Étude de la fiabilité de transistors de Nitrure de Gallium pour des applications spatiales. Application à la méthode de modélisation électrique des phénomènes de dégradation en régime fort signal.

Sujets de thèse

Intitulé de la thèse
Étude de la fiabilité de transistors de Nitrure de Gallium pour des applications spatiales.
Application à la méthode de modélisation électrique des phénomènes de dégradation en régime fort signal.

Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Finacement privé (entreprise, fondation, association, …)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Physique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Université de Limoges (Limoges – France)
Thales Alenia Space (Toulouse – France)
Université de Padova (Italie)

Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Introduction
Dans les systèmes de communications développés pour les applications spatiales, l’amplificateur de puissance à état solide doit présenter des performances électriques optimisées en puissance, rendement et linéarité. Contrairement aux systèmes terrestres, l’amplificateur de puissance est en plus soumis à des règles de déclassement («derating») qui doivent permettre de garantir une fiabilité à long terme de ces amplificateurs de puissance.
Les technologies «grand gap», telles que les transistors GaN, sont maintenant suffisamment performances pour être intégrées aux systèmes présents dans les applications spatiales. Toutefois, le passage de ces composants des laboratoires aux chaines de production dans le cadre d’une industrialisation implique des études fortes de leurs fiabilités au cours du temps lorsqu’ils sont soumis à des stress RF. Ces études doivent alors permettre de dégager les mécanismes de dégradation des performances en puissance, rendement, linéarité des composants soumis à des fonctionnements fort signaux. Les dégradations observables des caractéristiques macroscopiques sont la conséquence de dégradation des caractéristiques intrinsèques des transistors au cours du temps. Les caractéristiques intrinsèques des transistors peuvent être extraites par des caractérisations expérimentales pour en déduire un modèle électrique ou electro-thermique de ces composants.
La modélisation de ces composants au fur et à mesure de leur dégradation lorsqu’ils sont soumis à des stress RF (fonctionnement fort signal) peut donc apporter une connaissance supplémentaires sur les mécanismes de dégradation électrique des composants. Cette modélisation peut donc apporter un soutien direct à l’industrialisation des technologies GaN dans les processus de conception de fonction électroniques Radiofréquences pour les applications spatiales.

Présentation de l’équipe de recherche
Le département “Composants Circuits Signaux et Systèmes Haute Fréquence (C²S²)” résulte de l’intégration de
trois équipes ou groupes existants (Equipe Circuits et Sous Ensembles Electroniques Non linéaires Haute Fréquence de
l’IRCOM, le groupe GESTE issu de l’UMOP et des chercheurs développant une thématique propre à l’intérieur des
équipes C2M et CDM de l’IRCOM). Le département est, actuellement, organisé autour de 4 thématiques principales qui rassemblent les différentes compétences des chercheurs du département:
– Amplificateurs de Puissance
– Récepteurs faible bruit et sources de fréquence
– Modélisation et simulation avancées
– Systèmes de Télécommunications
La politique scientifique du département s’appuie sur 7 projets scientifiques:
– Amplification linéaire de puissance à haute efficacité énergétique
– Instrumentation avancée
– Emetteurs-récepteurs intégrés, agiles et large bande
– Modélisation des composants et circuits à l’échelle nanométrique
– Simulation des circuits et systems électroniques complexes
– Optimisation de la couche physique des réseaux de communications sans fils et optiques
– Réseaux et systèmes de communications pour l’”E-santé”.
Les deux premiers projets sont intimement liés et sont pilotés par l’équipe “Amplificateurs de Puissance” en
collaboration avec l’équipe «Récepteurs faible bruit et sources de fréquence». En effet la demande croissante
d’équipements efficaces en énergie implique de rechercher de nouvelles architectures d’amplificateurs de puissance
qui constituent la principale source de dissipation. Cependant ces architectures doivent préserver une linéarité
maximum pour transmettre des signaux complexes. La conception de ces amplificateurs s’appuie sur des méthodes de
caractérisation et de modélisation qui requièrent de nouvelles approches pour la mesure des composants et des
circuits. C’est la raison pour laquelle le projet sur le développement de nouveaux équipements de mesure est
maintenu. Ce projet s’appuie sur les compétences très fortes développées dans le département depuis des années

