THESE. Présentée à L UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE. Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L UNIVERSITE

Description
N d ordre: THESE Présentée à L UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L UNIVERSITE Spécialité: Microélectronique, Acoustique et Télécommunication Par

Please download to get full document.

View again

of 174
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Magazines/Newspapers

Publish on:

Views: 205 | Pages: 174

Extension: PDF | Download: 1

Share
Transcript
N d ordre: THESE Présentée à L UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE Pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L UNIVERSITE Spécialité: Microélectronique, Acoustique et Télécommunication Par Florent GAMAND AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE ET CONVERTISSEURS DC/DC À BASE DE GAN POUR DES APPLICATIONS HYPERFRÉQUENCES Soutenance devant la commission d examen prévue le 16 Octobre 2013 Membres du jury : PR E. KERHERVE Rapporteur PR R. QUERE Rapporteur DR. S. DENIS Examinateur PR. P. DESCAMPS Examinateur DR. D. FLORIOT Examinateur DR. J. LHORTOLARY Examinateur DR. S. PIOTROWICZ Examinateur PR. C. GAQUIERE Directeur de thèse 2 Remerciements Ce travail a été réalisé au sein de l Institut d Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) et financé dans le cadre du contrat MIRANDELA. Je tiens à remercier Monsieur le Professeur Jean-Claude De Jaeger pour la confiance qu il m a accordée en m accueillant au sein de son équipe de recherche. J adresse mes plus sincères remerciements à Monsieur le Professeur Christophe Gaquière, mon directeur de thèse, qui m a encadré durant ces travaux. Je lui exprime toute ma reconnaissance pour l ensemble de ce qu il m a apporté tant d un point de vue scientifique que personnel. J exprime toute ma reconnaissance à Monsieur le Professeur Eric Kerhervé, ainsi qu à Monsieur le Professeur Raymond Quéré, qui me font l honneur de juger ce travail et d en être les rapporteurs. Je remercie également Messieurs Stéphane Denis, Philippe Descamps, Didier Floriot, Julien Lhortolary et Stéphane Piotrowicz d avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je remercie Madame Valeria Di Giacomo-Brunel et Monsieur Ming-Dong Li pour les nombreux conseils qu'ils m'ont donnés, ainsi que Messieurs Thierry Duquesne, Nadir Idir et Arnaud Videt du laboratoire L2ep avec qui nous avons travaillé. J exprime enfin toute ma reconnaissance à l ensemble des personnes de l IEMN et plus particulièrement de l équipe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance et de la Centrale de Caractérisation pour leur gentillesse et leur bonne humeur. 3 4 Sommaire Remerciements 3 Sommaire 5 Introduction générale 9 CHAPITRE I CARACTERISTIQUES, CARACTERISATION ET MODELISATION DES COMPOSANTS GAN POUR DES APPLICATIONS DE COMMUTATION ET D'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT Introduction 13 I.1 - Caractéristiques des HEMTs GaN et intérêts pour les applications de commutation et d'amplification de puissance à haut rendement 14 I Historique du matériau GaN pour des composants électroniques 14 I Propriétés électriques et physiques des différents semi-conducteurs 15 I Figures de mérite 23 I La structure HEMT 25 I.2 - Caractérisation électrique des HEMTs GaN 30 I Mesures en régime continu 30 I Mesures en régime pulsé 38 I.3 - Modélisation électrique des HEMTs GaN 43 I Modélisation linéaire des HEMTs 43 I Modélisation non-linéaire des HEMTs 50 Conclusion 58 Bibliographie du Chapitre I 59 5 CHAPITRE II REALISATION ET CARACTERISATION DE CONVERTISSEURS DC/DC A HAUTE FREQUENCE DE DECOUPAGE A BASE D'HEMTS GAN POUR DES APPLICATIONS DE POLARISATION DYNAMIQUE D'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE Introduction 65 II.1 - Principes et architectures des convertisseurs DC/DC à découpage 66 II Principe général et historique des convertisseurs DC/DC à découpage 66 II Topologies de base des convertisseurs DC/DC à découpage 68 II.2 - Premier prototype de convertisseur DC/DC utilisant un HEMT GaN issu du laboratoire 79 II Choix du transistor 79 II Modélisation du transistor KQ II