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.

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Ces travaux de recherche se rapportent à l’évaluation des potentialités des transistors à base de graphène ainsi que la mise en évidence des effets dispersifs sur les transistors HEMTs en technologie Nitrure de Gallium. Les principaux résultats issus de ces travaux sont obtenus suite au développement d’un banc de caractérisation spécifique. L’objectif principal pour la caractérisation des transistors en technologie AlGaN/GaN a été de développer des techniques innovantes de caractérisation. Des mesures IV et RF impulsionnelles ont été réalisées afin de caractériser et modéliser les phénomènes de pièges. Cette méthode fournit un moyen efficace d’évaluer les constantes de temps thermiques et de pièges pour la modélisation non linéaire. Ces mesures illustrent ainsi l’impact des effets de pièges sur le comportement dynamique grand signal des transistors GaN. Le second aspect de ces travaux de recherche est axé sur la caractérisation de différents composants à base de graphène afin d’extraire un modèle non linéaire. Des caractérisations DC et HF ont été réalisées. Des structures spécifiques de test ont été fabriquées pour la technique de « de-embedding » permettant l’extraction du modèle non linéaire. La cohérence du modèle électrique a été vérifiée via une comparaison des paramètres S mesurés et simulés. Il est primordial de construire des modèles performants prenant en compte les nouvelles caractéristiques de ces dispositifs dans le but d’établir un lien fort entre les aspects technologiques et systèmes afin d’améliorer les performances HF des transistors à base de graphène. / The aim of this work is to assess the potentialities of Graphene Field Effect Transistors (G-FET) as well as to put in evidence dispersive effects of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs). The main experimental results of this study have been obtained through the development of an advanced characterization set-up. The main objective for characterization of AlGaN/GaN HEMTs was to develop innovative characterization techniques such as very short pulses and electrical history measurements. Dedicated time-domain pulsed I-V measurements have been performed in order to characterize and model the time dependent trapping phenomena in such devices. The current collapse (Kink effect) and drain lag are directly related to quiescent and instantaneous bias points as well as thermal effects which play a prominent role. This method provides an efficient way to assess the different thermal and trapping time constants for the nonlinear modeling. The second aspect of this research work was the characterization of several graphene-based devices in order to assess the potentialities of such transistors and to derive a nonlinear device model. DC and high frequency characterization were performed. Specific test structures fabricated for accurate de-embedding at high frequencies along with the nonlinear model extraction were detailed in this work. This electrical model consistency has been checked through the comparison of measured and simulated multi-bias S-parameters. For this new material with outstanding electrical properties and promising capabilities, material and technological process are still subject to intensive research activities to improve high frequency graphene FET 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.

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 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.