Contribution à l`étude de l`amplification de puissance en technologie

UNIVERSITE DE LIMOGES
ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET INGENIERIE POUR L’INFORMATION
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Laboratoire (Equipe de recherche) : XLIM (C2S2)
Année : 2011 Thèse N°91-2011
Thèse
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE LIMOGES
Spécialité : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
présentée et soutenue par
Flavie ELMAZOVA
le 20 décembre 2011
CONTRIBUTION A L’ETUDE DE L’AMPLIFICATION DE
PUISSANCE EN TECHNOLOGIE GAN PAR LA TECHNIQUE
DE SUIVI D’ENVELOPPE
Thèse dirigée par Jean-Michel NEBUS et Denis BARATAUD
JURY :
M. Raymond QUERE Professeur, Université de Limoges Président
M. Juan-Mari COLLANTES Professeur, Université de Bilbao, Espagne Rapporteur
M. Eric KERHERVE Professeur, Université de Bordeaux Rapporteur
M. Stéphane PIOTROWICZ Ingénieur, Société Thales III-V Lab, Marcoussis Examinateur
M. Jean-Michel NEBUS Professeur, Université de Limoges Examinateur
M. Denis BARATAUD Maître de Conférences HDR, Université de Limoges Examinateur
Mme Diane BOUW Ingénieur, Société UMS, Orsay Invitée
M. Guillaume NEVEUX Maître de Conférences, Université de Limoges Invité

Remerciements
Cette thèse a été préparée entre 2008 et 2011 au laboratoire XLIM, Unité Mixte de
Recherche n°6172 du CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) au sein de
département C2S2 (Composants Circuits Signaux et Systèmes Hautes Fréquences) sur le site
de la Faculté des Sciences et Techniques de Limoges.
Le travail de cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet collaboratif Attitude 4G+ et a
bénéficié d’une aide de l’Agence Nationale de la Recherche portant la référence ANR-08-
vers-001. Je remercie l’ANR et les partenaires du consortium (UMS, Thales III-V Lab,
Alcatel Lucent, RFPA, Systrel et Xlim) qui ont contribué à la réalisation de ces travaux.
Je remercie Monsieur Jean-Michel NEBUS et Monsieur Denis BARATAUD d’avoir
diriger cette thèse au cours de ces trois années ainsi que Monsieur le Professeur Raymond
QUERE d’avoir présider le jury lors de la soutenance de ce mémoire de thèse. Je tiens à
remercier énormément Monsieur Guillaume NEVEUX de m’avoir guider et aider pour mener
à bien le travail demandé tant par sa disponibilité, son professionnalisme et la richesse
scientifique qu’il en possède que par sa gentillesse et ses grandes qualités humaines.
J’exprime mes remerciements à Monsieur Eric KERHERVE, Professeur à l’Université
de Bordeaux I et Monsieur Juan-Mari COLLANTES, Professeur à l’Université de Bilbao en
Espagne, d’avoir juger ce travail de thèse en tant que rapporteurs. Mes remerciements vont
aussi à Monsieur Stéphane Piotrowicz et Madame Diane Bouw, respectivement Ingénieur de
la société Thales III-V Lab et Ingénieur Conception de la société UMS, pour tous leurs
conseils et d’avoir examiner ce travail de thèse. Je souhaite associer à ces remerciements
Madame Audrey MARTIN, Maitre de Conférence à l’Université de Limoges et Monsieur
Thibault REVEYRAND, Ingénieur d’Etude CNRS au laboratoire Xlim, de m’avoir donner
des conseils très utiles en début de thèse.
J’associe à mes remerciements, Madame Marie-Claude LEROUGE, Secrétaire de
l’équipe C2S2 à Limoges pour son efficacité dans toutes les démarches administratifs ainsi
que sa disponibilité et sa grande gentillesse.
Un grand merci à Alaaeddine Ramadan, Mohamad Saad el Dine, Guillaume Callet et à
tous les thésards pour leur contribution à la réussite de ces travaux.

Table des matières
Page 5
Table des matières
Table des figures et des tableaux ...................................................................................... 9
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................. 16
Chapitre 1 : Les potentialités offertes par la technologie de semi-conducteur
GaN pour les applications de puissance hyperfréquences ............................. 19
INTRODUCTION .............................................................................................................. 20
I- Le GaN : technologie à fort potentiel pour les composants de puissance hyperfréquences
....................................................................................................................................... 22
I.1. Généralités sur les semi-conducteurs ......................................................................................... 22
I.1.1. Définition et classification .................................................................................................... 22
I.1.2. Les semi-conducteurs grand-gap.......................................................................................... 22
I.1.3. Le GaN et ses propriétés physiques essentielles pour la réalisation de transistors de
puissance micro-onde ................................................................................................................... 24
I.1.4. Différentes figures de mérite ............................................................................................... 28
I.2. Structure du GaN et ses substrats de croissance adéquats ........................................................ 29
II- Le transistor HEMT GaN : composant de puissance à haute mobilité électronique ....... 30
II.1. Le transistor HEMT GaN et ses effets limitatifs .......................................................................... 30
II.1.1. Présentation du composant ................................................................................................ 30
II.1.2. Caractéristiques fonctionnelles et structurelles du HEMT .................................................. 31
II.1.3. Quelques effets limitatifs .................................................................................................... 36
II.1.4. Amélioration du claquage et augmentation de la densité des porteurs ............................ 38
ologie GaN ........................................................... 40
III- Techniques d’amélioration du rendement .................................................................. 43
 ............................................................................................................. 44
II : "Envelope Tracking" ........................................................ 47
CONCLUSION .................................................................................................................. 51
REFERENCES ................................................................................................................... 52
Chapitre 2 : Modélisation électrique du transistor HEMT AlGaN/GaN de
puissance et sa validation expérimentale ...................................................... 59
INTRODUCTION .............................................................................................................. 60