Conception, réalisation et caractérisation du premier convertisseur 88 II.3 - Deuxième prototype de convertisseur DC/DC utilisant un HEMT GaN du commerce, Nitronex NPTB II Caractéristiques du transistor NPTB II Conception et réalisation du convertisseur DC/DC boost V, 20 W 103 Conclusion 117 Bibliographie du Chapitre II 118 CHAPITRE III REALISATION ET CARACTERISATION D'AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE GAN A HAUT RENDEMENT Introduction 123 III.1 - Généralités et classes de fonctionnement des amplificateurs de puissance 124 III Bilan de puissance et définition du rendement 124 III Les différentes classes de fonctionnement 126 6 III.2 - Réalisation d'un amplificateur de puissance classe F GaN à 4 GHz 134 III Caractéristiques du transistor UMS GH50 8*250 µm 134 III Conception d'un amplificateur classe F à 4 GHz basé sur le transistor UMS GH50 8*250 µm 136 III Réalisation et caractérisation de l'amplificateur classe F à 4 GHz basé sur le transistor UMS GH50 8*250 µm 146 III.3 - Réalisation d'un amplificateur de puissance haut rendement dans la bande GHz 150 III Conception d'un amplificateur classe J basé sur le transistor UMS GH50 8*250 µm 150 III Réalisation et caractérisation de l'amplificateur classe J basé sur le transistor UMS GH50 8*250 µm 158 III.4 - Association d'un amplificateur GaN classe F avec un convertisseur DC/DC GaN pour l'optimisation du rendement 165 III Principe et intérêt de la polarisation dynamique 165 III Association d'un amplificateur classe F à 2 GHz et d'un convertisseur DC/DC GaN 167 Conclusion 176 Bibliographie du Chapitre III 177 Conclusion générale 179 Publications et conférences relatives à ces travaux 181 7 8 Introduction générale Le domaine de la microélectronique en général est en constante évolution, et en particulier les systèmes de télécommunication dont l'essor est important depuis les années 90. Les principaux axes d'évolution de ces systèmes se traduisent par une montée en puissance et en fréquence, cependant, un critère qui doit être pris en compte quelque soit le type de circuit développé est le rendement. En effet, ce dernier doit être le plus élevé possible afin de réduire la consommation des systèmes électroniques, permettant ainsi de minimiser le coût de fonctionnement, de maximiser l'autonomie (dans le cas de systèmes embarqués) et d'améliorer la fiabilité du fait des échauffements thermiques moins importants. Afin d'améliorer les rendements, en particulier dans le domaine de l'amplification de puissance hyperfréquence, un des éléments clés d'un système de télécommunication, de nombreuses techniques ont été développées. D'une part au niveau du fonctionnement des amplificateurs, notamment avec l'introduction de classes de fonctionnement à haut rendement, basées sur le contrôle des fréquences harmoniques. D'autre part au niveau des architectures des systèmes d'amplifications, où des techniques de type Doherty à titre d'illustration, utilisant un amplificateur auxiliaire pour les niveaux de puissance faibles, ou encore la polarisation dynamique. Cette dernière a recours à un convertisseur DC/DC, permettent une amélioration des rendements pour les signaux à enveloppe variable, tels que les signaux de type Long Term Evolution (LTE) ou Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX). Un élément central des amplificateurs de puissance est le transistor permettant l'amplification du signal hyperfréquence. Afin de pallier aux limites intrinsèques des transistors classiques à base de silicium, des transistors basés sur des matériaux semiconducteurs aux propriétés physiques supérieures permettant de délivrer des puissances importantes tout en ayant des fréquences de fonctionnement élevées sont développés. Parmi ceux-ci, les semi-conducteurs à grand gap, et notamment le nitrure de gallium (GaN), constituent un excellent choix. Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de GaN sont, maintenant, capables de concurrencer les transistors LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) à base de silicium ainsi que les HEMTs à base d arséniure de gallium (GaAs) sur le marché des stations de bases utilisées pour les télécommunications (3G, 4G, WiMAX,...). Les transistors de type HEMT GaN, du fait de leur capacité à commuter rapidement et de leurs faibles pertes résistives, sont également d'excellents candidats pour les applications de commutation de puissance à haute fréquence de découpage et haut rendement, tels que les convertisseurs DC/DC utilisés dans la plupart des alimentations électriques et plus spécifiquement pour l'alimentation d'amplificateurs de puissance dans le cadre d'une polarisation dynamique visant à l'amélioration continue des rendements. 9 Le premier chapitre de ce mémoire sera consacré à la présentation des propriétés des transistors à base de GaN et leurs intérêts par rapport aux autres semi-conducteurs pour des applications d'amplification hyperfréquence et de commutation. Leur caractérisation et modélisation seront également abordées dans l'optique de conceptions de circuits. Le deuxième chapitre sera consacré à la conception de convertisseurs DC/DC GaN à haute vitesse de découpage pour des applications de polarisation dynamique d'amplificateurs de puissance. Enfin, le troisième chapitre abordera la conception d'amplificateurs de puissance GaN à haut rendement en bande C pour des applications de télécommunication. L'association d'un convertisseur DC/DC développé au chapitre II et d'un amplificateur en bande S sur une même technologie GaN dans le cadre de la polarisation dynamique pour des signaux à forts PAPR sera également présentée et ses effets sur l'amélioration du rendement étudiés.. 10 CHAPITRE I CARACTERISTIQUES, CARACTERISATION ET MODELISATION DES COMPOSANTS GAN POUR DES APPLICATIONS DE COMMUTATION ET D'AMPLIFICATION DE PUISSANCE A HAUT RENDEMENT. 11 12 Introduction Dans le but d'améliorer les performances des circuits aussi bien dans le domaine des hyperfréquences que dans les applications de conversion de puissance, différentes pistes sont investiguées. Une de ces voies est l amélioration des technologies déjà existantes et éprouvées afin d optimiser les performances de ces composants classiques. Cependant les performances de ceux-ci sont, pour beaucoup, à la limite des propriétés intrinsèques des matériaux. De ce fait, une solution alternative consiste à utiliser des matériaux semiconducteurs aux propriétés physiques supérieures délivrant des puissances importantes et supportant de hautes températures de fonctionnement, tout en ayant des fréquences de fonctionnement élevée. Parmi ceux-ci, les semi-conducteurs à grand gap, et notamment le nitrure de gallium (GaN), constituent un excellent choix. Dans ce chapitre, après un bref rappel historique du GaN, les caractéristiques fondamentales des semi-conducteurs seront présentées et nous établirons une comparaison entre les différents matériaux afin de déterminer l'apport du GaN vis-à-vis des semiconducteurs classiques aussi bien pour des applications hyperfréquences que de commutation. Puis nous aborderons la caractérisation de transistors HEMTs AlGaN/GaN, en régime continu et en régime pulsé. Enfin, différentes techniques de modélisation de ces transistors ainsi que leurs avantages et inconvénients seront décrites. 13 I.1 - Caractéristiques des HEMTs GaN et intérêts pour les applications de commutation et d amplification de puissance à haut rendement I Historique du matériau GaN pour des composants électroniques Les premiers composants électroniques basés sur le Nitrure de Gallium datent du début des années 70, il s agit de diodes électroluminescentes bleues [1], puis violettes [2]. Cependant, la technologie de l époque n était pas encore appropriée à la production du GaN massif, les épitaxies étaient de mauvaise qualité et offraient des désaccords de maille importants entrainant une forte densité de défauts ainsi qu une morphologie de surface irrégulière. Les premières solutions apparurent à la fin des années 80 avec l utilisation d une couche de nucléation permettant de diminuer grandement les fissures et irrégularités de surface, une couche d AlN fut notamment utilisée par H. Amano [3]. En 1991, avec l amélioration des technologies de croissance, en particulier la technologie MOCVD, S. Nakamura