Academic literature on the topic 'Transistor à haute mobilité électrique'

Ce papier décrit la méthodologie permettant de transformer un campus universitaire en laboratoire ouvert par l’introduction de plateformes expérimentales liées aux thématiques phares de la mobilité, de l’énergie et des mutations sociétales. En particulier, ce papier s’intéressera au volet Mobilité avec la présentation du robot SMART-UHA, un robot mobile autonome tracté par énergie électrique et dont les missions sont d’assurer des livraisons de colis sur le campus, et ce en assurant la totale sécurité des usagers. L’ensemble des capteurs et actionneurs de cette plateforme sont présentés, ainsi que les architectures matérielles et logicielles permettant une navigation sûre le long du campus. L’utilisation de cette plateforme dans le cadre de la formation des futurs techniciens et ingénieurs est détaillée, illustrant l’intérêt du robot SMART-UHA comme démonstrateur du savoir-faire de l’Université de Haute-Alsace et des interactions fortes entre recherche et enseignement.

"Les travaux de cette thèse ont porté sur l'étude, la réalisation et la caractérisation de transistors HEMTs de la filière AlInAs/GaInAs sur substrat d'InP, pouvant répondre aux différentes applications dans le domaine millimétrique, voire sub-millimétrique. Nous avons pour cela, envisagé deux axes principaux. La première voie qui a été suivie, est passée par une réduction des dimensions des transistors, en particulier la longueur de grille en "T" à quelques dizaines de nanomètres. Cette réduction, nécessaire afin d'augmenter les performances, passe par une amélioration de certaines étapes technologiques indispensables telles que la lithographie de la grille, l'étape de gravure du cap layer ou "recess", mais aussi la prise en compte des règles d'échelle pour la structure de couche. Une première étude technologique sur des grilles sub-100nm a montré qu'une approche différente de l'étape lithographique utilisée habituellement (dite "bicouche de résine") doit être utilisée afin de diminuer les longueurs de grilles. Nous avons alors mis au point deux procédés de lithographie de grille permettant d'obtenir des dimensions inférieures à 50nm. La première technologie qui utilise un " bicouche mixte", a permis l'obtention de grilles de 35nm. La seconde technologie, appelée le "procédé nitrure", permet de réaliser des grilles en T robustes, de 20nm de longueur de grille. Ce deuxième procédé a donc été appliqué à la réalisation de transistors sur différentes structures de couches: une structure à barrière fine, une structure à barrière fine et mixte (utilisant une fine couche d'InP dans la barrière) et enfin une structure à barrière épaisse. L'influence des effets de canal court a donc pu être étudiée et on voit bien que la réalisation de transistors de 25nm sur une barrière épaisse, pour laquelle le rapport d'aspect (distance grille-milieu du canal) est inférieur à l, diminue considérablement les performances fréquentielles. "
Ainsi, en augmentant ce rapport à 1,5 (cas des transistors sur barrière fine), on obtient une fréquence ft de 253GHz et une fréquence fmax de 380GHz. La dernière structure, à barrière fine et mixte, nous a permis d'obtenir des fréquences ft de l'ordre de 270GHz rien qu'en augmentant légèrement l'épaisseur de la barrière (puisque la grille a été déposée sur la Couche d'InP). Ces premiers résultats indiquent les potentialités offertes par l'utilisation d'une barrière Schottky mixte. Ces résultats pourraient être améliorés par l'utilisation d'un "double recess", ce qui permettrait de diminuer les zones trop importantes d'extensions de recess, à l'origine de la dégradation des performances fréquentielles de ces composants ultimes. L'amélioration de certains paramètres électriques liée à l'utilisation d'un recess mieux adapté permettrait d'aboutir à une fréquence ft de 520GHz, proche de l'état de l'art. Néanmoins, la réduction des dimensions atteint des limites, c'est pourquoi nous avons envisagé d'étudier des composants en rupture technologique avec les précédents transistors appelés "transistors sans couche tampon". L'idée est de venir supprimer la couche tampon qui est à l'origine d'une augmentation de la conductance de sortie par l'injection de porteurs dans cette couche. La réalisation technologique de ces composants est basée sur la technique de report de substrat, qui a été mise au point et adaptée à la réalisation d'un HEMT sans couche tampon. Les premiers résultats électriques indiquent que la technique de report de substrat affecte peu les caractéristiques de la couche active. Bien que nous ayons réalisé les premiers transistors sans couche tampon de longueur de grille 100nm, les caractéristiques électriques observées ne sont pas celles escomptées. Toutefois l'origine de ces faibles performances a été identifïée, et des solutions d'amélioration sont proposées

