« Les transistors HEMT à base de nitrure de gallium (GaN) ont démontré d’excellentes performances RF en game d’ondes millimétriques, s’imposant comme une technologie de référence pour les applications à forte puissance et haut rendement telles que le radar, les systèmes spatiaux et les communications 5G/6G. Ces performances étant désormais établies, la recherche se concentre sur deux verrous majeurs au niveau du composant : la fiabilité et la linéarité. La fiabilité reste critique pour les dispositifs à courte grille (~100 nm), dont les mécanismes de dégradation sont encore mal caractérisés. En parallèle, la linéarité est devenue un paramètre déterminant pour les modulations complexes modernes, au même titre que le rendement. Les effets de piégeage jouent un rôle central dans ces phénomènes, car ils impactent la puissance, le rendement, la fiabilité et potentiellement la linéarité.
Dans ce travail, des tests HTOL sous pointes et sous charge active ont été réalisés pour évaluer la fiabilité à court terme de différentes technologies GaN HEMT millimétriques. Un banc load-pull actif deux-tons à 40 GHz a été conçu et développé, un dispositif expérimental très rare à ces fréquences, permettant la première caractérisation intrinsèque de la linéarité de HEMT GaN à courte grille en bande Ka. En parallèle, un système de spectroscopie du courant de drain transitoire (DCT) a été mis au point pour étudier la dynamique des pièges, et des simulations TCAD calibrées ont été employées pour appuyer l’analyse physique.
Les travaux ont porté sur des dispositifs GaN HEMT à l’état de l’art : structures AlN/GaN dopées carbone avec back-barrière AlGaN et technologie QuanFINE sans couche tampon. Des niveaux profonds liés au carbone ont été identifiés dans le GaN et l’AlGaN, présentant un comportement non-Arrhenius. Dans les dispositifs à back-barrière AlGaN, un canal parasite a été mis en évidence et son origine physique expliquée, tandis que le mécanisme de l’effet « kink » a été clarifié. Dans les structures QuanFINE, des pièges à l’interface GaN/AlN ont été observés et supprimés par ingénierie de l’épitaxie.
Les études de fiabilité ont montré une corrélation directe entre les charges piégées et la dégradation du dispositif, ainsi qu’une dépendance nette à la température. Dans les transistors QuanFINE, des mécanismes de dégradation spécifiques ont été identifiés et des stratégies de mitigation proposées. Enfin, les mesures de linéarité obtenues à 40 GHz placent les dispositifs étudiés au niveau de l’état de l’art international en termes de comportement IM3 et OIP3, confirmant leur fort potentiel pour les futures applications millimétriques. »

« Gallium Nitride (GaN) HEMTs have demonstrated outstanding RF performance at millimeter-wave frequencies, positioning them as the leading technology for high-power and high-efficiency applications such as radar, space systems, and 5G/6G communications. With these capabilities now well established, research is increasingly focused on two remaining challenges: reliability and linearity at the device level. Reliability is a major concern for short gate-length devices (≈100 nm), where degradation mechanisms and qualification protocols remain insufficiently understood. In parallel, linearity has become essential for modern modulation schemes, which demand high linearity alongside efficiency. Trapping effects lie at the center of both issues, influencing key figures of merit such as output power, efficiency, reliability, and potentially linearity.
In this work, on-wafer short-term HTOL tests using active load-pull were performed to assess the early reliability of various mmWave GaN HEMT technologies. To investigate linearity, a custom two-tone active load-pull bench at 40 GHz was designed and implemented, a rare experimental platform at these frequencies. For trapping studies, a dedicated drain current transient (DCT) spectroscopy system was also developed, enabling precise characterization of trap dynamics. These measurements were complemented by TCAD-calibrated simulations for deeper physical insight.
The experimental study focused on state-of-the-art carbon-doped AlN/GaN devices with AlGaN back-barriers and buffer-free QuanFINE structures. Broader device sets were analyzed for trapping effects, revealing carbon-related deep levels in both GaN and AlGaN with similar characteristics. The non-Arrhenius behavior of carbon-related traps was elucidated, and in AlGaN back-barrier devices, a parasitic channel was identified and its physical origin determined. The mechanism responsible for the kink effect in carbon-doped devices was clarified, while in QuanFINE devices, traps at the GaN/AlN interface were revealed and successfully mitigated through stack engineering.
Reliability studies revealed degradation correlated with trapped charge accumulation and a clear temperature dependence. In QuanFINE devices, distinct degradation mechanisms were identified and mitigation strategies proposed. Finally, the developed 40 GHz two-tone bench enabled benchmark linearity measurements, showing comparable or superior IM3 and OIP3 performance to current mmWave GaN state-of-the-art, thus confirming the technological maturity of the evaluated devices.