ASTRID - Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation défense

Compréhension et optimisation des phénomènes de pièges dans le cadre du développement de la prochaine génération de composants de puissance à base de GaN fonctionnant au-delà de 30 GHz – COMPACT

Résumé de soumission

L’un des grands défis de l’électronique pour les télécommunications dans les années futures, consiste à concevoir des amplificateurs de puissance en Radio-Fréquence (RF) qui devront présenter de forts rendements, sous contrainte de linéarité et de bande passante de plus en plus large. Depuis quelques années, la technologie de transistors à effet de champ à haute mobilité (HEMT) sur Nitrure de Gallium (GaN) a démontré un potentiel très important dans ce domaine, proche de la technologie de rupture promise par les caractéristiques physiques du matériau. Un déploiement industriel réussi de cette technologie nécessite toutefois une garantie de fiabilité des filières industrielles qui passe par la compréhension des mécanismes de défaillance et des phénomènes donnant naissance aux effets parasites des composants. Dans le cas des HEMTs GaN sur substrat en carbure de silicium (SiC), la complexité de ces mécanismes et la présence d’effets parasites importants implique un travail de caractérisation fine des différents phénomènes mis en jeu.

L’objectif de ce projet ambitieux est de tenter d’établir une méthodologie systématique d’analyse des composants HEMT GaN permettant de faire le lien entre la technologie et la conception du circuit de façon à garantir une phase de CAO des circuits fiable et précise de façon à assurer les performances désirées dès la simulation. Il a pour but de permettre le passage d’une TRL actuelle de 3 à 4 de la technologie Européenne GH15 à une TRL 5 à 6 en apportant une forte contribution à la compréhension des mécanismes des pièges, responsables de phénomènes parasites présents dans les transistors HEMTS à base d’hétérostructures de la technologie GaN du laboratoire IEMN (AlN/GaN), ainsi que de la technologie GaN d’UMS. Cet objectif devrait pouvoir être réalisé par ce consortium compte tenu de son expertise dans les différents domaines abordés dans ce projet. La compréhension et la localisation des mécanismes de piégeage dans les dispositifs nécessitent impérativement l’utilisation simultanée de simulations physiques et de caractérisations complexes mettant en évidence ces effets dispersifs dus aux pièges. Ces effets thermiques et de piégeage-dépiégeage deviennent également un frein important à l’obtention de performances en termes de rendement et de linéarité des PA réalisés avec ces technologies de transistors, en particulier pour des dimensions réduites. Le développement d’outils de caractérisation précis dédiés au fonctionnement de ces circuits excités avec des signaux modulés devient alors essentiel pour mesurer ces caractéristiques comme le NPR ou l’EVM afin investiguer les distorsions non linéaires générés par ces dispositifs.

Les transistors GaN, dans lesquels les phénomènes thermiques, de capture et d’émission des porteurs sont très importants sur une large gamme de fréquences, est une des raisons de la nécessité de développer de nouveaux modèles intégrant ces phénomènes. La prise en compte de ces effets est impérative pour rendre plus fiable l’étape de conception des futurs circuits millimétriques utilisant du GaN. A notre connaissance, il n’existe actuellement aucun modèle de transistor cohérent du continu aux fréquences millimétriques, utilisable pour des puissances faibles à fortes et incluant à la fois la modélisation des sources de bruit basse fréquence, du comportement thermique et de la présence des pièges. Ce modèle compact électrothermique non-linéaire, modulaire avec sources de bruit basses fréquences en excès se présentera sous formes de modules que le concepteur de circuits pourra activer ou désactiver suivant les applications envisagées. Cette modélisation, actuellement inexistante sera basée sur une utilisation conjointe simulations-caractérisations. Elle constitue une thématique de recherche importante pour permettre les meilleures prédictions possibles lors de la conception d’un système. Elle peut se concrétiser par une meilleure optimisation du dimensionnement de celui-ci.

Coordination du projet

Jean-Christophe NALLATAMBY (Université de Limoges)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie
XLIM Université de Limoges

Aide de l'ANR 298 221 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 36 Mois

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