Le travail de la thèse s’articule sur le développement d’un nouveau type de capteurs de gaz à base des matériaux semi-conducteurs III-Nitrure (Les nitrures de gallium). Ces matériaux présentent de nombreux avantages qui pourraient être utilisées pour concevoir des capteurs NOx sensibles et sélectifs pour le contrôle des pollutions émises par la ligne d’échappement Diesel. Afin de limiter et déduire les gaz polluants émis par les moteurs à explosion en générale et les moteurs Diesel en particuliers (NO, NO2, NH3, CO, …), différentes normes européennes ont été établies. Pour respecter ces normes, plusieurs modifications sur les moteurs et les lignes d’échappement des véhicules ont été effectuées (filtres à particules, catalyseurs, capteurs NOx, …). Les capteurs NOx utilisés actuellement sont à base d’électrolyte solide. Ils sont basés dans leur fonctionnement sur la mesure de la concentration d’oxygène présente dans le gaz d’échappement qui permet de son tour l’estimation de la concentration totale des gaz NOx (mesure indirecte). Ces capteurs ne détectent pas le NH3 à la sortie de la ligne d’échappement, et ne donnent pas une information précise sur le rapport entre NO et NO2 (manque de sélectivité) qui est un facteur important pour le bon fonctionnement de catalyseur sélectif SCR (amélioration de rendement) ; d’où la nécessité d’un capteur de gaz plus performant et en particulier sélectif afin d’améliorer les systèmes de contrôle, de post-traitement et de diagnostic. Notre approche consiste à utiliser un transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) à gaz bidimensionnel d’électrons à base de nitrure de Gallium avec l’association d’une couche fonctionnelle à la place de la grille. L’interaction des molécules de gaz avec cette couche fonctionnelle donne une signature (variation de signal de sortie) spécifique pour chaque type de gaz qui aide à l’amélioration de la sélectivité. Le projet contient deux parties : l’optimisation de la structure choisie et l’optimisation de la couche fonctionnelle afin d’obtenir une détection sélective entre les différents gaz polluants. Cette technologie est intéressante pour développer des capteurs de gaz grâce aux possibilités de détecter des faibles variations de tensions et aux possibilités de fonctionnement dans des environnements sévères. La thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de l’OpenLab materials and processes en collaboration entre le laboratoire Georgia-Tech lorraine et l’entreprise Peugeot-Citroën PSA / The work of the thesis focuses on the development of a new type of gas sensors based III-Nitride semiconductor materials (gallium nitrides). These materials have many advantages that could be used to develop sensitive and selective NOx sensors for the control of pollution emitted by diesel exhaust line. To limit the polluting gases emitted by internal combustion engines in general and diesel in particular (NO, NO2, NH3, CO, ...), different European standards have been established. To meet these standards, anti-pollution systems (consisting of particle filters, catalysts, NOx sensors, ... etc) are used. NOx sensors currently used in automobiles are based on a solid electrolyte. Their operation is based on the measurement of the oxygen concentration. This enables an estimate of the total concentration of NOx gas (indirect measurement) after filtering NOx from O2 and decomposing NOx into O2. These sensors do not detect NH3 at the outlet of the exhaust line, and do not give accurate information on the relationship between NO and NO2 (lack of selectivity) which is important factor for an optimal functioning of selective catalyst (SCR performance improvement). Hence there exists a need for a more efficient and selective in particular gas sensor to improve the control systems, post-treatment and diagnosis. Our approach is to use a HEMT (High Electron Mobility Transistor) transistor based on gallium nitride with a combination of a functional layer instead of the gate. The interaction of the gas molecules with the functional layer gives a signature (output signal variation) specific for each type of gas that helps to improve the selectivity. The project contains two parts: the optimization of the chosen structure and the optimization of the functional layer in order to achieve selective detection between various gaseous pollutants. This technology is interesting for development of gas sensors through the possibility of detection low voltage variations and the possibility of operating in harsh environments. The thesis is part of OpenLab "Materials and Processes" in a collaboration between Georgia Tech-CNRS laboratory and the PSA Peugeot-Citroen Group

