Jury

Thesis Director
Mr. Farid MEDJDOUB CNRS scientist (IEMN, France)

Reviewers
Mrs. Nadine COLLAERT (Professor, Vrije Universiteit Brussel)
Mr. Jean-Pierre RASKIN (Professor, UC Louvain)

Examiners
Mr. Didier THERON (DR CNRS, IEMN)
Mr. Cesar RODA NEVE (Program manager, SOITEC)
Mr. Jean-Marc TANGUY (Engineer, DGA)

Invited
Mr. Didier FLORIOT (Thales technical director)

 Résumé :

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés avec les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) GaN pour faire avancer la prochaine génération de réseaux 5G, les systèmes radar et les communications par satellite. Toutefois, pour améliorer encore l’amplification de puissance et le fonctionnement à haute fréquence (>30 GHz), des architectures innovantes ont été développées. Ces conceptions présentent des structures remaniées, notamment des longueurs de grille inférieures à 150 nm, des couches de barrière plus minces ou des couches épitaxiales optimisées. Plusieurs groupes de recherche ont obtenu des résultats impressionnants, avec un rendement élevé en puissance ajoutée (PAE > 50 %) et une puissance de sortie importante (POUT > 3 W/mm), dans des gammes de fréquences allant de la bande Ka (30 GHz) à la bande W (94 GHz). Malgré ces progrès, la fiabilité des dispositifs courts reste un défi important en raison du champ électrique élevé, de l’auto-échauffement et des effets de piégeage des électrons. Cette recherche intègre la fabrication de dispositifs, les caractérisations structurelles et électriques et les simulations TCAD afin de fournir des informations de pointe dans ce domaine. L’une des technologies les plus prometteuses, l’HEMT à canal AlGaN dégradé, a été étudiée au moyen de simulations avancées afin de mieux comprendre ses propriétés uniques. En outre, une architecture tampon optimisée utilisant une barrière arrière en AlGaN et une barrière ultra-mince en AlN a permis d’obtenir des performances de puissance de pointe à 40 GHz dans les dispositifs fabriqués. Enfin, une nouvelle architecture sans tampon comportant une barrière AlGaN ultra-mince a également été étudiée et a donné des résultats prometteurs qui pourraient rivaliser avec les technologies existantes. Des tests de fiabilité à court terme ont été menés afin d’identifier les principales lacunes et d’orienter les développements futurs.

Abstract :

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.