Pour les applications électroniques analogiques, des composants fonctionnant en hautes fréquences avec un faible niveau de bruit sont nécessaires. Pour le développement de circuits numériques hauts débits de type DCFL, il faut utiliser des transistors à effet de champ à tensions de seuil positives. De plus, la tenue en tension est aussi une contrainte. La structure HEMT métamorphique à enrichissement AlInAs/GaInAs sur GaAs développée par la société OMMIC en 2007 répond à ces exigences et constitue le point de départ de cette étude. Le but de cette thèse est en effet de fournir une structure de HEMTs à enrichissement (E-HEMTs) de la filière AlInAs/InGaAs pour applications faible bruit sur substrat InP, afin de tirer profit de sa forte mobilité électronique, tout en maintenant de bonnes caractéristiques statiques et dynamiques. Notre travail d’optimisation, de réalisation et de caractérisation de structures permet d’atteindre des fréquences de coupure FT, FMAX de respectivement 204 GHz et 327 GHz, pour un NFmin de 0.96 dB et un gain associé de 13.2 dB à 30 GHz, pour des structures présentant d’excellentes performances statiques : tension de seuil positive de 30 mV, tension de claquage grille - drain de –7 V, transconductance de 1040 mS/mm. Ces résultats placent ce HEMT sur InP à l’état de l’art des transistors HEMTs à enrichissement, et en font un concurrent des transistors HEMTs à déplétion pour les applications faible bruit
The increasing needs of high frequency electronic systems combined with constant efforts in miniaturization require low noise and high frequency Field Effect Transistor with high operation voltage. For digital applications, enhancement mode HEMT is needed. The enhancement-mode metamorphic AlInAs/GaInAs HEMT on GaAs substrate developed in OMMIC in 2007 meet these requirements and it represents the starting point of our study. The aim of our work is to provide AlInAs/InGaAs E-HEMTs for low noise applications, on InP substrate in order to take advantage of its high electronic mobility, while maintaining high static and dynamic performances. We first optimized the structure, then we realized and characterized E-HEMTs which reach high cutoff frequencies, such as 204 GHz for FT and 327 GHz for FMAX, combined with a low noise figure of 0.96 dB and an associated gain of 13.2 dB at 30 GHz. These structures also show high static performances such as a 30 mV threshold voltage, a gate-to-drain breakdown voltage of –7 V, and a high transconductance of 1040 mS/mm. These results make this pseudomorphic E-HEMT on InP substrate at the state of the art of the enhancement mode HEMTs, and it even competes with the best low noise applications depletion mode HEMTs

Le travail présenté dans ce mémoire a pour objet principal l’étude des phénomènes de bruit du fond électrique basse fréquence dans des transistors pour applications micro-ondes de type effet de champ (HEMT) sur SiGe et GaN ainsi que de type bipolaire à hétérojonction (TBH) à base de silicium-germanium (SiGe). Dans un premier chapitre nous rappelons les caractéristiques et propriétés essentielles des sources de bruit en excès que l’on rencontre généralement dans ce type de composants et proposons une description des bancs de mesure de bruit mis en oeuvre. Dans les deuxième et troisième chapitres, nous proposons une analyse détaillée de l’évolution du bruit observé en fonction de la fréquence, de la polarisation, et de la géométrie sur des HEMTs des deux familles technologiques SiGe et GaN. Nous avons en particulier étudié les deux générateurs de bruit en courant en entrée et en sortie respectivement iG et iD ainsi que leur corrélation. Ceci nous a permis, en nous appuyant aussi sur l’analyse des caractéristiques statiques des transistors, d’identifier les diverses sources de bruit en excès présentes dans ces composants et de faire des hypothèses sur leurs origines. Le dernier chapitre est consacré aux TBHs à base de SiGe. Dans une première partie nous établissons comment varie le bruit basse fréquence de TBHs, fabriqués par un premier constructeur, en fonction de la polarisation, de la géométrie et de la fraction molaire de germanium. Dans une seconde partie nous mettons en évidence, d’après nos observations effectuées sur des TBHs fabriqués par un second constructeur, l’impact important sur le bruit BF de stress thermiques appliqués sur ce type de composants
This thesis deals mainly with electrical noise in microwave silicon germanium (SiGe) and gallium nitride (GaN) field effect transistors (HEMT’s) and SiGe heterojunction bipolar transistors (HBT’s). The organisation of this memory is as follows, in first chapter, we remember the important properties of excess noise sources encountered in these type devices. In addition, we describe the measurement set-ups used for static and noise characterization. In the second and third chapters, a thoroughful analysis of the noise dependence on frequency, bias, and geometry of both SiGe and GaN HEMT’s, has been carried out, specifically, the input and output current noise sources respectively iG and iD and their correlation. This in combination with static characterization, allowed to identify the different noise sources present in these devices and their supposed origin. .