Résumé de la thèse en français
Le travail de thèse consistera donc à s’appuyer à la fois sur des études bibliographiques et théoriques de modélisation de transistors, d’études de paramètres de fiabilité, de caractérisation I/V impulsionnelles, en paramètres S, en fort signal dans les domaines temporels et fréquentiels afin d’extraire de nouveaux modèles de transistors intégrant les notions de dégradations des paramètres électriques en fonction du stress RF. Cette étude sur la dégradation temporelle des composants en régime de fonctionnement fort signal pourra aussi être corrélée à celle obtenue sur une fonction électronique applicative. Ainsi un démonstrateur d’amplificateur de puissance optimisé en rendement sur une bande étroite par exemple pourra être utilisé. L’étude de la dégradation de ces performances électriques macroscopiques pourra être menée de manière parallèle à celle des transistors utilisés dans le démonstrateur afin d’établir si une corrélation existe entre la dégradation du composant et celle de la fonction amplificatrice.

Résumé de la thèse en anglais
The thesis will be to based on both literature reviews and theoretical modeling of transistors, studies of reliability parameters, pulsed I/V characterization, S-parameters measurements, frequency and time-domain large signal measurements in order to extract new parametric models of GaN transistors including reliability parameters as a function of RF stress. This study on the temporal degradation of components under large signal operation mode can be correlated to the degradation of the power amplifier. A narrow band high power amplifier with optimized power added efficiency will be designed as demonstrator. The study of the degradation of the macroscopic electrical performances of this power amplifier will be conducted in parallel to that of transistors used in the demonstrator to determine if a correlation exists between the degradation of the component and that of the amplifying function.

Description complète du sujet de thèse
Dans les systèmes de communications développés pour les applications spatiales, l’amplificateur de puissance à état solide doit présenter des performances électriques optimisées en puissance, rendement et linéarité. Contrairement aux systèmes terrestres, l’amplificateur de puissance est en plus soumis à des règles de déclassement («derating») qui doivent permettre de garantir une fiabilité à long terme de ces amplificateurs de puissance.
Les technologies «grand gap», telles que les transistors GaN, sont maintenant suffisamment performances pour être intégrées aux systèmes présents dans les applications spatiales. Les principaux avantages par rapport aux solutions existantes sont:
 Très forte tension d’avalanche et par conséquence forte tension d’alimentation.
 Fort potentiel en fréquence de fonctionnement et en rendement en puissance ajoutée
 Excellentes performances thermiques liées à la forte conductibilité thermique du substrat de type Si ou encore mieux SiC.
 Aptitude à couvrir de larges bandes de fonctionnement en raison d’un niveau d’impédance plus élevé pour une puissance donnée.
En conséquence de ces performances, les transistors présentent une très forte densité de puissance (5 à 10 fois celle obtenue sur Arséniure de Gallium) et permettent la réalisation d’amplificateurs à très forte puissance avec des niveaux d’intégration très élevés. Cette technologie devrait permettre, entre autres, le remplacement de solutions à tubes.

Cependant, avant de prévoir ce remplacement, un critère fondamental pour les équipementiers du spatial est la tenue des équipements hyperfréquences et notamment les amplificateurs de puissance à un régime «d’overdrive» (i.e. à très fort niveau RF d’entrée). Les équipementiers ont souvent l’obligation de démontrer la tenue en puissance des équipements hyperfréquences en effectuant des essais de fiabilité longs et couteux.
Ces essais de fiabilités actuels portent le plus souvent sur l’observation de l’évolution des caractéristiques statiques mesurées des composants après des périodes variables de «stress RF», c’est-à-dire pour des régimes d’overdrive donné dans un environnement donné (Impédances de source et de charge, tensions de polarisation, etc…).

L’axe de recherche de cette thèse consisterait d’une part à mettre en œuvre une procédure de mesure de fiabilité à partir de l’extraction des formes d’ondes temporelles des tensions et courants aux accès des composants lorsqu’ils sont soumis à des excitations RF de puissance dans divers environnements et pour différents modes de fonctionnement. Puis à partir de ces données et des données statiques d’extraire un modèle électrique ou electro-thermique du composant qui intégrerait les variations des paramètres au cours de son vieillissement.
Ces études doivent alors permettre de dégager les mécanismes de dégradation des performances en puissance, rendement, linéarité des composants soumis à des fonctionnements fort signaux. Les dégradations observables des caractéristiques macroscopiques sont la conséquence de dégradation des caractéristiques intrinsèques des transistors au cours du temps.La modélisation de ces composants au fur et à mesure de leur dégradation lorsqu’ils sont soumis à des stress RF (fonctionnement fort signal) peut donc apporter une connaissance supplémentaire sur les mécanismes de dégradation électrique des composants. Cette modélisation peut donc apporter un soutien direct à l’industrialisation des technologies GaN dans les processus de conception de fonction électroniques radiofréquences pour les applications spatiales.
Il en ressort donc le besoin de mener des études, fondées sur des mesures expérimentales, pour différentes conditions de stress (excitation RF en zone linéaire, pour plusieurs points de compression, à canal ouvert, à canal pincé) afin de pouvoir juger de la dégradation des différents paramètres (transconductance, capacités, …) des modèles électriques des transistors pour des conditions au cours du temps. Une nouvelle modélisation des composants doit donc être réalisée en prenant en compte un nouveau paramètre associé au temps de stress RF.

