Thèse de Kathia Harrouche

« Conception et réalisation de transistors de puissance à base de GaN jusqu’en bande W »

Soutenance de thèse le 16 décembre 10h30
Amphithéâtre de l’IEMN – Laboratoire central – Villeneuve d’Ascq

Jury :

Nathalie Malbert, Professeur, IMS de Bordeaux, Rapporteuse
Olivier LATRY, Professeur, GPM Rouen, Rapporteur
Chloé BOUEXIERE, Ingénieure, DGA, Examinatrice
Didier FLORIOT, Deputy CTO, UMS, Examinateur
M. Katir ZIOUCHE, Professeur, Université de Lille, Examinateur
Farid Medjoub, Chercheur CNRS, Directeur de thèse

Résumé :

Au cours des dernières décennies, des progrès remarquables ont été réalisés sur les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs GaN) destinés aux applications d’amplification et de commutation de puissance à haute fréquence. Actuellement, les HEMTs GaN les plus matures sont basés sur des hétérostructures AlGaN/GaN. Plus récemment, les hétérostructures à barrières ultrafines (<10 nm) (In)(Ga)AlN/GaN riches en Al ont également présentées beaucoup d’intérêt pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. En effet, contrairement aux structures AlGaN/GaN, les barrières ultrafines riches en Al peuvent fournir une densité d’électrons (2DEG) deux fois plus élevée tout en offrant un rapport d’aspect important (longueur de grille / distance grille-canal) y compris avec des grilles très courtes inférieures à 100 nm. Par conséquent, les HEMTs GaN à barrière ultrafine riche en Al permettent de fonctionner à une fréquence plus élevée de manière robuste. Dans ce contexte, plusieurs groupes de recherche ont démontré une combinaison unique de puissance plus élevée et une bande passante plus large jusqu’à 100 GHz par l’utilisation de transistors GaN par rapport aux autres technologies (GaAs ou silicium). Cependant, la plupart des applications nécessitent des amplificateurs de puissance à très haut rendement associé à une fiabilité éprouvée et une linéarité accrue. L’état de l’art des HEMTs GaN est limité aujourd’hui à environ 50% de rendement PAE (Power Added Efficiency) et peu de travaux reportés sur la fiabilité des composants GaN utilisant des grilles courtes inferieures à 150 nm. Néanmoins, l’une des limitations majeures des composants RF modernes est la dissipation thermique. En effet, la puissance dissipée s’améliore de 80% lorsque le rendement PAE passe de 50% à 80%.
L’objectif de ce travail est d’optimiser une technologie de pointe dans ce domaine au travers du développement de transistors GaN à grille sub-150 nm pour les applications en gamme d’ondes millimétriques. Nous avons, en particulier, optimisé les couches tampons (buffer) et une barrière AlN ultrafine inférieure à 5 nm afin d’augmenter le gain de puissance, d’améliorer le confinement des électrons sous fort champ électrique et de simultanément réduire les effets de pièges. De plus, le développement d’un banc de mesures de puissance à 94 GHz a permis de démontrer une densité de puissance à l’état de l’art en bande W avec les composants fabriqués. Ces travaux constituent une base de travail prometteuse pour garantir des performances élevées (notamment le rendement PAE) et fiables des HEMTs GaN pour l’amplification de puissance en gamme d’ondes millimétriques liée aux futures applications de télécommunication 5G, spatiales ou militaires.

Abstract:

Over the last decades, remarkable progress has been made on GaN-based high electron mobility transistors (GaN HEMTs) for high frequency power amplification and switching applications. Currently, the most mature GaN HEMTs are based on AlGaN/GaN heterostructures. More recently, Al-rich (In)(Ga)AlN/GaN ultra-thin barrier heterostructures (<10 nm) have also shown great interest for millimeter-wave applications. Indeed, unlike AlGaN/GaN structures, Al-rich ultrathin barriers can provide twice the electron density (2DEG) while offering a large aspect ratio (grid length/grid-channel distance) even with very short grids below 100 nm. Therefore, Al-rich ultra-thin barrier GaN HEMTs enable higher frequency operation in a robust manner. In this context, several research groups have demonstrated a unique combination of higher power and wider bandwidth up to 100 GHz by using GaN transistors compared to other technologies (GaAs or silicon). However, most applications require power amplifiers with very high efficiency combined with proven reliability and increased linearity. The state of the art of GaN HEMTs is limited today to about 50% PAE (Power Added Efficiency) and little work has been reported on the reliability of GaN devices using short gates smaller than 150 nm. Nevertheless, one of the major limitations of modern RF devices is the thermal dissipation. Indeed, the power dissipation improves by 80% when the PAE efficiency increases from 50% to 80%.
The objective of this work is to optimize a state-of-the-art technology in this field through the development of sub-150 nm GaN gate transistors for millimeter-wave applications. In particular, we have optimized the buffer layers and an ultra-thin AlN barrier of less than 5 nm in order to increase the power gain, to improve the electron confinement under high electric field and to simultaneously reduce the trapping effects. In addition, the development of a power measurement bench at 94 GHz has allowed to demonstrate a state-of-the-art power density at W-band with the fabricated components. This work provides a promising basis for ensuring high (including PAE efficiency) and reliable performance of GaN HEMTs for power amplification in the millimeter-wave range related to future 5G telecommunication, space or military applications.