Le domaine des composantes de puissance haute température concerne à la fois les applications devant fonctionner en milieu à température ambiante élevée, et les applications en ambiance normale pour les quelles une augmentation de la puissance massique et volumineuse des équipements souhaitée. Dans ce contexte, nous nous sommes plus particulièrement attaché à l'étude du comportement électrique du transistor bipolaire de puissance dans la gamme de températures allant de 30°C à 260°C. Ont été successivement étudiées et analysées d'un point de vue physique les évolutions en température des principales caractéristiques à l'état bloqué, ainsi que les caractéristiques de communication sur charge résistive et induite. Une évaluation de la dissipation de puissance en fonction de la température de jonction du composant a été effectuée pour les différentes phases de son fonctionnement. Ayant écarté tout problème relatif au vieillissement et à la fiabilité, cette étude a montré que la fonctionnalité globale du transistor bipolaire de puissance est maintenue dans tout l'intervalle de température, malgré une diminution sensible de ces performances. L’augmentation des pertes de puissance lorsque la température croît entraîne une limitation de l'intérêt d'un fonctionnement à température de jonction élevée. Le silicium, semiconducteur exclusif de l'électronique de puissance moderne, est directement mis en cause, victime des dépendances en température de sa concentration intrinsèque de porteurs et de la mobilité des électrons et des trous. De l'analyse théorique du comportement à haute température du transistor bipolaire de puissance, et de la connaissance des propriétés physiques du carbure de silicium, sont déduits, pour finir, les bénéfices à attendre d'une substitution du silicium par de nouveau semiconducteur
The high temperature power device field concerns both the high ambient temperature applications an the systems opera ting at usual ambient temperature for which an increase in the power-to-weigh ratio is needed. In this frame, we particularly examined the electrical behaviour of the bipolar power transistor in the [30°C, 260°C] temperature range. We studied and analysed from a physical point view the on- and off-state characteristics, as also the switching characteristics under resistive and inductive load. An evaluation of the device dissipation versus junction temperature was made for each Phase of its switching operation Having left away all ageing and reliability problems, this study showed that the bipolar power transistor functionality is maintained in all the temperature range, though a perceptible performance diminution. The increase in power dissipation when the temperature is augmented leads to a limitation of the advantage of a high temperature operation of the component. Silicon, which is the sole semiconductor used for existing power devices, is personally involved especially because of its intrinsic carrier concentration and carrier mobility dependences on temperature. The analysis of the high temperature bipolar power transistor electrical characteristics, and the knowledge of the silicon carbide physical properties let us deduce the theoretical advantages of such a new semiconductor with regard to improvement of the bipolar power transistor performance at high temperature

