Thèse de Giuseppe Di Gioia ” GaN Schottky diodes for THz generation”

Soutenance le 13 décembre à 10h30
La soutenance aura lieu en visioconférence

Jury :

– Rachid DRIAD, Ingénieur de recherche IAF, Rapporteur
– Frédéric ANIEL, Professeur, Université Paris Sud, Rapporteur
– Tiphaine CERBA, Ingénieure de recherche III-V Lab, Examinatrice
– Guillaume DUCOURNAU, Professeur, Université de Lille, Examinateur
– Yannick ROELENS, Professeur, Université de Lille, Co-encadrant
– Mohammed ZAKNOUNE, Directeur de recherche CNRS, Directeur

Résumé :

La science Térahertz a de nombreux domaines d’applications, tels que l’astronomie, la sécurité, l’analyse biomédicale et les télécommunications sans fil. Cependant, l’application de la technologie THz a été entravée par le manque de sources térahertz adaptées, fiables, compactes et rentables. Bien qu’il existe de nombreuses façons de générer un signal aux fréquences THz, bon nombre de ces sources souffrent de plusieurs inconvénients et limitations, tels qu’une puissance de sortie limitée, le besoin de températures cryogéniques pour fonctionner, une taille excessive, une complexité et un coût prohibitif. Parmi les sources THz actuelles, un type de technologie à semi-conducteurs se distingue : le multiplicateur de fréquence.
L’état de l’art actuel de la technologie des multiplicateurs de fréquence est détenu par les multiplicateurs de fréquence à diodes GaAs Schottky. Il s’agit d’une technologie bien connue, qui a été utilisée avec succès, mais comme les exigences de fréquence de sortie deviennent de plus en plus élevées, elle est face, à présent, à un goulot d’étranglement dû aux limitations physiques intrinsèques du GaAs en termes de tension de claquage et de conductivité thermique, qui affectent la puissance de sortie du multiplicateur de fréquence. Le GaN, grâce à son champ de claquage plus élevé et à sa conductivité thermique plus élevée, peut en théorie offrir des capacités de tenu à la puissance de pompe plus élevées pour les multiplicateurs de fréquence par rapport au GaAs. Ces capacités peuvent conduire à des conceptions simplifiées de multiplicateurs de fréquence, par rapport à l’état de l’art des multiplicateurs de fréquence GaAs. En théorie, huit diodes GaAs sont nécessaires pour un doubleur de 200 GHz avec une puissance d’entrée de 150 mW, tandis qu’une diode GaN avec une surface d’anode similaire est capable de gérer cette puissance de pompe en entrée.
Dans cette thèse, des diodes GaN Schottky quasi-verticales sont fabriquées et caractérisées, afin d’étudier leurs paramètres et performances pour des applications de multiplication de fréquence. Le procédé de fabrication est réalisé sur trois types différents d’épitaxie GaN : GaN sur saphir, GaN sur Si et GaN sur SiC. Les diodes sont fabriquées avec une structure en pont d’air pour réduire les composants parasites à haute fréquence.

Abstract:

Terahertz science has many application areas, such as astronomy, security, biomedical analysis, and wireless telecommunications. However, the application of THz technology has been hampered by the lack of suitable, reliable, compact and cost-effective terahertz sources. Although there are many ways to generate a signal at THz frequencies, many of these sources suffer from several drawbacks and limitations, such as limited output power, the need for cryogenic temperatures to operate, excessive size, complexity and prohibitive cost. Among current THz sources, one type of solid-state technology stands out: the frequency multiplier.
The current state of the art in frequency multiplier technology is held by GaAs Schottky diode frequency multipliers. This is a well known technology that has been used successfully, but as the output frequency requirements become higher and higher, it is now facing a bottleneck due to the intrinsic physical limitations of GaAs in terms of breakdown voltage and thermal conductivity, which affect the output power of the frequency multiplier. GaN, due to its higher breakdown field and higher thermal conductivity, can theoretically offer higher pump power holding capabilities for frequency multipliers compared to GaAs. These capabilities can lead to simplified frequency multiplier designs compared to the state of the art GaAs frequency multipliers. Theoretically, eight GaAs diodes are required for a 200 GHz doubler with an input power of 150 mW, while a GaN diode with similar anode area is capable of handling this input pump power.
In this thesis, quasi-vertical GaN Schottky diodes are fabricated and characterized, in order to study their parameters and performance for frequency multiplication applications. The fabrication process is performed on three different types of GaN epitaxy: GaN on sapphire, GaN on Si and GaN on SiC. The diodes are fabricated with an air-bridge structure to reduce high frequency spurious components.