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Cette thèse démontre la faisabilité de l'utilisation de la technologie Nitrure de Gallium (GaN) dans les systèmes RF / micro-ondes reconfigurables. Les principales caractéristiques de ce type de technologie des semi-conducteurs se résident dans ses capacités de supporter des puissances élevées avec un rendement aussi élevé. En outre, la technologie GaN est un candidat très prometteur pour la réalisation des applications haute puissance/haute fréquence. Le travail de cette thèse est divisé en deux parties principales. La première est consacrée au développement, à l’analyse et à la caractérisation en DC et en RF jusqu'à 20 GHz des circuits actifs réalisés à base de la technologie GaN, tels que les diodes varicap et les commutateurs. Les diodes varicap fabriquées ont été modélisées en petit et grand signal par des équations analytiques contenant des coefficients empiriques ainsi un modèle en circuit a été développé, tandis aux commutateurs, un modèle de circuit en petit signal a été proposé. Ces composants actifs ont été réalisés en utilisant les processus GaN HEMTs de fabrication offerts par le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). La deuxième partie aborde les aspects de l'intégration de ces dispositif actifs GaN et de la conception des circuits reconfigurables proposés, tels que déphaseur reconfigurable, -3dB 90° coupleur hybride reconfigurable, oscillateur accordable en fréquence, commutation de faisceau et accordabilité en fréquence d’un réseau d'antennes patch tout en utilisant ces diodes varicap et commutateur GaN développées au fil de cette thèse. A travers cette thèse, l'utilisation de la technologie GaN pour la conception des designs RF reconfigurables en fréquence pour les applications fonctionnant au-dessous de 10 GHz a été démontrée. / This thesis demonstrates the feasibility of using the Gallium Nitride (GaN) technology in reconfigurable RF/microwave systems. The main features of this type of semiconductor technology being its high power with high efficiency. In addition, GaN technology is a very promising candidate for realizing high power/high frequency applications. The thesis work is divided in two main parts. The first one is devoted to active GaN devices, such as varactor diodes and switches, development, analyze and characterization via DC and RF up to 20 GHz. The fabricated varactor were modeled by analytic equations containing empirical coefficients and also a physic circuit model was developed, while for the switches only a small signal physic circuit model was proposed. These GaN devices was manufactured by using the Canadian National Research Council (NRC) GaN HEMTs processes. The second part addresses the integration and design aspects of the reconfigurable proposed circuits, such as tunable phase shifter, reconfigurable 3-dB 90° hybrid coupler, tunable frequency oscillator, beam switching antenna array and matching reconfigurable patch antenna based on these developed GaN varactors and switches devices. The use of GaN on highly efficient reconfigurable designs for broadband RF/microwave applications operating below 10 GHz was demonstrated.

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l'apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l'analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d'analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d'analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en œuvre d'un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en œuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress.Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l'intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n'autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l'adjonction d'un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d'interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. [...] / In the race to technologies development, disruptive wide bandgap GaN devices propose challenging performances for high power and high frequency applications. These technologies strongly mobilize academic and industrial partners in order to improve both the performances and the reliability aspects. Extensive efforts have made it possible to better identify, understand and control first order degradation mechanisms limiting the lifetime of the devices; however, the correlation (and fine physical analysis) of different degradation mechanisms still raises many questions, and it is essential to strengthen these studies by mean of multi-tool analysis approach. In this thesis, we propose a twofold analysis strategy. The first aspect concerns the implementation of a stress bench that allows the monitoring of numerous static and dynamic electrical markers, without removing the devices under test from their environment (in order to have a consistent data set during the period of the strain application). The second aspect consists in implementing a physical TCAD model of the technology under study, in order to calibrate the component before stress, and to tune the model at different periods of stress (still considering stress-dependent parameters potentially affecting the device). The first chapter is devoted to the presentation of the main reliability tests of GaN HEMTs, and of the electrical and/or structural defects identified in the literature; it thus refers to so-called non-invasive techniques (i.e. respecting the functional integrity of the component under test), and destructive techniques (i.e. not allowing additive electrical measurement). The second chapter presents the high frequency and thermal stress bench dedicated to this study; the addition of a vector network analyzer switching between the four test channels provides dynamic frequency data, in order to interpret the variations of the small signal electrical model of the devices under test at different stress periods.[...]