Afin de mener au mieux ces travaux de recherche, le doctorant s’appuiera sur la forte expérience commune entre Thales Alenia Space, l’université de Padova et XLim dans les domaines suivants:
-Développements de démonstrateurs pour application hyperfréquence spatiale
-Caractérisations de composants
-Développement de modèles non-linéaires de composants et de sous systèmes
-Développement de méthodologies de test de fiabilité de composants ou sous-systèmes RF
-Conception et caractérisations de circuits MMIC et hybrides
-Etude de fiabilité

Les activités à considérer dans le cadre des travaux vont couvrir l’ensemble de ces aspects avec un niveau d’implication qui dépendra des résultats obtenus et des principales limitations observées durant l’étude.

Objectifs scientifiques de la thèse
Plusieurs types de travaux (groupe de tâches) sont considérés pour mener la recherche. Ces différentes tâches ne sont pas simplement en série, il y aura plusieurs itérations et de fortes interactions entre elles.

Tâche 1: Analyse de l’état de l’art
Cette phase est particulièrement importante car elle concerne l’ensemble des aspects qui doivent être pris en compte pour résoudre le problème posé.
L’objectif de cette phase est de réunir les éléments nécessaires à la modélisation des composants GaN paramétré par le temps de vieillissement. Cette étude bibliographique doit permettre d’établir un état de l’art mondial de la modélisation des composants, des critères de performances pour la fiabilité et d’orienter les choix sur les caractérisations des composants en vue de leur modélisation paramétrique.

Tâche 2: Caractérisation et modélisation des composants
Cette phase consiste à appliquer l’ensemble des investigations précédentes (tâche 1) sur des exemples précis de transistors de puissance sur technologie GaN intéressantes pour TAS.
-Caractérisations statiques et modélisation initiales
-Caractérisations statiques et modélisation au cours et après différents types de stress
-Traitements des données pour extraction des critères de performances liés à la fiabilité
-Prise en compte de ces modèles pour la conception d’amplificateurs de puissance «adaptatifs»

Tâche 3: Étude de cas à partir d’une conception d’amplificateurs de puissance
Cette tâche consiste à concevoir un démonstrateur avec comme objectif de déterminer avec précision leur potentiel en terme de tenue en puissance au cours du temps et de fiabilité ainsi que les conditions nécessaires à la mise en œuvre des solutions.

Tâche 4: Bilan des activités
Les résultats attendus dans le cadre de cette recherche sont:
-Détermination des paramètres importants sur les caractéristiques des transistors de type GaN pour maximiser la fiabilité et les performances en puissance. Ce résultat est particulièrement important pour supporter et orienter les développements de technologie.
-Détermination de la méthodologie et des règles de conception dans le domaine des amplificateurs de forte puissance intégrant la fiabilité et la tenue en puissance.

Compétences à l’issue de la thèse
– Savoir concevoir un système d’amplification de puissance RF
– Savoir évaluer des critères de performances d’une fonction amplificatrice
– Savoir Modéliser des composants RF de type GaN
– Savoir mesurer les caractéristiques principales de composants RF

Mots clés (séparés par des virgules)
Fiabilité, Transistors GaN RF, Amplificateur de puissance, modélisation, caractérisation
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Bac + 5 (Master ou école d’ingénieur)
– Connaissances en électronique Radiofréquence/ Physique
– Connaissances minimales en mesures Radiofréquences

Modalité de dépôt des candidatures
Envoi d’un CV détaillé, d’une lettre de motivation, et d’un justificatif du dernier diplôme acquis aux directeurs de thèse

Directeur de thèse
Denis BARATAUD
Adresse mail du directeur de thèse : denis.barataud@unilim.fr
Téléphone Directeur de thèse : +33 555457753

Co-directeur de thèse
Jean Pierre Teyssier
Adresse mail du co-directeur de thèse : jean-pierre.teyssier@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : +33 555867301
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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