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UNIVERSITE DE LIMOGES ECOLE DOCTORALE SCIENCES - TECHNOLOGIE – SANTE FACULTE DE

UNIVERSITE DE LIMOGES ECOLE DOCTORALE SCIENCES - TECHNOLOGIE – SANTE FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes UMR 6615 Thèse n° 55-2005 Thèse pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE LIMOGES Discipline : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique Spécialité : "Communications Optiques et Microondes" Présentée et soutenue par Christophe CHARBONNIAUD Le 20 octobre 2005 Caractérisation et modélisation électrothermique non linéaire de transistors à effet de champ GaN pour l’amplification de puissance micro-onde Directeurs de thèse : Jean-Pierre TEYSSIER et Raymond QUERE Jury : Michel CAMPOVECCHIO Professeur à l'Université de Limoges Président Christophe GACQUIERE Professeur à l’Université de Lille 1 Rapporteur Nathalie LABAT Professeur à l’Université de Bordeaux 1 Rapporteur Jean-Michel DUMAS Professeur à l'Université de Limoges Examinateur Luc LAPIERRE Ingénieur au CNES à Toulouse Examinateur Stéphane PIOTROWICZ Ingénieur à Alcatel-Thalès III-V Lab à Marcoussis Examinateur Raymond QUÉRÉ Professeur à l'Université de Limoges Examinateur Jean-Pierre TEYSSIER Maître de Conférences à l'Université de Limoges Examinateur A ma femme et ma fille, et à tous ceux qui m’ont porté et supporté Remerciements Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit ont été effectués au sein de l'équipe "Circuits et sous-ensembles électroniques non-linéaires haute fréquence" de l'Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes (I.R.C.O.M.), unité mixte de recherche du CNRS. Je remercie Messieurs P. GUILLON et A. BARTHELEMY pour m'avoir accueilli successivement dans ce laboratoire de recherche. Je remercie particulièrement Monsieur le Professeur R.QUÉRÉ pour m’avoir donné la chance de travailler au sein de son équipe. J'exprime toute ma gratitude à Madame N. LABAT, Professeur à l’Université Bordeaux I, et Monsieur C. GAQUIERE, Professeur de l’Université de Lille I, pour avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteurs. Je témoigne toute ma reconnaissance à Monsieur L. LAPIERRE (Ingénieur au CNES), Monsieur S. PIOTROWICZ (Ingénieur à Thalès T.R.T.), et à Monsieur J.M. DUMAS (Professeur à l’Université de Limoges) d’avoir accepté d’examiner ce mémoire et de participer à ce jury. J'adresse mes très sincères remerciements à Monsieur M. CAMPOVECCHIO (Professeur à l’Université de Limoges) pour avoir lui aussi accepté d’examiner ce mémoire et de participer à ce jury de thèse. J’adresse également mes plus sincères remerciements à Monsieur J.P. TEYSSIER (Maître de Conférence à l’Université de Limoges), et à Monsieur R. QUÉRÉ (Professeur à l’Université de Limoges) pour m’avoir permis de passer cette thèse dans des conditions de travail et d’encadrement idéales. Je tiens également à les remercier sur le plan humain pour leur enthousiasme, leur disponibilité, … Vraiment merci pour tout. Je souhaite également exprimer mes remerciements à l’ensemble de mes camarades thésards et plus particulièrement à mes compagnons du banc de mesures. Qu’ils sachent qu’ils font le plus beau métier du monde et qu’une journée réussie se quantifie au nombre de transistors flingués. Par conséquent je souhaite des jours heureux à Olivier, Fabien, et Antonio. Je tiens à vous dire un grand merci pour tout ce que vous avez fait et surtout de m’avoir supporté. Je tiens également à faire part de ma gratitude à Hélène et à Marie Claude pour leur gentillesse et leur professionnalisme. J’adresse mes sincères remerciements à toute l'équipe de Limoges et de Brive ainsi qu’ à tout le personnel de l'IUT GEII de Brive pour l’aide et l’ambiance qu’ils ont su apporter. Enfin, je tiens également à remercier mes deux compagnons de fortune, Tony et Stéph, de la future célèbre compagnie « AMCAD Engineering » pour avoir continué à faire tourner la boite durant la rédaction de cette thèse et de ne pas s’être barrés avec la caisse, bien qu’ils soient quand même partis en vacances. Table des matières Introduction générale.................................................................................................................. 1 Chapitre 1 : Les transistors de puissance micro-ondes .............................................................. 5 I. Introduction .................................................................................................................... 7 II. Evaluation des différentes filières des transistors de puissance micro-ondes................ 8 II.A. Paramètres physiques des semi-conducteurs............................................................. 8 A.1. Bande interdite (gap).............................................................................................. 9 A.2. Champ de claquage .............................................................................................. 11 A.3. Densité de porteurs intrinsèques .......................................................................... 12 A.4. Mobilité des porteurs, vitesse des porteurs .......................................................... 13 A.5. Conductivité électrique, résistivité, conductivité thermique................................ 17 A.6. Résistance carrée, Ron ......................................................................................... 19 A.7. Synthèse ............................................................................................................... 22 II.B. Figures de mérites.................................................................................................... 23 II.C. Critères de performance électrique d’un transistor.................................................. 24 C.1. Fonctionnement petit signal ................................................................................. 