La connaissance du comportement électrique à température de boîtier de l'ordre de 200°C des composants de puissance à semi-conducteur est d'une grande importance pour les applications électroniques de l'automobile du futur. Dans ce contexte, notre travail s'est intéressé à deux aspects : une étude de fonctionnalité à haute température de trois types de transistors de puissance (Darlington, MOSFET et IGBT) intéressants pour l'automobile (en particulier pour les applications d'injection et d'allumage transistorisés) et une contribution à l'étude de la fiabilité de la fonction "allumage" à haute température. Les températures moyennes de jonction concernées par cette étude sont comprises entre 30°C et 220°c. L'étude de fonctionnalité a permis de quantifier l'effet d'une élévation de la température de jonction jusqu'à 220°C sur les performances électriques de différents types de composants, Darlington, MOSFETs et IGBTs, du commerce. Bien que souvent fortement modifiées du fait de la dépendance des paramètres physiques du silicium vis-à-vis de la température, les caractéristiques électriques des transistors de puissance étudiés attestent de leur fonctionnalité à 220°C. Si les trois technologies considérées ·sont équivalentes devant l'augmentation très forte de leur courant de fuite à l'état bloqué, leurs comportements à l'état passant peuvent être différents sous faible tension de déchet et pour des courants inférieurs ou égaux au courant nominal constructeur. La mesure des dérives des principales caractéristiques électriques des transistors de puissance étudiés suite aux essais de stockage, cycle et choc thermiques sévérisés en température, n'a pas permis de montrer d'incompatibilité systématique entre bonne fonctionnalité et présence d'une température ambiante de 200°C. Enfin, l'étude du comportement de Darlington, MOSFET et IGBT de puissance, en fonctionnement dans un circuit d'allumage électronique, à température de jonction moyenne de 220°C, a permis de mettre en évidence, pour chacune des trois technologies, une caractéristique pouvant être critique pour la fiabilité de la fonction "allumage" à haute température
The knowledge of power semiconductor device electrical behaviour at about 200°C case temperature represents a great interest for future automotive electrical application. In this thesis, our work deals with two aspects : a study of functionality at high temperature for three types of power transistors (Darlington, MOSFET and IGBT) used by automobile (in particular for the application of transistorized injection and ignition) and a study of reliability for the "ignition" fonction at high temperature. The average junction temperature concerned by this study ranges from 30°C to 220°C. The study of functionality gives the electrical performance depending on junction temperature up to 220°C for different types of devices, Darlington, MOSFET and IGBTs, commercially available. The characteristics are affected by great changes in physical parameters of silicon with the increase in junction temperature. At off-state, the obvious increase in leakage current with ternperature is the same for the three devices. At on-state, their electrical behaviours are different for small votage bias and for current not greater than the nominal current. The measurement of drifts of electrical characteristics due to storage at high temperature, thermal cycle and thermal shock, can not demonstrate the systematic incompatibility between good functionalicy and presence of a 200°C ambient temperature. Finally, the study of the behaviour of Darlington, MOSFET and IGBT power devices, working in the ignition circuit, at 220°C of average junction temperature, has shown for each three technologies, that a characteristic may be critical for the reliability of the "ignition" function at high temperature

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d'intégrer ces composants dans un système électronique, l'analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L'objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d'hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d'analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L'étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L'étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés.