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une filière de transistors de puissance à base de nitrure de Gallium au CEA-LETI. Ces transistors, en particulier les HEMT utilisant l’hétérostructure AlGaN/GaN, présentent des propriétés très utiles pour les applications de puissance. L’essor de cette technologie passe notamment par le développement de contacts ohmiques peu résistifs. Cette thèse a pour objectif d’approfondir la compréhension des mécanismes de formation du contact ohmique sur une structure AlGaN/GaN. Dans un premier temps, une étude thermodynamique sur une dizaine de métaux de transition utilisables comme base de l’empilement métallique du contact a été menée, ce qui a permis de retenir une métallisation Ti/Al. Puis, les différentes réactions physico-chimiques de cet empilement avec des substrats nitrurés ont été étudiées en faisant varier la composition et les températures de recuit de formation du contact ohmique. Enfin, plusieurs études sur structure AlGaN/GaN couplant caractérisations électriques et physico-chimiques ont permis d’identifier des paramètres décisifs pour la réalisation d’un contact ohmique, peu résistif et nécessitant une faible température de recuit. / This PhD is part of the development of Gallium nitride based power transistors at the CEA-LETI. These transistors, especially those based on AlGaN/GaN heterostructure, are very promising for power electronics applications. The goal of this PhD is to increase the knowledge of the mechanisms responsible for the ohmic contact formation on a AlGaN/GaN structure. First, a thermodynamic study of several transition metals has been performed, leading us to select Ti/Al metallization. Then, the multiple physico-chemical reactions of this stack with nitride substrates have been studied depending on the stack composition and the annealing temperature. Finally, several studies on AlGaN/GaN structure coupling both physico-chemical and electrical characterizations reveal different decisive parameters for the formation of an ohmic contact with a low-resistance and a low annealing temperature.

Afin de répondre à l’exigence croissante de densité de puissance aux hautes fréquences, les chercheurs se sont intéressés aux matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium GaN. Les HEMTs (transistors à haute mobilité électronique) AlGaN/GaN ne sont pas stabilisées et donc l’analyse de défaillance de ces composants est difficile (défauts multiples).Les mécanismes de défaillance des HEMTs GaAs sont difficilement transposables sur les HEMTs GaN et nécessitent donc une étude approfondie. De plus que les données actuelles sur les effets de pièges ne permettent pas d’expliquer facilement des effet parasites comme l’effet de coude. Ce qui nécessité de développer de nouvelles procédures d’analyse de défaillance adaptées aux composant GaN. Les dégradations induites par les électrons chauds sont difficilement détectables par la technique d ‘émission de lumière standard ce qui a nécessité le développement de la microscopie à émission de lumière dans le domaine de l’UV. L’objectif principal de ce travail est la mise au point d'une méthodologie d'analyse de défaillance pour les filières GaN et l’optimisation des techniques electro-optiques non destructives de localisation de défauts. En vue de l’amélioration des procédés technologiques, et de la fiabilité des HEMT GaN. / There are several economic and technological stakes, which require the development of suitable techniques for failure analysis on microwave devices, the HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN play a key role for power and RF low noise applications.The technologies are not completely stabilized and the failure analysis is difficult. Which need the development of a non destructive investigation techniques such as electroluminescence technics. To improve the GaN HEMT performance and reliability, understanding the failure mechanisms is critical. The standard emission light is not sufficient for hot-elctron detection in GaN material. And the development of UV light emission become necessary in the AlGaN/GaN HEMT.

Gallium Nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMT) have superior performance characteristics compared to Silicon (Si) and Gallium Arsenide (GaAs) based transistors. GaN is a wide bandgap semiconductor which allows it to operate at higher breakdown voltages and power. Unlike traditional semiconductor devices, the GaN HEMT channel region is undoped and relies on the piezoelectric effect created at the GaN and Aluminum Gallium Nitride (AlGaN) heterojunction to create a conduction channel in the form of a quantum well known as the two dimensional electron gas (2DEG). Because the GaN HEMTs are undoped, these devices have higher electron mobility crucial for high frequency operation. However, over time and use these devices degrade in a manner that is not well understood. This research utilizes low frequency noise (LFN) as a method for analyzing changes and degradation mechanisms in GaN-on-Si devices due to gate stress. LFN is a useful tool for probing different regions of the device that cannot be measured through direct means. LFN generation in GaN HEMTs is based on the carrier fluctuation theory of 1/f noise generation which states fluctuations in the number of charge carriers results in conductance fluctuations that produce a Lorentzian noise spectrum. The summing Lorentzian noise spectra from multiple traps leads to 1/f and random telegraph signal (RTS) noise. The primary cause of carrier fluctuations are electron traps near the 2DEG and in the AlGaN bulk. These traps occur naturally due to dislocations and impurities in the manufacturing process, but new traps can be generated by the inverse-piezoelectric effect during gate stress. This thesis introduces noise and presents a circuit to bias the devices and measure gate and drain LFN simultaneously. Three measurements are performed before and after gate DC stress at three different temperatures: DC characterization, capacitance-voltage (C-V) measurements, and LFN measurements. The DC characteristics show an increase in gate leakage after stress caused by an increase in traps after degradation consistent with trap assisted tunneling. However, the leakage current on the drain and source side differ before and after stress leading to the conclusion that the source side of the gate is more sensitive to gate stress. Gate leakage current on the drain side is also sensitive to temperature due to thermionic trap assisted tunneling. Hooge parameter calculations agree with previous research. The LFN results show an increase in gate and drain noise power, SIg(f) and SId(f), in accordance with increased gate leakage current under cutoff bias. RTS noise is also observed to increase in frequency with increased temperature. Activation energies for RTS noise are extracted and qualitatively linked to trap depth based on the McWhorter trap model.

