Conception et caractérisation d’un amplificateur de puissance implémentée sur une technologie GaN

Le développement de la technologie GaN, ces dernières années, ouvre la voie au développement de circuits aux performances améliorées. L’utilisation de cette technologie en environnement sévère semble prometteuse et présente un intérêt pour une utilisation en milieu radiatif et avec des excursions de températures étendues. Outre les performances offertes par la technologie, une connaissance du comportement en fonction de ses conditions d’utilisation et de l’environnement est nécessaire pour accompagner l’utilisation de cette technologie.

Cette thèse s’appuiera sur les outils commerciaux de conception micro-électronique (Cadence VIRTUOSO) et sur les outils de simulation traditionnels (Keysight ADS). Le travail de thèse commencera par une étude bibliographique sur les amplificateurs de puissance en général et l’application à la technologie GaN en particulier. Ces fonctions feront, dans un premier temps, l’objet de simulations pour évaluer le circuit, en tenant compte de l’impact de l’encapsulation et de la thermique. Plusieurs amplificateurs et motifs de test seront ensuite conçus pour valider les principes de fonctionnement obtenus en simulation et réaliser des démonstrateurs mesurés en étuve et en milieu radiatif. Ces résultats seront utilisés pour aboutir à un démonstrateur associé à un modèle comportemental.

Modélisation des effets des radiations dans les composants électroniques GaN

Les radiations provenant de l’espace ou d’environnements liés à l’activité anthropique comme le nucléaire civil, produisent des défaillances et accélèrent le vieillissement des composants électroniques. L’ionisation et les charges produites au cours d’une irradiation perturbent le fonctionnement des électroniques des systèmes de manière transitoire ou cumulée. Cela produit des effets transitoires entraînant la dérive ponctuelle ou permanente des caractéristiques des composants électroniques. Il est capital d’évaluer précisément les densités de porteurs de charges générés par les radiations dans les parties sensibles des composants, comme les jonctions où règnent des champs électriques qui transforment les charges induites en signal transitoire (« Single Event ») et les isolants dans lesquels peuvent se piéger des quantités de charges croissantes, qui vont sur la durée entraîner des dysfonctionnements (dose cumulée). La modélisation fine du transport des particules (électrons, protons et ions) dans les matériaux de la microélectronique est essentielle pour estimer au mieux le dépôt dans les volumes sensibles des structures élémentaires de l’électronique. Dans ce contexte, le CEA en partenariat avec l’ONERA a développé, au cours de plusieurs thèses, le module MicroElec implémenté dans le framework Geant4 (collaboration internationale cf. https://geant4.web.cern.ch/) dédiée au transport des particules dans la matière. Ce module permet d’estimer de manière fine la distribution spatiale des charges consécutives au passage d’un ion dans le matériau actif des transistors de la microélectronique. Actuellement, le module MicroElec traite 11 matériaux adaptés à la microélectronique moderne Silicium.
Depuis quelques années, la Recherche et le Développement dans le domaine des composants GaN ont fortement progressé en performance, fiabilité et coût. Désormais, la technologie GaN présente un intérêt industriel même pour les applications ayant pour vocation à être utilisées sous radiations et nécessitant un fort niveau de fiabilité. Cependant, certains matériaux utilisés dans l’électronique de technologie GaN ne sont pas encore pris en compte dans MicroElec. Ainsi, le(a) doctorant(e) contribuera à l’extension de la liste de matériaux de MicroElec qui sera proposée à la communauté de recherche scientifique de la collaboration internationale Geant4 à laquelle les encadrants de cette thèse participent. Les modèles développés seront confrontés à des résultats de tests de composants GaN effectués au laboratoire auxquels le(a) candidat(e) pourra assister ou participer. Les outils TCAD (Technology Computer-Aided Design) du laboratoire pourront être utilisés pour restituer les effets électroniques des perturbations évaluées par MicroElec dans les composants électroniques.

Modélisation de composants et fonctions électroniques en environnement radiatif

Parmi ses activités, le CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives) est responsable de la conception et la qualification d'équipements électroniques résistants aux effets de différents environnements radiatifs. Actuellement, les principaux moyens utilisés pour apporter la garantie de durcissement d’une électronique sont expérimentaux. Le CEA développe également ses compétences dans le domaine de la simulation de systèmes électroniques. Le travail de thèse proposé s’inscrit dans cette démarche de simulation afin de consolider et d'enrichir les méthodes de modélisation électrique des composants et des fonctions sous radiations. L'encadrement sera assuré dans un contexte de collaboration entre le CEA Île-de-France et le laboratoire d'Intégration du Matériau au Système à Bordeaux.

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