Un des objectifs majeurs des systèmes de communication est de pouvoir transmettre des données aux plus hauts débits possibles. La demande croissante des utilisateurs pour la communication sans fil à haut débit excède déjà les possibilités des réseaux actuels. Afin de répondre à cette problématique, nous présentons des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses térahertz (THz), fréquences suffisamment élevées pour supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. En particulier, nous nous intéressons au développement et à l'intégration d'un détecteur haut débit destiné à la communication THz sans fil. Nous utilisons comme détecteur un transistor GaAs à haute mobilité électronique (HEMT). Contrairement aux détecteurs existants tels que les diodes Schottky, le transistor étudié offre des avantages en ce qui concerne le coût, la compacité et les performances. En particulier, l'impédance de sortie est mieux adaptée aux circuits intégrés hauts débits d'impédance d'entrée de 50 Ohm. Nous présentons une caractérisation de ce détecteur en sensibilité et en bande passante de modulation, démontrant pour la première fois sa capacité à être utilisé pour des communications à haut débit. L'intégration du transistor, indispensable à la réalisation de communications réelles, est détaillée. Une communication THz sans fil est démontrée à des fréquences de 0,200 THz et 0,309 THz. Pour la première fois, une transmission de données sans erreur a été démontrée jusqu'à un débit de 8,2 Gbps avec un transistor GaAs HEMT à une fréquence porteuse de 0,309 THz. Enfin, nous présentons de nouveaux transistors avec antenne intégrée permettant des communications à plus haut débit et de plus grande portée, grâce à une meilleure sensibilité
One of the major objectives of communication systems is the ability to transmit data at the highest possible rates. The ever-growing user demand for wireless communication already exceeds capacities of present networks.In order to solve this problem, we introduce communication systems based on terahertz (THz) high-frequency carriers, whose frequencies are high enough to support data-rates higher than a hundred of gigahertz. In particular, we are interested in the development and the integration of a high data-rate detector intended for THz wireless communication.We use a GaAs High-electron-mobility transistor (HEMT) as detector. Unlike existing detectors such as Schottky diodes, the transistor studied in this thesis offers advantages in terms of cost, compactness and performances. In particular, the output impedance is more suitable for high data-rate integrated circuits whose input impedance is 50 Ohm. We present the characterization of the detector in terms of sensitivity and modulation bandwidth, demonstrating for the first time its ability to be used for high data-rate communications. The transistor's integration, essential for real communications, is detailed.A wireless THz communication is demonstrated around 0.200 THz and 0.309 THz. For the first time, an error-free transmission at data-rates up to 8.2 Gbps is demonstrated, using a GaAs plasma wave HEMT and a 0.309 THz carrier frequency. Finally, we present new transistors with integrated antenna, allowing communications at higher data-rates and with a longer range, thanks to a better sensitivity

Le développement des systèmes modernes requière la conception d'amplificateurs de puissances aux performances croissantes afin de répondre aux demandes toujours plus exigeantes du marché. Les matériaux à base de nitrure permettent d'améliorer les performances en puissance hyperfréquences de ces dispositifs. Les travaux réalisés dans ce mémoire portent sur l'étude des caractéristiques expérimentales et de la modélisation des transistors HEMT à base de GaN en vue de leur utilisation dans ces dispositifs. La première partie de ce travail situe la filière nitrure de gallium dans le contexte actuel du marché des hyperfréquences. Les paramètres de cette filière sont comparés aux filières usuelles et par rapport aux besoins des applications hyperfréquences afin de prouver le potentiel du GaN pour ces applications. La suite de ce travail présente l'étude des caractéristiques expérimentales des composants de la filière nitrure de gallium. Plusieurs composants représentatifs sont sélectionnés et leurs caractéristiques théoriques et expérimentales sont comparées et analysées. Cette comparaison met en évidence d'une part le fort potentiel du GaN pour les applications de puissance hyperfréquences et d'autre part les limitations qui y sont encore associées. Différentes techniques de caractérisation ont été développées et appliquées afin de comprendre l'origine de ces limitations. La dernière partie présente la modélisation que nous avons développés pour les transistors à base de GaN. Dans un premier temps l'évolution du schéma équivalent linéaire, adaptée à ces composants est présenté. Les différentes procédures de mesure et d'extraction de ce modèle sont discutées et validées. Dans un deuxième temps, la détermination d'un modèle non linéaire a été entreprise. Différents modèles sont développés et appliqués aux composants nitrures. Ceux-ci sont ensuite validés par la comparaison systématiques avec les mesures en régime statiques, petit et grand signal.

Les HEMT à base de nitrure de gallium sont développés pour les applications de puissance hyperfréquence et leurs performances sont limitées par l'élévation de température résultante des hautes densités d'énergie dissipées dans les dispositifs. La température diminue la mobilité des électrons dans le gaz bidimensionnel, l'efficacité des résistances de contact ohmique ainsi qu'une baisse de la fiabilité du contact Schottky de la grille. L'optimisation du management thermique, afin d'obtenir les performances optimales, nécessite une connaissance précise de la température de fonctionnement thermique du composant. Plusieurs techniques de métrologie de la température ont été utilisées : la spectroscopie micro-Raman, la technique de caractérisation I-V pulsées, la microscopie thermique à balayage, la thermo-reflectance, ainsi qu'une méthode de simulation par élément finis. Enfin un management thermique amélioré est proposé, basé sur dépôt de diamant hydrogéné sur la zone active du composant qui draine les calories au plus près de la zone chaude.