Développement de transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) AlGaN/GaN pour des applications à haute

Sujet de thèse :
Dans le cadre de l’optimisation de l’efficacité énergétique et des performances des systèmes électroniques, cette thèse propose de développer une nouvelle filière de transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en AlGaN/GaN adaptés à des applications à haute fréquence (RF). Cette technologie, encore inexploitée en France, s’inscrit dans l’expertise du groupe Anode de l’IEMN, reconnu à l’international pour ses travaux sur les transistors HBT sur III-V et les dispositifs verticaux de type Schottky GaN, notamment pour les applications hautes fréquences et THz. L’objectif principal est de répondre aux besoins croissants d’efficacité énergétique, de densité de puissance dans des domaines stratégiques tels que les télécommunications, l’automobiles…
L’objectif est d’explorer le potentiel des HBTs en GaN, une technologie prometteuse pour les applications de puissance à haute fréquence. En combinant les avantages intrinsèques des HBTs (transconductance élevée, densité de puissance élevée…) aux propriétés du GaN (large bande interdite, son champ électrique critique élevé et sa robustesse thermique), ce projet ambitionne d’établir une filière technologique pour les dispositifs RF verticaux en AlGaN/GaN.
En particulier, pour les systèmes RF, le projet se concentre sur des structures à collecteurs fins, optimisées pour atteindre des fréquences de transition (fT) et des fréquences maximales d’oscillation (fMax) comprises entre 50 et 90 GHz, tout en assurant une tenue en tension supérieure à 100 V.
Pour atteindre les objectifs du projet, une première étape consistera à mener une étude approfondie des mécanismes d'injection de charge dans les dispositifs. L'accent sera mis sur l'optimisation de la jonction émetteur-base, en ajustant notamment le taux d’aluminium dans la couche émettrice en AlGaN. Ces ajustements seront explorés grâce à des simulations utilisant l’outil SILVACO. Après avoir défini ces paramètres, la conception des masques nécessaires à la fabrication des transistors sera réalisée. La fabrication, ensuite, mettra l’accent sur l’optimisation des contacts ohmiques, particulièrement celui de la base, pour réduire la résistance spécifique de contact, ainsi que sur la minimisation des défauts de surface liés aux étapes critiques de gravure sèche de type ICP. Ces optimisations seront essentielles pour garantir des performances élevées et une fiabilité accrue, notamment pour les architectures verticales. Dans la phase finale, les transistors fabriqués seront soumis à une caractérisation détaillée pour évaluer leurs performances en haute fréquence (RF) et en puissance en mode load pull à 18 GHz et à 40 GHz si les performances fréquentielles des HBTs le permettent.
En combinant une ingénierie des structures et des avancées dans les processus de fabrication, ce projet ambitionne de positionner les HBT AlGaN/GaN comme une solution de référence pour les dispositifs verticaux de prochaine
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