Le développement des systèmes de télécommunication et de transfert d’informations motive la mise au point de systèmes de transmission qui permettent des débits plus élevés sur des distances plus grandes. De ce fait, les transistors utilisés dans ces systèmes doivent fonctionner à des fréquences et des puissances plus élevées. Différents transistors sont apparus pour répondre au mieux aux contraintes des applications visées par ces systèmes. Les transistors à haute mobilité électronique, HEMT, en nitrure de gallium (GaN) répondent actuellement aux applications allant de 1GHz à 30GHz. Pour ces applications, les HEMT GaN concurrencent avantageusement les technologies bipolaires et BiCMOS basées sur SiGe, les LDMOS Si et SiC, ainsi que les PHEMT GaAs. Même si la filière technologique GaN est encore récente, les HEMT GaN semblent prometteurs. A l’image des autres technologies III-V (InP, GaAs), les procédés de fabrication utilisés pour les HEMT AlGaN/GaN sont complexes et entraînent la formation de nombreux défauts cristallins. Des effets parasites de fonctionnement sont induits par des mécanismes physiques qui pénalisent le transport des porteurs dans la structure. De ce fait, à l’heure actuelle, ces effets parasites ont une influence négative sur les performances de ce transistor. Ils sont principalement liés aux pièges à électrons induits par des impuretés présentes dans le matériau ou des défauts cristallins. Malgré cela, les performances sont très prometteuses et rivalisent déjà avec d’autres technologies hyperfréquences (InP, GaAs, SiC et Si) puisque les HEMTs AlGaN/GaN débitent des puissances de 4W/mm à 30GHz [ITRS08]. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude des phénomènes parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN. Les composants étudiés dans ce travail proviennent du programme blanc ANR CARDYNAL et ont été fabriqués par III-V Lab Alcatel-Thales. Une méthodologie a été développer afin de permettre la simulation TCAD d’un HEMT GaN dans l’objectif de valider ou d’invalider les origines des mécanismes de dégradation ainsi que des effets parasites. Le courant de grille a été spécialement étudié et un modèle analytique permettant de le décrire en fonction de la température a été développé. Les mécanismes de transport à travers la grille ont aussi été étudiés par simulation TCAD afin de les localiser géographiquement dans la structure du transistor. / III-V nitrides have attracted intense interest recently for applications in high-temperature, high-power electronic devices operating at microwave frequencies. Great progress has been made in recent years to improve the characteristics of nitride High Electron Mobility Transistors (HEMTs). However, it's necessary to study the mecanisms involved in the electron transport as the mechanic strain on the AlGaN layer, the fixed charge distribution and leakage currents. In this goal, from DC I-V measurements, pulsed I-V measurements and DCTS measurements, TCAD simulation are used to validate the assumption on the origin of the parasitic mechanisms on the electron transport. I-V measurement in temperature (from 100K to 200K) are used to identify the nature of mechanisms (Poole-Frenkel, band-to-band tunneling, thermionic,..). With this method, an accurate study of the gate current was done. To choose the different physical phenomena and which model to implement in the TCAD simulations, an analytical model was developed with a compraison with measurements. These mechanisms are validated by TCAD simulation. The comparaison between I-V measurements and simulation permit to localize (in the transistor) these parasitic mechanisms. In conclusion of this work, a high density of traps in a thin layer under the gate increase the probability of tunnelling current through the gate. When the gate bias increases, the high density of traps in AlGaN layer is using by electrons to leak by the gate. When the gate bias increases, the valence band in AlGaN layer is aligned with the conduction band in the channel. The very thin thickness of this layer (about 25nm) makes possible a band-to-band tunneling.

III-nitrides are a promising material system with unique material properties, which allows them to be utilized in a variety of semiconductor devices. III-nitrides grown by NH3-MOMBE are typically grown with high carbon levels (> 1021 cm-3) as a result of the incomplete surface pyrolysis of the metal-organic sources. Recent research has involved the compensating nature of carbon in III-nitrides to produce semi-insulating films, which can provide low-leakage buffer layers in transistor devices. The aim of this work is to investigate the possibility of forming a 2DEG, which utilizes the highly carbon-doped GaN layers grown by NH3-MOMBE to produce low-leakage buffer layers in the fabrication of HEMTs. These low leakage GaN buffers would provide increased HEMT performance, with better pinch-off, higher breakdown voltages and increased power densities. Additionally, methods of controlling and/or reducing the incorporation of carbon will be undertaken in an attempt to broaden the range of possible device applications for NH3-MOMBE. To realize these transistor devices, optimization and improved understanding of the growth conditions for both GaN and AlGaN will be explored with the ultimate goal of determining the feasibility of III-nitride transistors grown by NH3-MOMBE.

abstract: In this work, an advanced simulation study of reliability in millimeter-wave (mm-wave) GaN Devices for power amplifier (PA) applications is performed by means of a particle-based full band Cellular Monte Carlo device simulator (CMC). The goal of the study is to obtain a systematic characterization of the performance of GaN devices operating in DC, small signal AC and large-signal radio-frequency (RF) conditions emphasizing on the microscopic properties that correlate to degradation of device performance such as generation of hot carriers, presence of material defects and self-heating effects. First, a review of concepts concerning GaN technology, devices, reliability mechanisms and PA design is presented in chapter 2. Then, in chapter 3 a study of non-idealities of AlGaN/GaN heterojunction diodes is performed, demonstrating that mole fraction variations and the presence of unintentional Schottky contacts are the main limiting factor for high current drive of the devices under study. Chapter 4 consists in a study of hot electron generation in GaN HEMTs, in terms of the accurate simulation of the electron energy distribution function (EDF) obtained under DC and RF operation, taking into account frequency and temperature variations. The calculated EDFs suggest that Class AB PAs operating at low frequency (10 GHz) are more robust to hot carrier effects than when operating under DC or high frequency RF (up to 40 GHz). Also, operation under Class A yields higher EDFs than Class AB indicating lower reliability. This study is followed in chapter 5 by the proposal of a novel π-Shaped gate contact for GaN HEMTs which effectively reduces the hot electron generation while preserving device performance. Finally, in chapter 6 the electro-thermal characterization of GaN-on-Si HEMTs is performed by means of an expanded CMC framework, where charge and heat transport are self-consistently coupled. After the electro-thermal model is validated to experimental data, the assessment of self-heating under lateral scaling is considered. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

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

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Yes / Much attention has been paid to making 5G developments more en-ergy efficient, especially in view of the need for using high data rates with more complex modulation schemes within a limited bandwidth. The concept of the Doherty power amplifier for improving amplifier efficiency is explained in addi-tion to a case study of a 70W asymmetrical Doherty power Amplifier using two GaN HEMTs transistors with peak power ratings of 45W and 25W. The rationale for this choice of power ratio is discussed. The designed circuit works in the 3.4GHz frequency band with 200 MHz bandwidth. Rogers RO4350B substrate with dielectric constant εr=4.66 and thickness 0.035 mm is used. The perfor-mance analysis of the Doherty power amplifier is simulated using AWR MWO software. The simulated results showed that 54-64% drain efficiency has been achieved at 8 dB back-off within the specified bandwidth with an average gain of 10.7 dB.

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.