• Langue : Anglais
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2024ULILN045
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 17/12/2024

Résumé en langue originale

Ces dernières années, des avancées significatives ont été réalisées avec les transistors à haute mobilité électronique en GaN (HEMTs) contribuant à l'évolution de la prochaine génération de réseaux 5G, de systèmes radar et de communications par satellite. Cependant, pour améliorer davantage l'amplification de puissance et les performances à haute fréquence (>30 GHz), de nouvelles architectures ont été développées. Ces conceptions se caractérisent pardes structures repensées avec des longueurs de grille inférieures à 150 nm, des couches barrières réduites ou des couches épitaxiales optimisées. Plusieurs groupes de recherche ont obtenu des résultats remarquables, alliant un rendement en puissance ajoutée élevée (PAE > 50%) à une puissance de sortie élevée (POUT > 3 W/mm), couvrant des plages de fréquences allant de la bande Ka (30 GHz) à la bande W (94 GHz). Malgré ces progrès, la fiabilité des dispositifs de faibles dimensions reste un défi majeur en raison du champ électrique élevé, de l'auto-échauffement et des effets de piégeage. Cette recherche associe la fabrication et la caractérisation de dispositifs avec des simulations TCAD pour fournir des informations clés dans ce domaine. L'une des technologies les plus prometteuses, le HEMT à canal AlGaN gradué, a été analysée à travers des simulations pour mieux comprendre ce qui en fait une solution unique. De plus, grâce à une architecture de buffer optimisée reposant sur l'insertion d'une couche barrière sous le canal en AlGaN et une barrière ultra-mince en AlN, des performances en puissance à l'état de l'art à 40 GHz ont été atteintes sur les composants fabriqués. Enfin, une nouvelle architecture sans buffer dotée d'une barrière ultra-mince en AlGaN a également été étudiée, montrant des résultats prometteurs qui pourraient rivaliser avec les technologies existantes. La fiabilité à court terme de ces structures a été évaluée afin d'identifier les principaux points faibles et d'orienter les futurs développements.

Résumé traduit

In recent years, significant progress has been achieved with GaN high electron mobility transistors (HEMTs) in advancing the next generation of 5G networks, radar systems, and satellite communications. However, to further enhance power amplification and high-frequency operation (>30 GHz), innovative architectures have been developed. These designs feature reengineered structures, including sub-150 nm gate lengths, thinner barrier layers, or optimized epitaxial layers. Several research groups have demonstrated impressive results, achieving high power-added efficiency (PAE > 50%) with substantial high output power (POUT > 3 W/mm), across frequency ranges from the Ka-band (30 GHz) to the W-band (94 GHz). Despite these advancements, the reliability of short devices remains a significant challenge due to high electric field, self-heating, and electron trapping effects. This research integrates device fabrication, structural and electrical characterizations, and TCAD simulations to provide cutting-edge insights in this field. One of the most promising technologies, the graded AlGaN channel HEMT has been explored through advanced simulations to better understand its unique properties. Furthermore, an optimized buffer architecture using an AlGaN back barrier and an ultra-thin AlN barrier has enabled state-of-the-art power performance at 40 GHz in fabricated devices. Finally, a novel buffer-free architecture featuring an ultra-thin AlGaN barrier has also been investigated, showing promising results that may rival existing technologies. Short-term reliability tests have been conducted to identify key shortcomings and guide future development.