Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur le développement et la caractérisation de modules technologiques sur semiconducteurs à large bande interdite à base de nitrure de gallium (GaN), pour la réalisation de transistors et de cathodes froides. Ils ont été réalisés au sein du laboratoire III-V lab, commun aux entités : Alcatel - Thales - CEA Leti. Notre projet de recherche a bénéficié d'un soutien financier assuré par Thales Electron Devices (TED) et l'Agence Nationale de la Recherche ( ANR ). Concernant les transistors HEMT III-N, nos investigations se sont focalisées sur le développement des parties actives des transistors, incluant principalement la structuration des électrodes de grilles, l'étude de la passivation des grilles métalliques, ainsi que l'étude de diélectriques de grille pour la réalisation de structures MIS-HEMT.Les transistors MOS-HEMT « Normally-off » réalisés présentent des performances comparables à l'état de l'art, avec une densité de courant de drain maximum comprise entre 270 mA et 400 mA / mm, un ratio ION / IOFF > 1100, et des tensions de claquage > 200V. Les tensions de seuil sont comprises entre + 1,8 V et + 4 V. Nos contributions au développement des cathodes froides ont permis de démontrer une première émission dans le vide à partir de cathodes GaN, avec une densité de courant maximale de 300 µA / cm2 pour une tension de polarisation de 40 V / The results presented in this manuscript relate to technological developments and device processing on wide bandgap III-N semiconductor materials. They have been focused on III-N HEMT transistors and GaN cold cathodes. They have been realised within the III-V lab, which is a common entity between: Alcatel - Thales - CEA Leti. They have been financially supported by Thales Electron Devices company (TED) and the French National Research Agency ( ANR ). Regarding III-N HEMTs, our investigations have been focused on the development of device gate processing, which includes : the structuration of gate electrodes, the study of device passivation, and the realization of Metal-Insulator-Semiconductor High Mobility Electron Transistors ( MIS-HEMTs ). The “ Normally-off ” MOS-HEMT structures we have realized exhibit performances comparable to the state of the art, with a maximum drain current density between 270 and 400 mA / mm, a ION / IOFF ratio > 1.100, and a breakdown voltage > 200V. The threshold voltage values range between + 1,8 V and + 4V. We have also been able to demonstrate prototype GaN cold cathodes providing a maximum current density of 300 µA / cm2, emitted in vacuum for a bias voltage around 40 V

Depuis plusieurs années, la technologie de transistors à effet de champ à haute mobilité (HEMT) sur Nitrure de Gallium (GaN) a démontré un potentiel très important pour la montée en puissance et en fréquence des dispositifs. Malheureusement, la présence des effets parasites dégrade les performances dynamiques des composants ainsi que leur fiabilité à long-terme. En outre, l'origine de ces pièges et leur emplacement physique restent incertains jusqu'à aujourd'hui. Une partie du travail de recherche menée dans cette thèse est axée sur la caractérisation des pièges existant dans les dispositifs HEMTs GaN à partir de mesures de paramètre S basse fréquence (BF), les mesures du bruit BF et les mesures I(V) impulsionnelles. Parallèlement, nous avons effectué des simulations physiques basées sur TCAD afin d'identifier la localisation des pièges dans le transistor. De plus, notre étude expérimentale de caractérisation et de simulation montre que les mesures BF pourraient constituer un outil efficace pour caractériser les pièges existant dans le buffer GaN, alors que la caractérisation de Gate-lag pourrait être plus utile pour identifier les pièges de barrière des dispositifs GaN HEMT. La deuxième partie de ce travail de recherche est axée sur la caractérisation des dispositifs AlN/GaN HEMT sur substrat Si et SiC. Une méthode d’extraction simple et efficace de la résistance canal et de la résistance de contact a été mise au point en utilisant conjointement la simulation physique et les techniques de caractérisation. Le principe de l’extraction de la résistance canal est basée sur la mesure de la résistance RON. Celle-ci est calculée à partir des mesures de courant de drain IDS et de la tension VDS pour différentes valeurs de températures En outre, nous avons procédé à une évaluation complète du comportement thermique de ces composants en utilisant conjointement les mesures et les simulations thermiques tridimensionnelles (3D) sur TCAD. La résistance thermique (RTH) a été extraite pour les transistors de différentes géométries à l'aide des mesures et ensuite validée par les simulations thermiques sur TCAD. / GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have demonstrated their capabilities to be an excellent candidate for high power microwave and mm-wave applications. However, the presence of traps in the device structure significantly degrades the device performance and also detriments the device