RF drain current measurements, and low-frequency dispersion measurements, is proposed. Furthermore, a nonlinear electro-thermal AlGaN/GaN model with a new additive thermal-trap model including the dynamic behavior of these trap states and their associated temperature variations is presented, in order to correctly predict the RF performance during real RF operating conditions. Finally, an advanced time-domain methodology is presented in order to investigate the device’s reliability and to determine its safe operating area. This methodology is based on the continual monitoring of the RF waveforms and DC parameters under overdrive conditions in order to assess the degradation of the transistor characteristics in the RF power amplifier.

La capacité d’un émetteur radar à assurer la bonne détection des cibles mouvantes sans générer de fausses alertes dépend principalement de sa stabilité pulse à pulse qui est affectée par de nombreux facteurs tels que les effets mécaniques, thermiques et électriques. Cependant, la stabilité pulse à pulse d’un émetteur radar à impulsions est liée à celle de ses amplificateurs de puissance, et plus particulièrement à la technologie des dispositifs actifs. Dans ce sens, ce travail présente une analyse de ce critère radar au plus près du composant (au niveau d’un transistor HEMT GaN) dans le cas d’une rafale radar d’impulsions irrégulières. Un nouveau banc de mesure temporelle d’enveloppe 4-canaux à base de THA a été développé pour les besoins de mesure de stabilité pulse à pulse. Ce système de mesure permet aussi d’extraire la réponse temporelle de courant basse fréquence à des rafales irrégulières d’impulsions RF. Bien que cette configuration ait été initialement développée pour caractériser la spécification critique de la stabilité pulse à pulse pour les applications radar, elle a montré un énorme potentiel pour la modélisation des pièges lors des simulations temporelles d’enveloppe, en complément des différentes techniques de caractérisation des pièges (I-V impulsionnelle, dispersion basse-fréquence de l’admittance de sortie Y22). / The capability of a radar transmitter to ensure clutter rejection depends mainly on its pulse-to-pulse stability, which is affected by many factors such as mechanical, thermal, and electrical effects. However, the P2P stability of a pulsed radar transmitter is linked to that of its power amplifiers, and more specifically on the active device technology. In this context, thiswork presents the analysis of this radar criterion at device level (GaNHEMTtransistor) in the case of a radar burst of RF pulses. A new on-wafer time-domain envelope measurement setup based on a 4-channel THA receiver has been developed to characterize pulse-to-pulse stability and the low-frequency drain current. While this setup was originally developed to characterize the critical specification of pulse-to-pulse stability for radar applications, it demonstrated a great potential for trap modeling in addition to the different characterization techniques of traps (pulsed I-V, low-frequency dispersion of Y22).