• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2023ULILN030
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 27/10/2023

Résumé en langue originale

Le développement de technologies III-V devrait permettre de répondre aux besoins du marché qui nécessite la conception de composants électriques fonctionnant dans les gammes millimétriques et submillimétriques (fréquences THz). On peut citer par exemple le développement de caméra utilisant les ondes millimétriques pour la sécurité et le contrôle d'accès (stade, concert, enregistrement en aéroport…), le spatial, la spectroscopie…Un autre champ d'application important concerne les communications ultra-haut débit sans fil pour la téléphonie mobile actuelle (5G) et surtout future (6G).Il s'avère donc nécessaire de développer des transistors ayant des fréquences de fonctionnement au THz. Les transistors HEMTs sont les meilleurs candidats en termes de performances pour le développement de circuits intégrés de réception d'ondes submillimétriques. La fréquence maximale d'oscillation fmax est un paramètre important pour l'amplification de ces signaux analogiques. Cette fréquence doit être dans la gamme du THz. Des premiers résultats obtenus à l'IEMN indiquent une fréquence maximale d'oscillation de 1,1THz pour des transistors HEMT InAlAs/InGaAs/InAs sur substrat InP. Cette fréquence a été obtenue par extrapolation du gain unilatéral de Mason U mesuré jusque 110GHz. Afin de valider ce résultat à l'état de l'art, il est nécessaire de le confirmer par des mesures au-delà de 110GHz, dans les gammes d'ondes submillimétriques.Dans ces travaux de thèse, nous proposons une caractérisation hyperfréquence sous pointes d'un même transistor jusque 1,1 THz. Cette caractérisation nécessite l'utilisation de plusieurs bancs de mesures sous pointes : 0.25-110GHz, 140-220GHz, 220-325GHz, 325-500GHz, 500-750GHz et 750-1100GHz. Pour cela, nous avons conçus une méthodologie de caractérisation on-wafer large bande (250 MHz - 1,1 THz) basée sur la méthode d'étalonnage multiline Thru-Reflect-Line (mTRL). Un kit d'étalonnage mTRL a été développé à l'aide de l'outils de simulation électromagnétique HFSS-Ansys ; les transistors HEMTs InAlAs/InGaAs/InAs sur substrat InP ont été optimisés et adaptés pour permettre cette mesure large bande. Afin de valider cette conception, le kit mTRL large bande ainsi que des HEMTs ont été fabriqués sur substrat d'InP. Les paramètres petit signal Scattering S d'un transistor HEMT ont été mesurés de 250MHz à 1.1THz. A partir de ces paramètres S, nous avons pu déterminer les principaux gains du transistor jusque 1.1THz et extraire plus précisément les valeurs des fréquences de coupures fT/fmax du HEMT.

Résumé traduit

The development of III-V technologies should make it possible to meet the needs of the market requiring the design of electrical components operating in the millimeter and submillimeter ranges (THz frequencies). Such electronic components can be implemented for example in the development of cameras that use millimeter and submillimeter waves for security and access control (stadium, concert, airport check-in, etc.), space, spectroscopy, etc. Another important field of application concerns ultra-high-speed wireless communications for current (5G) and especially future (6G) mobile telephony.For such applications, it is necessary to develop transistors having operating frequencies at THz. In terms of performance, HEMTs are the best candidates for the development of integrated circuits for receiving and amplifying submillimeter waves. The maximum frequency of oscillation fmax is an important parameter for the amplification of these analog signals. This frequency must be in the THz range. First results of HEMT InAlAs/InGaAs/InAs on InP substrate were reported at IEMN indicating a maximum frequency of oscillation fmax of 1.1 THz. This frequency was obtained by extrapolation of Mason's unilateral gain U measured up to 110 GHz. In order to validate this result with the state of the art, it is necessary to perform transistor measurements beyond 110 GHz in the sub-millimeter wave range.In this thesis, we propose to develop a microwave characterization methodology of the same transistor up to the frequency of 1.1 THz. This characterization requires the use of several measurement benches: 0.25 - 110 GHz, 140 - 220 GHz, 220 - 325 GHz, 325 - 500 GHz, 500 - 750 GHz and 750 - 1100 GHz. Therefore, we have designed a broadband on-wafer characterization method over the frequency range 250 MHz - 1.1 THz based on the multiline Thru-Reflect-Line (mTRL) calibration technique. An mTRL calibration kit was developed using the HFSS-Ansys electromagnetic simulation tool; the InAlAs/InGaAs/InAs HEMTs transistors on an InP substrate have been optimized and adapted to allow this broadband measurement. In order to validate this design, the broadband mTRL kit as well as the HEMTs were fabricated on an InP substrate. The small signal Scattering S parameters of the HEMT transistor have been measured from 250 MHz to 1.1 THz. From these S parameters, we were able to determine the main gains of the transistor up to 1.1 THz and extract more precisely the values of the cut-off frequencies fT/fmax of the HEMT.