Optimization of GaN technology for Ku-band power amplification specific to airborne sensor applications

Abstract

Du fait des propriétés exceptionnelles du Nitrure de Gallium (GaN), les transistors HEMTs à base de GaN sont des candidats prometteurs pour les applications de puissance fonctionnant en gamme d’onde millimétrique. Cette technologie émergente est particulièrement attractive pour les senseurs aéroportés développés par Thales et pourrait, à terme, remplacer les amplificateurs à tube employés jusque-là. Cependant, des problèmes inhérents à cette filière de composants subsistent, requérant l’optimisation de cette technologie notamment dans le cadre de la réduction des dimensions des transistors pour la montée en fréquence. Outre les performances RF en puissance, la stabilité impulsion à impulsion (P2P) est une figure de mérite clé des senseurs aéroportés. La détection et la précision des paramètres d’une cible dépendent de cette stabilité. Mes travaux de thèse consistaient à développer un banc de mesure fonctionnant en bande Ku et permettant d’extraire sous pointe la stabilité impulsion à impulsion de transistors GaN. En lien avec ce banc, une procédure de mesures transitoires en puissance et en courant a également été mise en place. J’ai pu étudier, dans le contexte des senseurs aéroportés, trois filières de composants industrielles provenant de la compagnie UMS incluant la filière qualifiée dénommée GH25 (grille de 250nm), la filière GH15 (grille de 150nm) en cours de qualification et la filière GH10 (grille de 100nm) en cours de développement. La technologie GaN 100nm étant encore en phase exploratoire au niveau mondial, nous avons également étudié de nouvelles structures dans le but d’améliorer les performances de ces composants de manière fiable tout en limitant les effets de pièges. J’ai ainsi pu montrer que l’hétérostructure AlN/GaN, avec une architecture d’épitaxie bien choisie, permet d’obtenir des transistors à grilles courtes fonctionnant à des tensions de drain élevées (30V) et délivrant de fortes densités de puissance (> 4W/mm) associées à de hauts rendements (PAE> 50%) à 40GHz.Owing to the outstanding properties of Gallium Nitride (GaN), GaN-based HEMTs are promising candidates for power applications operating in the millimetre-wave range. This emerging technology is particularly attractive for the airborne sensors developed by Thales and could eventually replace the travelling-wave tube amplifiers that are currently used. However, there are still issues inherent to this technology, requiring optimisations particularly in the frame of the reduction of the device dimensions targeting higher frequency of operation. In addition to RF power performances, pulse-to-pulse stability (P2P) is a key figure of merit for airborne sensors. The detection and accuracy of parameters from a target depend on this stability. My thesis focused on the development a test bench operating in Ku-band and allowing to extract the pulse-to-pulse stability of GaN transistors directly on-wafer. Linked to this bench, a procedure for power and current transient measurements was also implemented. In the context of airborne sensors, I have studied three types of industrial devices from UMS including the qualified transistors so-called GH25 (gate length of 250nm), the GH15 (gate length of 150nm), which under a final phase of qualification and the GH10 (gate length of 100nm), which is under development. As the 100nm GaN technology is still in an exploratory phase worldwide, we have also studied new structures with the aim of improving the performance of these devices in a reliable way while limiting the trapping effects. I have thus been able to show that the AlN/GaN heterostructure, with a well-chosen epi-design, allows to obtain short transistors operating at high drain voltages (30V) and delivering high power densities (> 4W/mm) associated with high efficiencies (PAE> 50%) at 40GHz