• Langue : Français
• Discipline : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Identifiant : 2025ULILN040
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 18/12/2025

Résumé en langue originale

Dans le contexte de l'essor des télécommunications et de l'exploitation de bandes de fréquences toujours plus élevées, notamment la bande Ka, essentielle pour les systèmes satellitaires et les futurs réseaux mobiles. Dans ce cadre, la technologie HEMT GaN sur silicium, développée par le CEA-Leti et compatible CMOS, a été étudiée comme une solution prometteuse alliant performances RF, intégration et coûts maîtrisés.Les contributions de ce travail se déclinent en plusieurs volets. Une méthodologie complète de caractérisation a tout d'abord été proposée afin d'identifier et de quantifier les effets limitatifs liés aux phénomènes thermiques et aux pièges, qui dégradent les performances dynamiques des dispositifs. Ces travaux ont permis de comparer différentes variantes technologiques (MISHEMT, Recess-Gate) et de mettre en évidence leurs points forts respectifs. Par ailleurs, un modèle électrique petit signal et grand signal a été élaboré, intégrant les comportements non linéaires et offrant un outil fiable pour la conception de circuits MMIC.Enfin, la conception d'un amplificateur de puissance à deux étages opérants entre 26 et 30 GHz, basé sur les transistors étudiés, a démontré la pertinence de cette technologie pour des applications concrètes en bande Ka. Les performances obtenues présentent une Pout de 33 dBm et une PAE supérieur à 30% et gain petit signal supérieur à 15 dB, confirment le potentiel industriel du GaN sur Si pour les futures générations de systèmes de communication.En conclusion, cette recherche a contribué à la fois à une meilleure compréhension des mécanismes physiques des transistors GaN sur Si et à leur mise en œuvre dans des circuits intégrés à haute fréquence. Si des défis persistent, notamment en matière de gestion thermique et de fiabilité, les perspectives ouvertes concernent l'optimisation des procédés, l'élargissement de la modélisation et l'exploration de fréquences encore plus élevées, en lien avec l'évolution vers les réseaux 6G et au-delà.

Résumé traduit

In the context of the rapid expansion of telecommunications and the exploitation of increasingly high frequency bands, particularly the Ka-band, which is essential for satellite systems and future mobile networks. In this framework, the GaN-on-silicon HEMT technology developed by CEA-Leti, and CMOS compatible, was investigated as a promising solution that combines RF performance, integration capability, and cost efficiency.The contributions of this thesis can be summarized in several key points. First, a comprehensive characterization methodology was proposed to identify and quantify the limiting effects of thermal phenomena and trapping mechanisms, which degrade the dynamic behavior of the devices. This study enabled the comparison of different technological variants (MISHEMT, Recess-Gate) and highlighted their respective advantages. In addition, a small-signal and large-signal electrical model was developed, incorporating nonlinear effects and providing a reliable tool for MMIC design.Finally, the design of a two stage power amplifier operating between 26 and 30 GHz, based on the transistors studied, demonstrated the relevance of this technology for concrete Ka-band applications. The performance shows an output power of 33 dBm, a PAE greater than 30%, and a small signal gain above 15 dB confirms the industrial potential of GaN on Si for next-generations communication systems.In conclusion, this research has contributed both to a deeper understanding of the physical mechanisms in GaN on Si transistors and to their practical implementation in high-frequency integrated circuits. While challenges remain, particularly regarding thermal management and device reliability, the perspectives opened by this work include process optimization, advanced modeling approaches, and the exploration of even higher frequency bands in view of 6G networks and beyond.