reliability. Moreover, the origin of these traps and their physical location remains unclear till today. A part of the research work carried out in this thesis is focused on characterizing the traps existing in the GaN/AlGaN/GaN HEMT devices using LF S-parameter measurements, LF noise measurements and drain-lag characterization. Furthermore, we have used TCAD-based physical device simulations in order to identify the physically confirm the location of traps in the device. Moreover, our experimental characterization and simulation study suggest that LF measurements could be an effective tool for characterizing the traps existing in the GaN buffer whereas gate-lag characterization could be more useful to characterize the AlGaN barrier traps of GaN HEMT devices. The second aspect of this research work is focused on characterizing the AlN/GaN/AlGaN HEMT devices grown on Si and SiC substrate. We attempt to characterize the temperature-dependent on-resistance (RON) extraction of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based physical simulations. Furthermore, we have proposed a simplified methodology to extract the temperature and bias-dependent channel sheet resistance (Rsh) and parasitic series contact resistance (Rse) of AlN/GaN HEMT devices. Further, we have made a comprehensive evaluation of thermal behavior of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based three-dimensional (3D) thermal simulations. The thermal resistance (RTH) has been extracted for various geometries of the device using measurements and validated using TCAD-thermal simulations.

Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts. / AlGaN/GaN HEMTs are on the way to lead the radiofrequency power amplificationfield according to their outstanding performances. However, due to the relative youth of this technology, reliability studies in several types of operating conditions are still necessaryto understand failure mechanisms peculiar to these devices and responsible for their wearingout. This study deals with the failure analysis of power AlGaN/GaN HEMTs in RADARoperating mode (pulsed and saturated). This is based on the design of test amplifiers, theircharacterization and their stress on ageing benches. The setting up of a methodology aimingat discriminating predominant degradation modes, jointly with a micro-structural analysisof aged devices, permits to link the evolution of electrical performances with the physicalroots of these defects.

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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).

Les communications futures pour les applications civiles et militaires utilisent des signaux modulés complexes large bande qui seront émis à travers des amplificateurs de puissance multivoie de type DOHERTY qui devront avoir des performances en puissance, rendement, OBO et largeur de bande qui constituent aujourd’hui un véritable défi à relever. Pour ce faire les concepteurs ont besoin d’outils de caractérisation temporelle permettant la mesure normalisées et l’optimisation des tensions et courants aux accès des dispositifs non linéaires sous pointes ou connectorisés. Ce travail de thèse a permis de mettre en œuvre cet outil de caractérisation temporelle qui a été utilisé pour répondre à des besoins spécifiques pour la modélisation de transistor, pour l’optimisation de leur fonctionnement en termes de stabilité impulsion à impulsion, pour la recherche des conditions optimales de leur fonctionnement dans un amplificateur de type Doherty. Pour cette mise en œuvre une modélisation mathématique des échantillonneurs a été réalisée pour évaluer leurs performances et choisir le mieux adapté à la mesure temporelle RF. Des procédures d’étalonnages rigoureuses ont été développées pour obtenir simultanément des formes d’ondes temporelles calibrées à spectre très large (Basse fréquences jusqu’aux Hyperfréquences). / The future communications for civil and military applications will use complex wideband modulated signals to be transmitted through multi-channel DOHERTY power amplifiers which should have high performance in terms of power, efficiency, OBO, and bandwidth. In order to meet these stringent requirements, designers need time-domain characterization tools for calibrated measurements and for optimizing voltages and currents at both ports of non-linear connectorized or on-wafer devices. This work successfully implements time-domain characterization tools used to meet specific needs for transistor modeling, to optimize their operation in terms of pulse to pulse stability, and to search optimal conditions of their operation modes in a Doherty power amplifier. For this implementation, mathematical modeling is performed to evaluate sampler’s performances in terms of time-domain sampling efficiency in order to choose the best suited sampling architecture for RF time-domain measurements. Rigorous calibration procedures have been developed to obtain simultaneously full time-domain calibrated waveforms (from low Frequencies to Microwave frequencies).