obtint de meilleures performances en utilisant une couche de nucléation en GaN [4]. Le premier transistor AlGaN/GaN fut réalisé de cette manière par M.A. Khan en 1993 [5]. La figure I.1 permet de résumer les dates importantes dans l'histoire du Nitrure de Galium. Figure I.1 : dates importantes dans l histoire du GaN. 14 Depuis, l usage des composants GaN, notamment les HEMTs, est devenu courant dans le domaine des hyperfréquences, où plusieurs fabricants commercialisent une gamme complète de transistors. Des composants commerciaux pour des applications de commutation de puissance sont également sur le marché depuis quelques années [6]. I Propriétés électriques et physiques des différents semi-conducteurs A - Bande interdite et gap du semi-conducteur La bande interdite représente l'intervalle entre le niveau inférieur de la bande de conduction et le niveau supérieur de la bande de valence d'un matériau. L'énergie de bande interdite est la quantité d'énergie nécessaire à un électron pour passer de la bande de valence à la bande de conduction lorsque celui-ci est soumis à une excitation (par exemple thermique ou électrique). Le matériau est un semi-conducteur si le gap Eg, soit la distance énergétique entre le bas de la bande de conduction et le sommet de la bande de valence, est inférieur à 2eV. C est le cas des matériaux Ge, Si, GaAs, InP, Si par exemple. Le matériau est considéré comme un semi-conducteur grand gap pour des valeurs supérieures à 2 ev. On retrouve parmi ces matériaux le SiC, l AlN, le diamant et le GaN dont le gap est de 3.39 ev. On notera que les matériaux «grand gap» sont plus résistant aux radiations (plus d énergie est nécessaire pour que les porteurs franchissent le gap), ce qui en fait de bons matériaux pour les applications spatiales, de même cela permet aux composants de supporter des températures de fonctionnement plus élevées. La figure I.2 permet d'illustrer les diagrammes des bandes d'énergie pour des matériaux isolants, semi-conducteurs et conducteurs : Ec Bande de conduction Ec Ev Ev Ec Bande interdite Ev Bande de valence Isolant Semi-conducteur Conducteur Figure I.2 : diagramme des bandes d énergie pour des matériaux isolants, semi-conducteurs et conducteurs. 15 B - Champ de claquage Le champ de claquage d un semi-conducteur est la valeur du champ ou de la tension maximum qu il peut supporter. La valeur du champ de claquage dépend directement du gap du semi-conducteur selon la relation suivante : 3/ 2 Ec Eg On en déduit que plus le gap d énergie est important, plus le champ de claquage est élevé et donc plus la tension de claquage est haute. Les matériaux à grand gap ont par conséquent des tensions de claquage beaucoup plus élevées que les semi-conducteurs traditionnels, ce qui constitue un avantage pour les applications de forte puissance. Des tensions de claquage allant jusqu à 1900 V ont été observées pour des HEMTs AlGaN/GaN [7]. Les gaps ainsi que les champs de claquage correspondants pour des semi-conducteurs courants sont donnés par le tableau I.1. On observe jusqu à un facteur 10 entre les champs de claquage des semi-conducteurs classiques (Si, GaAs) et les semi-conducteurs à grand gap (SiC, GaN). Tableau I.1 : gap et champs de claquage des principaux semi-conducteurs. La largeur de la bande interdite décroît avec la température, ces variations de la largeur du gap peuvent être décrites approximativement par la fonction suivante pour des températures supérieures à 300 K [8] : Eg( T) Eg(0) A T T B 2 Les valeurs des paramètres A, B et Eg(0) pour quelques semi-conducteurs sont données dans le tableau I.2 : Tableau I.2 : paramètres de variation de la largeur du gap avec la température. 