Jury

Summary:

Le développement de technologies III-V devrait permettre de répondre aux besoins du marché qui nécessite la conception de composants électriques fonctionnant dans les gammes millimétriques et submillimétriques (fréquences THz). On peut citer par exemple le développement de caméra utilisant les ondes millimétriques pour la sécurité et le contrôle d’accès (stade, concert, enregistrement en aéroport…), le spatial, la spectroscopie…Un autre champ d’application important concerne les communications ultra-haut débit sans fil pour la téléphonie mobile actuelle (5G) et surtout future (6G). Il s’avère donc nécessaire de développer des transistors ayant des fréquences de fonctionnement au THz. Les transistors HEMTs sont les meilleurs candidats en termes de performances pour le développement de circuits intégrés de réception d’ondes submillimétriques. La fréquence maximale d’oscillation fmax est un paramètre important pour l’amplification de ces signaux analogiques. Cette fréquence doit être dans la gamme du THz. Des premiers résultats obtenus à l’IEMN indiquent une fréquence maximale d’oscillation de 1,1THz pour des transistors HEMT InAlAs/InGaAs/InAs sur substrat InP. Cette fréquence a été obtenue par extrapolation du gain unilatéral de Mason U mesuré jusque 110GHz. Afin de valider ce résultat à l’état de l’art, il est nécessaire de le confirmer par des mesures audelà de 110GHz, dans les gammes d’ondes submillimétriques. Dans ces travaux de thèse, nous proposons une caractérisation hyperfréquence sous pointes d’un même transistor jusque 1,1 THz. Cette caractérisation nécessite l’utilisation de plusieurs bancs de mesures sous pointes : 0.25-110GHz, 140-220GHz, 220-325GHz, 325-500GHz, 500-750GHz et 750-1100GHz. Pour cela, nous avons conçus une méthodologie de caractérisation on-wafer large bande (250 MHz – 1,1 THz) basée sur la méthode d’étalonnage multiline Thru-Reflect-Line (mTRL). Un kit d’étalonnage mTRL a été développé à l’aide de l’outils de simulation électromagnétique HFSS-Ansys ; les transistors HEMTs InAlAs/InGaAs/InAs sur substrat InP ont été optimisés et adaptés pour permettre cette mesure large bande. Afin de valider cette conception, le kit mTRL large bande ainsi que des HEMTs ont été fabriqués sur substrat d’InP. Les paramètres petit signal Scattering S d’un transistor HEMT ont été mesurés de 250MHz à 1.1THz. A partir de ces paramètres S, nous avons pu déterminer les principaux gains du transistor jusque 1.1THz et extraire plus précisément les valeurs des fréquences de coupures fT/fmax du HEMT.

Abstract:

The development of III-V technologies should make it possible to meet market needs for electrical components operating in the millimeter and submillimeter ranges (THz frequencies). Examples include the development of cameras using millimeter waves for security and access control (stadiums, concerts, airport check-in, etc.), space applications, spectroscopy, etc. Another important field of application concerns ultra-high-speed wireless communications for current (5G) and future (6G) mobile telephony. This calls for the development of transistors with THz operating frequencies. HEMT transistors are the best candidates in terms of performance for the development of integrated circuits for receiving submillimeter waves. The maximum oscillation frequency fmax is an important parameter for amplifying these analog signals. This frequency must be in the THz range. Initial results obtained at IEMN indicate a maximum oscillation frequency of 1.1 THz for InAlAs/InGaAs/InAs HEMT transistors on InP substrates. This frequency was obtained by extrapolating the measured one-sided Mason U gain up to 110GHz. In order to validate this state-of-the-art result, it needs to be confirmed by measurements beyond 110GHz, in the submillimeter wave ranges. In this thesis, we are proposing a microwave characterization of a single transistor up to 1.1 THz. This characterization requires the use of several spike measurement benches: 0.25-110GHz, 140-220GHz, 220-325GHz, 325-500GHz, 500-750GHz and 750-1100GHz. To this end, we have designed a broadband (250 MHz – 1.1 THz) on-wafer characterization methodology based on the multiline Thru-Reflect-Line (mTRL) calibration method. An mTRL calibration kit was developed using the HFSS-Ansys electromagnetic simulation tool; InAlAs/InGaAs/InAs HEMT transistors on an InP substrate were optimized and adapted to enable this broadband measurement. To validate this design, the mTRL broadband kit and HEMTs were fabricated on an InP substrate. The small signal Scattering S parameters of a HEMT transistor were measured from 250MHz to 1.1THz. From these S parameters, we were able to determine the transistor’s main gains up to 1.1THz and extract more precisely the values of the HEMT’s fT/fmax cutoff frequencies.