Ce travail répond à un besoin industriel accru en termes d’amplification des signaux sur porteuses à enveloppes variables utilisés par les systèmes de télécommunications actuels. Ces signaux disposent d’un fort PAPR et d’une distribution statistique d’enveloppe centrée en-deçà de la valeur crête d’enveloppe. La raison pour laquelle les industriels télécoms requièrent alors des amplificateurs de très fortes puissances de sortie, robustes, fiables et ayant une dépense énergétique optimale le long de la dynamique d’enveloppe associée à un niveau de linéarité acceptable. Ce document expose les résultats d’étude et de réalisation de deux Amplificateurs de Puissance Doherty (APD) à haut rendement encapsulés en boîtiers plastiques QFN. Le premier est un amplificateur Doherty symétrique classique (APD-SE) et le second est un amplificateur à deux entrées RF (APD-DE). Ces démonstrateurs fonctionnant en bande C sont fondés sur l’utilisation de la technologie Quasi-MMIC associant des barrettes de puissance à base des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur SiC à des circuits d’adaptation en technologie ULRC. L’approche Quasi-MMIC associée à la solution d’encapsulation plastique QFN permettant une meilleure gestion des comportements thermiques offre des performances électriques similaires à celles de la technologie MMIC avec des coûts et des cycles de fabrication très attractifs. Durant ces travaux, une nouvelle méthode d’évaluation des transistors dédiés à la conception d’amplificateurs Doherty a été développée et mise en oeuvre. L’utilisation intensive des simulations électromagnétiques 2.5D et 3D a permis de bien prendre en compte les effets de couplages entre les différents circuits dans l’environnement du boîtier QFN. Les résultats des tests des amplificateurs réalisés fonctionnant sur une bande de 1GHz ont permis de valider la méthode de conception et ont montré que les concepts avancés associés à l’approche Quasi-MMIC ainsi qu’à des technologies d’encapsulation plastique, peuvent générer des fonctions micro-ondes innovantes. Les caractérisations de l’APD-DE ont relevé l’intérêt inhérent à la préformation des signaux d’excitation et des points de polarisation de chaque étage de l’amplificateur. / This work responds to an increased industrial need for on carrier signals with variable envelope amplification used by current telecommunications systems. These signals have a strong PAPR and an envelope statistical distribution centred below the envelope peak value, the reason why the telecom industrialists then require a robust and reliable high power amplifiers having an energy expenditure along of the envelope dynamics associated with an acceptable level of linearity. This document presents the results of the study and realization of two, high efficiency, Doherty Power Amplifiers (DPA) encapsulated in QFN plastic packages. The first is a conventional Doherty power Amplifier (DPA-SE) and the second is a dual-input Doherty power amplifier (DPA-DE). These C-band demonstrators are based on the use of Quasi-MMIC technology combining power bars based on the AlGaN/GaN transistors on SiC to matching circuits in ULRC technology. The Quasi-MMIC approach combined with Quasi-MMIC approach combined with QFN plastic package solution for better thermal behaviour management offers electrical performances similar to those of MMIC technology with very attractive coasts and manufacturing cycles. During this work, a new evaluation method for the transistors dedicated to the design of DPA was developed and implemented. The intensive use of 2.5D and 3D electromagnetic simulations made it possible to take into account the coupling effects existing between the different circuits in the QFN package environment. The results of the tests of the amplifiers realised and operating on 1GHz bandwidth validated the design method and showed that the advanced concepts associated with the Quasi-MMIC approach as well as plastic encapsulation technologies can generate innovative microwave functions. The characterizations of the DPA-DE have noted the interest inherent in the preformation of the excitation signals and the bias points of each stage of the amplifier.

Les fortes capacités actuelles et envisagées des futurs liens satellites de communication pour la 5G conduisent les signaux traités dans les charges utiles à présenter simultanément d'importantes variations d'amplitude (PAPR>10dB) et de très larges bandes passantes instantanées (BW>1GHz). A l'intérieur du sous-système d'émission hyperfréquence, le fonctionnement du module d'amplification de puissance se trouve très contraint par les formes d'ondes véhiculées, il se présente comme l'un des postes de consommation énergétique des plus importants, et ayant le plus d'impact sur l'intégrité du signal émis. Dans ce contexte, les fonctions dédiées au traitement numérique des signaux et couramment implémentées par le processeur numérique (telles que le filtrage, la canalisation, et éventuellement la démodulation et la régénération des signaux bande de base) embarquées dans les charges utiles, représentent une solution à fort potentiel qui permettrait de relâcher les contraintes reportées sur la fonction d'amplification de puissance afin de gérer au mieux la ressource électrique allouée. Ces travaux de thèse proposent d'étudier les potentialités d'amélioration du fonctionnement en rendement et linéarité d'un amplificateur de type Doherty à double entrée de gamme 20W en technologie GaN et fonctionnant en bande C. La combinaison des signaux de puissance sur la charge RF est optimisée par une distribution optimale des signaux en amplitude et phase à l'entrée par des moyens numériques de génération. Dans un premier temps une méthodologie de conception large bande d'un amplificateur Doherty est introduite et validée par la conception d'un démonstrateur en bande C. Dans un second temps, l'outil expérimental permettant l'extraction des lois optimales de distribution d'amplitude et de phase RF est présenté en détail, et la caractérisation expérimentale du dispositif en double entrée est réalisée puis comparée aux simulations. Finalement, en perspective à ces travaux, une étude préliminaire des potentialités de l'architecture Doherty à double entrée pour la gestion d’une désadaptation de la charge de sortie (gestion de TOS) est menée et des résultats sont mis en avant. / The high capabilities of current and future 5G communication satellite links lead the processed signals in the payloads to simultaneously exhibit large amplitude variations (PAPR>10dB) and wide instantaneous bandwidths (BW>1GHz). Within the microwave transmission subsystem, the operation of the power amplification stage is highly constrained by the transmitted waveforms, it is one of the most energy-consuming module of the payload affecting as well the integrity of the transmitted signal. In this context, the functions dedicated to digital signal processing and currently implemented by the digital processor (such as filtering, channeling, and possibly the demodulation and regeneration of baseband signals) embedded in the payloads, represent a potential solution that would reduce the constraints reported on the power amplification function and help to manage the allocated power ressource. This work proposes a study on the capability of dual input power amplifier architectures in order to manage the efficiency-linearity trade-off over a wide bandwidth. This study is carried out on a 20W GaN Doherty demonstrator operating in C band. The combination of the output signals on the RF load is managed by an optimal amplitude and phase distribution that is digitally controlled at the input. Firstly, a wideband design methodology of Doherty amplifier is introduced and validated on a C band demonstrator. In a second time the experimental tool allowing the extraction of amplitude and phase input distributions is presented, the dual input characterization is achieved and compared with simulation results. Finally, in perspective of this work, a preliminary study of the capabilities of the digital Doherty for the management of an output load mismatch (VSWR management) is carried out and the results are put forward.