This thesis deals with the analysis of a planar antenna operating at two frequencies with use frequency doubling. The design and simulation of the antenna in ANSOFT Designer is described. The antenna is designed for two operating frequencies 900 MHz and 1.8 GHz. The antenna is required to operate TM10 mode and TM01 modes.

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Advanced achievements in the area of RF circuit design led to a significant increase in availability of wireless communications in everyday life. However, the rapid growth in utilizing the RF equipment has brought several challenges in different aspects of RF circuit design. This has been motivating researchers to introduce solution to cope with these challenges and further improve the performance of the RF circuits. In this dissertation, we focus on the improvements in three aspects of the circuit design. High temperature and temperature compensated transmitter design, ultra-low phase noise signal generators, and compact and low complexity polar transmitter design. Increase in the ambient temperature can impact the performance of the entire communication system. However, the RF hardware is main part of the system that is under the impact of the temperature variations in which it can change the characteristics of the individual building blocks of the RF chain. Moreover, transistors are the main elements in the circuit whose performance variation must be consider when the design target is compensating the temperature effects. The influence of the temperature variation is studied on the transistors and the building blocks in order to find the most effective approaches to compensate these variations and stabilize the performance of the RF chain at temperatures up to 220 C. A temperature sensor is designed to sense these variations and adjust the characteristics of the circuit components (e.g. bias voltages), accordingly. Further, a new variable gain phase shifter (VGPS) architecture is introduced toward minimizing the temperature impact on its performance in a phased-array transmitter architecture. Finally, a power amplifier as the last stage in a transmitter chain is designed and the variation in its performance with temperature is compensated through the VGPS stage. The transmitter is prototyped to evaluate its performance in practice. Another contribution of this dissertation is to introduce a novel voltage-controlled oscillator (VCO) structure to reduce the phase noise level below state-of-the-art. The noise to phase noise mechanism in the introduced doubly tuned oscillator is studied using linear time-variant (LTV) theory to identify the dominant noise sources and either eliminate or suppress these noise sources by introducing effective mechanism such as impedance scaling. The designed VCO is fabricated and measurement results are carried out that justified the accuracy of the analyses and effectiveness of the introduced design approach. Lastly, we introduce a compact and simple polar transmitter architecture. This type of transmitters was firstly proposed to overcome the serious shortcomings in the IQ transmitters, such as IQ imbalance and carrier leakage. However, there is still several challenges in their design. We introduce a transmitter architecture that operates based on charge to phase translation mechanism in the oscillator. This leads to significantly reduction in the design complexity, die area, and power dissipation. Further, it eliminates a number of serious issues in the design such as sampling rate of the DACs. comprehensive post-layout simulations were also performed to evaluate its performance. / Doctor of Philosophy / To keep up with the ever-growing demand for exchanging information through a radio frequency (RF) wireless network, the specification of the communication hardware (i.e. transmitter and receiver) must be improved as the bottleneck of the system. This has been motivating engineers to introduce new and efficient approaches toward this goal. In this dissertation however, we study three aspects of the circuit design. First, variation in the ambient temperature can significantly degrade the performance of the communication system. Therefore, we study these variations on the performance of the transmitter at high temperature (i.e. above 200 C). Then, the temperature compensation approaches are introduced to minimize the impact of the temperature changes. The effectiveness of the introduced techniques are validated through measurements of the prototyped transmitter. Second, signal generators (i.e. oscillators) are the inseparable blocks of the transmitters. Phase noise is one of the most important specifications of the oscillators that can directly be translated to the quality and data rate of the communication. A new oscillator structure targeting ultra-low phase noise is introduced in the second part of this dissertation. The designed oscillator is fabricated and measured to evaluate its performance. Finally, a new polar transmitter architecture for low power applications is introduced. The transmitter offers design simplicity and compact size compared to other polar transmitter architectures while high performance.

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.

Résumé: Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Les nouveaux défis à surmonter sont à la fois l’augmentation des distances de transmission associée à l’accroissement des quantités de données véhiculées ainsi que la miniaturisation, la réduction du coût de production, la moindre consommation énergétique et la fiabilité de la solution technologique employée pour la chaîne de transmission. Dans ce sens, l’exploitation de bandes de plus hautes fréquences et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de fabrication et d’encombrement. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vu de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisés et des premiers produits commerciaux (off-the-shelf) disponibles. L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie particulièrement sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le déploiement d’une méthodologie permettant la modélisation semi-physique de transistors fabriqués expérimentalement et démontrant des performances à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail portera sur la caractérisation thermique du dispositif en fonctionnement ainsi que sur la modélisation d’éléments secondaires (éléments passifs) pour la conception d’un circuit amplificateur hyperfréquence. / Abstract: Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. Concerning the associated technological solutions, the new challenges to overcome are both the performance increases in terms of data quantity as well as the associated device features in terms of size, production costs, energetic consumption and reliability. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of secondary elements (passive elements) suited for the design of hyperfrequency amplifiers.