25 C.2. Fonctionnement grand signal ............................................................................... 29 III. Etat de l’art des transistors de puissance...................................................................... 32 III.A. Les transistors bipolaires à hétérojonction........................................................... 32 A.1. Les transistors HBTs à base de Si et SiGe ........................................................... 34 A.2. Les transistors HBTs à base de InP...................................................................... 34 A.3. Les transistors HBTs à base de GaAs .................................................................. 35 A.4. Les transistors HBTs à base de matériaux grand gap........................................... 36 I.B. Les transistors à effet de champ .............................................................................. 36 B.1. Les transistors MOSFETs et LDMOS ................................................................. 36 A.2. Les transistors MESFETs SiC.............................................................................. 38 A.3. Les transistors HEMTs GaN ................................................................................ 42 A.4. Les transistors PHEMTs GaAs ............................................................................ 47 IV. Conclusion.................................................................................................................... 48 Bibliographie........................................................................................................................ 49 Chapitre 2 : Caractérisation des effets dispersifs de la température et des pièges dans les transistors à effet de champ...................................................................................................... 55 I. Introduction .................................................................................................................. 57 II. Principe de fonctionnement des transistors HEMTs.................................................... 58 II.A. Le transistor HEMT AlGaAs/GaAs ........................................................................ 58 I.B. Le transistor HEMT AlGaN/GaN............................................................................ 62 III. Banc de mesures en mode impulsionnel ...................................................................... 65 III.A. Banc de mesures I(V) en régime impulsionnel ................................................... 67 A.1. Principe................................................................................................................. 67 A.2. Matériels utilisés .................................................................................................. 68 III.B. Banc de mesures I(V) et paramètres [S] en régime impulsionnel........................ 70 B.1. Principe................................................................................................................. 70 B.2. Matériels utilisés .................................................................................................. 71 III.C. Conclusion............................................................................................................ 74 IV. Les effets thermiques dans les transistors HEMTs GaN.............................................. 75 IV.A. Introduction .......................................................................................................... 75 IV.B. Influence de la température sur les performances électriques d’un transistor HEMT 8x125µm AlGaN/GaN sur substrat SiC............................................................... 76 B.1. Influence de la température sur l’excursion en courant et sur la transconductance. 76 B.2. Influence de la température sur la fréquence de transition et sur la fréquence maximale d’oscillation................................................................................................. 81 IV.C. Mesures électriques de la résistance thermique ................................................... 87 C.1. Définition de la résistance thermique................................................................... 87 C.2. Méthode du courant de grille ............................................................................... 88 C.3. Méthode du courant de drain................................................................................ 90 C.4. Synthèse ............................................................................................................... 92 IV.D. Mesure électrique des constantes de temps thermiques....................................... 94 IV.E. Modèle thermique multi-cellules ......................................................................... 98 V. Les effets de pièges dans les transistors HEMTs GaN et PHEMTs GaAs ................ 101 V.A. Le phénomène de « gate-lag »............................................................................... 101 A.1. Mise en évidence du comportement transitoire du courant de drain.................. 101 A.2. Influence de la tension de polarisation Vgs0 sur les effets des pièges ............... 103 A.3. Influence positive de la passivation sur les caractéristiques I(V) de sortie........ 105 V.B. Le phénomène de « drain-lag ».............................................................................. 106 B.1. Mise en évidence du comportement transitoire du courant de drain.................. 106 B.2. Influence de la tension de polarisation Vds0 sur les effets des pièges ............... 108 V.C. L’effet « kink »...................................................................................................... 112 C.1. introduction ........................................................................................................ 