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten zur Maximierung der Effizienz von stromregelnden DC/DC-Wandlern für den Betrieb von Hochleistungs-LEDs in PKW-und Motorrad-Beleuchtungseinrichtungen untersucht, mit dem Ziel, das Gewicht und den Energieverbrauch der Steuergeräte zu reduzieren und so zu dem stetigen Bestreben der Minimierung der Gesamtfahrzeugemissionen beizutragen. Dafür werden verschiedene, teils sequenziell aufbauende Maßnahmen in Topologie, Bauelementen, Dimensionierung und Betriebsart betrachtet. Eine grundlegende Herausforderung für die Auslegung der Schaltung stellt dabei deren universelle Verwendbarkeit als Gleichteil in einem großen Bereich an Ausgangsstrom und -spannung in den individuellen Scheinwerfersystemen der verschiedenen Fahrzeugderivate dar. Die Grundlage für die Verringerung der Verlustleistung bildet die Vereinfachung der Schaltreglertopologie hinsichtlich des Bauteilaufwands. Dies wird durch die Versorgung der Schaltung aus dem 48 V-Energiebordnetz und die Verwendung der Topologie des Tiefsetzstellers erreicht. Elementarer Anteil dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wirksamkeit des Einsatzes neuartiger Galliumnitrid-Leistungsschalter (GaN-HEMTs) anstelle der konventionellen Silizium-MOSFETs, was zunächst an Hand von Berechnungen und schaltungstechnischen, parasitärbehafteten und zeitvarianten Simulationen durchgeführt wird. Bereits bei herkömmlichen Schaltfrequenzen und hartgeschaltetem Betrieb können signifikante Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden. Weitergehend wird der Nutzen der durch die GaN-Transistoren ermöglichten höheren Schaltfrequenzen eruiert. Die um bis zu Faktor 20 erhöhte Schaltfrequenz macht den Einsatz einer resonanten Betriebsart (Zero-Voltage-Switching) und einer Luftspule als Hauptinduktivität notwendig. Auf Steuergeräteebene kann somit die Verlustleistung auf unter ein Drittel reduziert werden, was zudem ein deutlich einfacheres und kompakteres Gehäuse ermöglicht, wodurch das Gesamtgewicht etwa halbiert werden kann. Abschließend wird die Schaltung in einem Prototypen praktisch umgesetzt und die Funktionsfähigkeit im ZVS-Betrieb bei Schaltfrequenzen von bis zu 10 MHz verifiziert. / This thesis deals with the research of possibilities for maximising efficiency of current-regulating DC/DC-Converters for driving high-power-LEDs in passenger-car- and motorcycle-lighting-devices. The ambition is to reduce weight and energy-consumption of the electronic-control-units, to contribute to reach the continuously decreasing target-values for vehicle-emissions. Therefor different approaches in topology, components, design and operating mode are considered. A key-challenge for the circuit-design is the common-part-strategy for usage in many individual vehicle-headlamp-systems with a wide range of output-current and LED-string-voltages. Basis for the reduction of power-losses is the simplification of the converters topology in terms of quantity of components. This is achieved by using the 48 V -vehicle-electrical-system as voltage-supply and a step-down-topology. Mainpart of this research is about the potential benefits of applying novel Galliumnitride High-electron-mobility-transistors (GaN-HEMTs) instead of silicon MOS-FETs. Initially this is done by calculations and parasitic-afflicted, timevariant circuit-simulations. Already in hardswitching operation under conventional switching-frequencies significant improvements in converter-efficiency can be achieved. Furthermore the advantages of higher switching-frequencies, offered by the GaN-transistors, are investigated. Up to 20 times higher switching-frequencies necessitate a resonant operating mode of the circuit (Zero-voltage-switching) and the use of an aircoil as main-inductor. On ECU-level power-losses can be reduced down to less than one third, which enables a more simplified and compact housing-concept, so that the overall weight can drop to about the half. Finally the designed circuit is build up in a prototype and the functional capability is verified in ZVS-mode with up to 10 MHz switching-frequency.