L’amplificateur haute puissance d’un radar, qui est l’un des éléments définissant les performances du système, est un sujet constant de rechecherche afin d’améliorer sa puissance et son rendement. Des améliorations des performances peuvent être apportées par la combinaison d’une technologie relativement nouvelle, le HEMT GaN et de classes de fonctionnement d’amplificateur à haut rendement telles les classes de commutation. Ces dernières faisant usage des harmoniques du signal complexe émis par l’amplificateur en compression, une caracterisation non linéaire est requise. Ce type de caractérisation existe déjà en mode CW et pulsé périodique. Cependant, le mode pulsé périodique n’apporte qu’une approximation du train d’impulsions radar réel excitant l’amplificateur, négligeant les effets causés par le train de pulse. Cela concerne particulièrement la technologie HEMT GaN qui est susceptible à des effets thermique et de mémoire. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure reposant sur un prototype de NVNA basé sur des mélangeurs capable de mesurer trois fréquences simultanément, permettant la caractérisation non linéaire d’un amplificateur en condition radar réelle en terme de train d’impulsions. Cet instrument a été validé par des mesures CW et pulsée périodique en utilisant un appareil type LSNA et un VNA disponible sur le marché. La technique mesure, optimisée dans ce travail jusqu’à 12GHz, permet de visualiser des effets causés par le train d’impulsions sur l’amplificateur de puissance tout en mesurant les trois premiers tons du signal complexe au meilleur rapport signal à bruit disponible grâce à l’architecture de l’instrument. / Radar high power amplifier, that is one of the performance defining elements of a radar system, is under constant investigation to improve its power and efficiency. Improvement can be provided through the combination of relatively new transistor technology such as HEMT GaN and the use of high efficiency functioning class such as commutation classes. Commutation classes making use of harmonic tones of the complex signal of the amplifier at compression, non- linear characterization is required. Such characterization already available for CW and periodic pulse signal. However periodic pulse only provide an approximation of the actual radar pulse train the amplifier will be submitted to, overlooking effects cause by the pulse train. This affect especially on HEMT GaN which is prone to thermal and memory effects. This work propose a new measurement technique relying on a developed mixer based NVNA prototype able to measure three frequencies simultaneously, allowing the non linear characterization of a power amplifier in actual non periodic radar pulse train. The instrument was validated in CW and periodic pulse condition using commercially available NVNA and a LSNA. The measurement technique, optimized in this work to be performed up to 12GHz, allowed to see effects caused by the radar pulse train on a power amplifier performance while recording all three tones at best signal to noise ratio available thanks to the instrument architecture.

Les composants de puissance à base de GaN sont connus par l’instabilité de leurs caractéristiques électriques, en particulier la tension de seuil et la résistance à l'état passant. Cela est dû aux effets des mécanismes de piégeage/de-piégeage des charges dans la structure. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de deux grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence l’effet d’un certain nombre de paramètres de commutation sur l'évolution de la résistance dynamique avec des cycles de commutation successifs. Nous analysons, en particulier, l’effet de la tension au blocage, la fréquence de commutation et la température sur l'évolution de la résistance dynamique. Dans un deuxième temps, nous présentons les résultats des essais de cyclage de puissance effectués en utilisant 80K de variation de température de jonction sur des puces de puissance MOS-HEMT Al2O3/AlGaN/GaN Normally-On. Ensuite, nous réalisons des caractérisations de pièges, basées sur des analyses de mesures de courants transitoires pendant le processus de vieillissement. Les résultats montrent qu’une dégradation irréversible affecte la tension de seuil avec une dérive vers des valeurs négatives. Ces dérives sont principalement attribuables au piégeage cumulatif avec des cycles de puissance, probablement induits par des électrons chauds, d’une manière progressive et non récupérable. / Power components based on GaN are known by the instability of their electrical characteristics, in particular the threshold voltage and the on-state resistance. This is due to the effects of trapping/de-trapping mechanisms in the structure. The work presented in this memoir consists of two main parts. At the first step, we highlight the effect of a number of switching parameters on the evolution of the dynamic resistance with successive switching cycles. In particular, we analyze the effect of blocking voltage, switching frequency and temperature on the evolution of dynamic resistance. In a second step, we present the results of power cycling tests performed using 80K of junction temperature swing on Normally-ON Al2O3/AlGaN/GaN MOS-HEMTs. Then, we perform trap characterizations, based on the analyses of transient current measurements, during the aging process. The results show that irreversible degradation affects threshold voltage with drift to negative values. These drifts were mainly attributed to cumulative trapping with power cycles, probably induced by hot electrons, in a progressive and non-recoverable way.

Les systèmes de transmission de l’information sans fil connaissent un essor considérable et sont intégrés dans la plupart des systèmes électroniques modernes. De manière plus spécifique, la consommation énergétique de la fonction amplification de puissance RF, qui constitue le cœur de ce travail de recherche, est un enjeu économique et écologique de premier plan. Dans ce sens, ce travail présente une architecture de polarisation de drain dynamique permettant de maintenir un rendement énergétique élevé sur une large dynamique de puissance de sortie. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF large bande, d’un modulateur de polarisation de drain haute fréquence et d’un pilote de grille en technologie GaN sont présentés. L’architecture proposée démontre une amélioration du rendement énergétique global. Une focalisation sur la problématique de couplage non-linéaire entre l’amplificateur de puissance RF et le module d’alimentation agile met en évidence les répercussions de cette méthode sur l’intégrité du signal. Une étroite impulsion de polarisation de grille est appliquée afin d'atténuer l’impact de la polarisation dynamique de drain sur les formes d'onde de l'enveloppe du signal RF amplifié. Une validation expérimentale du démonstrateur proposée est effectuée pour un signal impulsionnel RF multi-niveaux de test. Cette méthode permet de maintenir un facteur de forme de l’enveloppe du signal de sortie RF quasi-rectangulaire sans impact majeur sur les performances globales énergétiques. / Wireless communications are experiencing tremendous growth and are integrated into most modern electronic systems. More precisely, saving energy consumption of RF power amplifier is the core of this thesis work. This work presents a dynamic drain bias architecture used to keep a high efficiency over a large output power range. Design and implementation of a wideband RF power amplifier, a drain supply modulator and a gate driver circuit in GaN technology are presented. The built-in prototype demonstrates an overall efficiency improvement. A specific focus on non-linear interaction between the RF power amplifier and the drain supply modulator highlights the effects of this technique on the output envelope signal shape. A narrow pulse gate bias peaking preceding drain bias voltage variations is applied in order to mitigate drain bias current, voltage overshoot and power droop, thus improving pulse envelope waveforms of the RF output signal. An experimental validation of the proposed demonstrator is performed for a RF pulsed test sequence having different power levels. This way enables to keep rectangular pulse envelope shape at the RF output signal without any major impact on overall efficiency performances.

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 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.

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 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.