112 C.2. L’effet kink en régime de saturation .................................................................. 115 C.3. L’effet kink en régime de fonctionnement quasi-bloqué ................................... 129 VI. Conclusion.................................................................................................................. 131 Bibliographie...................................................................................................................... 133 Chapitre 3 : Modélisation électrothermique non-linéaire d’un transistor HEMT AlGaN/GaN : validation par des mesures grand signal................................................................................. 137 I. Introduction ................................................................................................................ 139 II. Modélisation électrothermique non-linéaire du transistor HEMT AlGaN/GaN 8x125 QQ0104C ........................................................................................................................... 140 II.A. Contexte................................................................................................................. 140 II.B. Modèle électrique petit signal................................................................................ 141 B.1. Topologie du modèle petit signal....................................................................... 142 B.2. Extraction des éléments extrinsèques et intrinsèques ........................................ 145 A.3. Application au transistor 8x125 QQ0104C........................................................ 147 I.C. Modèle non-linéaire convectif............................................................................... 150 C.1. topologie du modèle........................................................................................... 150 C.2. la source de courant Ids...................................................................................... 151 C.3. Le générateur d’avalanche IBDG......................................................................... 151 C.4. Les diodes d’entrées IDGD et IDGS ..................................................................... 152 C.5. Application au transistor 8x125 QQ0104C........................................................ 152 I.D. Modèle non-linéaire convectif électrothermique................................................... 154 I.E. Extraction et modèle des capacités Cgs et Cgd ..................................................... 156 E.1. Méthode d’extraction des capacités Cgs et Cgd................................................. 156 E.2. Modèle des capacités Cgs et Cgd....................................................................... 157 I.F. Présentation du modèle non-linéaire électrothermique ......................................... 159 III. Validation du modèle ................................................................................................. 160 III.A. Validation du modèle grâce aux mesures I(V) et paramètres [S] en régime impulsionnel................................................................................................................... 160 A.1. En régime petit signal......................................................................................... 160 A.2. En mode impulsionnel et continu....................................................................... 161 III.B. Validation du modèle en régime grand signal.................................................... 163 B.1. Mesures load-pull............................................................................................... 163 B.2. Mesures LSNA................................................................................................... 166 IV. Quelques simulations complémentaires..................................................................... 176 IV.A. Simulation load-pull en régime impulsionnel .................................................... 176 IV.B. Evaluation de la robustesse du modèle .............................................................. 178 V. Conclusion.................................................................................................................. 180 Bibliographie...................................................................................................................... 181 Conclusion générale et perspectives ...................................................................................... 183 Liste des publications relatives à ce travail............................................................................ 189 Liste des figures Figure 1 : évolution du nombre de publications par an [1] pour les filières GaAs et GaN... 7 Figure 2 : diagrammes de bandes d’énergie des différents types d’éléments ....................... 9 Figure 3 : valeur de la bande interdite du Si, Ge, et de l’AsGas en fonction de la température [6]...................................................................................................................... 10 Figure 4 : champ de claquage en fonction de la largeur de gap pour différents matériaux (Si, GaAs, 4H-SiC, GaN, Diamant) d’après Tableau 1 ........................................................ 11 Figure 5 : concentration intrinsèque des porteurs pour différents semi-conducteurs en fonction de la température [7]............................................................................................... 13 Figure 6 : variation de la mobilité des électrons et des trous du Silicium en fonction de uploads/Litterature/ systeme-de-mesures-temporelles-4-canaux-a-echantillonnage-entrelace-ultra-haute-frequence-base-sur-des-amplificateurs-track-amp-hold-pour-la-caracterisation-impulsionnelle-d-amplificateurs-de-puissa.pdf