16 Gap (ev) L'évolution du gap pour le silicium, le GaN et le GaAs pour des températures entre 300 et 1000 K selon la formule ci-dessus est donnée par la figure I.3 : 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Si GaAs GaN Figure I.3 : évolution du gap avec la température. Bien qu évoluant, la valeur du gap ne change pas beaucoup avec la température pour le GaN et le silicium, on observe une variation d environ 10% de la largeur de bande interdite pour une élévation de la température de 700 degrés. La variation est toutefois plus importante pour l arséniure du gallium, ce qui limite sont utilisation à haute température. C - Densité de courant Température (K) La densité de courant dans un semi-conducteur dépend de la charge des porteurs (charge de l électron), de la densité de porteurs (ƞ en cm -3 ) ainsi que de leur vitesse de dérive (ν en cm/s). Elle est donnée par la relation suivante : J q.. La densité de porteurs intrinsèque dans un semi-conducteur dépend du gap du matériau et de la température selon la relation suivante, A étant une constante dépendant du matériau et k la constante de Boltzmann ( J/ K) : Eg (0) k. T i AT. 3. Comme montré précédemment, la bande interdite Eg(T) ne varie que très lentement en fonction de la température, la densité de porteurs intrinsèques est donc principalement une fonction exponentielle de la température. La densité en porteurs intrinsèques est donc un paramètre important à prendre en compte pour des applications à haute température. Ainsi, les matériaux à grand gap (Eg(0) supérieur à 2 ev) ayant une faible valeur de densité de porteurs intrinsèques ont un faible courant de fuite pour des valeurs de température e 17 importante. En résumé, nous pouvons dire qu un matériau possédant une densité de porteurs intrinsèque faible peut être un excellent choix pour les applications à hautes températures. L autre paramètre dont dépend la densité de courant est la vitesse de dérive des porteurs, elle est proportionnelle à leur mobilité µ (en cm²/v.s) et au champ électrique E (V/cm) : (E).E L évolution de la vitesse de dérive des porteurs en fonction du champ électrique pour différents semi-conducteurs est représentée sur la figure I.4 : Figure I.4 : évolution de la vitesse de dérive des porteurs avec le champ électrique. Seuls les éléments de la colonne III-V présentent un pic de survitesse, alors que pour les autres éléments la vitesse de dérive des porteurs est croissante jusqu à la saturation (la vitesse des porteurs devient constante, c est la vitesse de saturation ν sat ). Pour le nitrure de gallium, le pic de survitesse se produit pour un champ électrique d environ 200 kv/cm, alors que pour l arséniure de gallium le champ électrique pour le pic de survitesse est d environ 5 kv/cm. Cela signifie que la vitesse des porteurs dans le GaN est très supérieure à celle du GaAs pour des forts champs électriques. Comme nous l avons vu précédemment, la vitesse de dérive est directement proportionnelle à la mobilité des porteurs, elle est donc elle aussi influencée par la température [9]. Comme le montre la figure I.5, pour une température de 500 K par exemple, la vitesse de dérive des porteurs est 3.8 fois plus grande dans le GaN que dans le GaAs pour un même champ électrique appliqué de 0.2 MV/cm. 18 Figure I.5 : vitesse de dérive des porteurs en fonction du champ électrique pour différentes températures. La vitesse de saturation des porteurs est 2 à 3 fois plus grande pour les matériaux à grand gap que pour le silicium ou l arséniure de gallium, on voit donc tout l intérêt d utiliser un semi-conducteur grand gap ayant une grande vitesse de dérive des porteurs pour générer un fort courant. Il est important de noter aussi que la vitesse de saturation des matériaux à grand gap est obtenue pour des champs électriques beaucoup plus grands que pour les matériaux Si ou GaAs, ce qui permet d obtenir un maximum de courant en polarisation le composant à de fort niveaux de tension, et donc de maximiser la puissance. Le tableau I.3 donne vitesse de saturation, mobilité et densité des porteurs pour différents semiconducteurs. Tableau I.3 : vitesse de saturation, mobilité et densité des porteurs pour différents semiconducteurs. La mobilité des porteurs, qui influence la vitesse de dérivation des porteurs et donc la densité de courant dans un semi-conducteur, peut être améliorée par l utilisation de la structure HEMT. En effet, cette structure confine les porteurs dans un puits de potentiel, et de cette manière accroit leur mobilité. Dans le
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks