Note ABES Design, fabrication and simulation of next generation robust GaN HEMTs for millimeter wave applications Conception, fabrication et simulation de HEMTs GaN robustes de prochaine génération pour les applications millimétriques GaN Electronique Technologie Transistor à haute mobilité électronique (HEMT) GaN Power performances HEMTs Tcad Reliability Électronique de puissance Fiabilité Conception assistée par ordinateur Nitrure de gallium Ondes millimétriques 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. 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. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 37810490 https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/EDENGSYS/2024/2024ULILN045.pdf https://theses.hal.science/tel-05234737 https://theses.fr/2024ULILN045/abes https://theses.hal.science/tel-05234737 https://theses.hal.science/tel-05234737 https://theses.hal.science/tel-05234737 Grandpierron François Grandpierron 1997-05-09 FR 28421437X https://theses.fr/2024ULILN045 2024ULILN045 https://doi.org/10.70675/a7bd5527z0db4z4c2fz9892z27f4db32ad6e 2024-12-17 Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes Université de Lille (2022-....) 259265152 Doctorat Docteur es non oui Medjdoub Farid MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 084651512 Théron Didier MADS_PRESIDENT_DU_JURY 059916567 Roda Neve César MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 284213632 Tanguy Jean-Marc MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 284214175 Collaert Nadine MADS_RAPPORTEUR_1 174097131 Raskin Jean-Pierre MADS_RAPPORTEUR_2 137552270 École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 25860221X Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 138736421 France. Direction générale de l'armement MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_2 24527152X Centre national de la recherche scientifique (France ; 1939-....) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_3 02636817X Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 / IEMN MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_4 1066983 ddc:620 Medjdoub Farid Théron Didier Roda Neve César Tanguy Jean-Marc Collaert Nadine Raskin Jean-Pierre École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie France. Direction générale de l'armement Centre national de la recherche scientifique (France ; 1939-....) Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 / IEMN PDF 37810490