Modélisation compacte de transistors en technologie GaN pour la conception d’amplificateurs de puissance et de sources de fréquences

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Modélisation compacte de transistors en technologie GaN pour la conception d’amplificateurs de puissance et de sources de fréquences
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Le doctorant sera basé à Brive mais avec des déplacements d’une journée sur Limoges et des possibilités de séjours de courte durée chez le partenaire industriel en région parisienne
Date Limite de candidature : 30/09/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Présentation de l’équipe de recherche
http://www.xlim.fr/C2S2/projets

Résumé de la thèse en français
Les technologies grand gap sont aujourd’hui arrivées à maturité dans le domaine des industries RF. Sur le marché des télécommunications, les HEMT GaN sont maintenant près à concurrencer les composants en technologies Si LDMOS et pHEMT AsGa jusqu’à la bande Ku (18 GHz) mais des développements sont encore à réaliser pour élargir le marché des technologies grand gap à des fréquences encore plus élevées, depuis la bande Ka (40 GHz) jusqu’en bande E (90 GHz). Pour atteindre ces objectifs, les concepteurs de circuits monolithiques ont besoin de modèles compacts de composants semi-conducteurs permettant de prévoir les caractéristiques déterministes telles que la puissance, la fréquence et la bande d’accord électronique des oscillateurs, …etc. mais aussi le bruit de phase dans un oscillateur. L’objet de cette thèse est donc de tenter d’aboutir à la mise au point d’une méthodologie d’extraction d’un tel modèle utilisable en milieu industriel ainsi que de sa vérification sur des circuits basés sur des transistors HEMT sur GaN. Pour ce faire, nous utiliserons à la fois des outils de caractérisation (mesures I(V), paramètres S], sources de bruit basse fréquence, impédances thermiques) et des simulations physique et thermique «déterministe» du composant, incluant les pièges ainsi que des simulations du bruit GR assisté par pièges. Les transistors proviendront de la fonderie UMS et du laboratoire II-V LAB.

Résumé de la thèse en anglais
Wide Gap technologies are now mature in industries in the field of RF. On the telecommunications market, GaN HEMTs are now ready to compete with pHEMT components based on GaAs and LDMOS technologies up to the Ku-band (18 GHz), but developments are still to be done to expand the market to frequencies even higher, since the Ka-band (40 GHz) band until E (90 GHz). To achieve these objectives, the monolithic circuit designers need models of compact semiconductor components to provide deterministic features such as power, frequency and the tuning band in oscillators, … etc.. but also the phase noise in an oscillator . The purpose of this thesis is to try to achieve the development of a methodology for extracting such a model which can be used in industrial environments as well as its verification with circuits based on GaN HEMT technology. To do this, we use both characterization tools ( I (V) measures, [S] parameters , low-frequency noise sources, thermal impedances) and « deterministic » physical and thermal simulations of the component, including traps as well as simulations of GR noise assisted by traps. The components will be furnished by the UMS foundry and The II-V LAB.

Description complète du sujet de thèse
Le travail pourra se décomposer en différentes tâches qui devront interargir.
– Mesures pulsées, I(V) et paramètres S,
– caractérisation électrothermique des composants
– Extraction des modèles compacts non linéaires déterministes des composants
– Simulation physique déterministe des composants
– Caractérisation des sources de bruit basse fréquence des composants en température
– Simulation physique du bruit BF et comparaison avec les mesures.
– Modélisation des principales sources de bruit stationnaires. Méthodologie d’extraction des modèles compacts
– Implémentation des modèles compacts de sources de bruit stationnaires dans un simulateur commercial de circuits non linéaires analogiques
– Réalisation de circuits pour validation du modèle compact
La plupart des bancs de mesure utilisés sont déjà développés, il s’agira surtout d’interpréter et analyser les mesures pour en déduire une méthode d’extraction des modèles et de vérifier ces comportements avec des simulateurs physiques

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques de cette étude sont nombreux. Le premier est celui de réaliser un modèle compact complet électrothermique non-linéaire avec sources de bruit basse fréquence de transistors HEMT de la technologie GaN d’UMS à partir de caractérisations électriques basse fréquence et haute fréquence et de simulations physiques des composants pour des applications dans la CAO des circuits non linéaires, RF, microondes et millimétriques. Il n’existe actuellement aucun modèle de ce type, cohérent du continu aux fréquences microondes, utilisable pour des puissances faibles à fortes et incluant la modélisation des sources de bruit basse fréquence, du comportement thermique et de la présence des pièges. C’est ce verrou scientifique qu’il s’agit de lever. L’intérêt de ce modèle est de relier la simulation physique «déterministe» du composant, incluant les pièges, la simulation thermique du composant afin d’améliorer les performances thermiques des composants GaN en identifiant les points limitants (résistance de contacts, conductivité thermique des matériaux, topologie…), la modélisation «locale» des sources de bruit BF du composant, aux mesures effectuées aux bornes du composant. La mise en oeuvre de ces liaisons devra permettre d’extraire un modèle compact non-linéaire électrothermique utilisable pour la CAO des circuits non linéaires.
. Ces modèles compacts précis permettront l’établissement de méthodologies de conception des circuits basées sur des règles d’expertise simples et précises. L’ensemble de l’étude devrait permettre une compréhension physique plus fine du comportement de ces composants utilisés dans les applications de télécommunication ou radars. En outre la confrontation entre les mesures de bruit basse fréquence et les simulations physiques incluant la modélisation du bruit devraient permettre de localiser les pièges présents dans ces composants pour en séparer l’influence ce ceux présents plutôt en surface de ceux localisés dans l’hétérostructure lors de la croissance du semi-conducteur. Cette avancée offrira un retour sur la technologie et permettra d’envisager des améliorations de performances au niveau des composants. L’élaboration de modèles complets de cette technologie devrait se traduire par la réalisation “d’un saut technologique” sur les performances des circuits en maitrisant mieux leurs comportements complexes. Ce projet représente une formidable opportunité d’effectuer une avancée technique importante qui permettra aux industriels, aussi bien fondeurs qu’équipementiers, d’acquérir un avantage compétitif certain, voire décisif, dans le domaine de la conception et réalisation des circuits microondes pour les télécommunications. En effet, l’amélioration des modèles, précis pour une plus large gamme d’utilisation permettra une meilleure prise en compte de ces paramètres dimensionnants (linéarité, bruit près de la porteuse, thermique, rendement, …) dès les phases de conception et permettra de réduire le temps de mise au point pour une disponibilité plus rapide sur le marché.

Compétences à l’issue de la thèse
Parfaite connaissance de l’utilisation des outils de caractérisation et de modélisation de composants actifs non-linéaires
Compétences en physique du semiconducteur et des outils de simulation physique
Compétences en conception de circuits non-linéaires (amplificateurs de puissance, oscillateurs) et mesures de ces circuits

Mots clés (séparés par des virgules)
Modélisation non-linéaire, caractérisation expérimentale, simulation physique, conception circuits non-linéaires
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
le candidat devra posséder un master 2 (ou équivalent) dans le domaine de l’électronique ou avoir une forte motivation pour s’investir dans un projet de recherche dans ce domaine

Modalité de dépôt des candidatures
envoyer un CV et une lettre de motivation aux directeurs et/ou co-directeur de thèse

Directeur de thèse
Michel Prigent
Adresse mail du directeur de thèse : [michel.prigent@xlim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 55 86 73 23

Co-directeur de thèse
Jean-Christophe Nallatamby
Adresse mail du co-directeur de thèse : jean-christophe. nallatamby@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 86 73 23
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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