Dispositifs RF GaN de nouvelle génération à haute linéarité et haut rendement

Les futures charges utiles de télécommunications spatiales, les radars à haute résolution et les instruments actifs d’observation de la Terre exploitent de plus en plus les bandes de fréquences millimétriques (mmW) et sub-THz afin de répondre à la croissance continue des besoins en bande passante, en efficacité spectrale et en débit de données.

Le fonctionnement dans les bandes Ka et Q (30–50 GHz) permet la réalisation d’antennes compactes à fort gain ainsi que d’architectures multi-faisceaux, mais impose en contrepartie des contraintes très fortes sur la linéarité, le rendement énergétique et la robustesse thermique des amplificateurs de puissance.

Parmi les technologies semi-conductrices existantes, les transistors GaN HEMT (High Electron Mobility Transistors) constituent aujourd’hui des briques technologiques clés pour ces applications, grâce à leur forte densité de puissance, leur résistance aux radiations et la stabilité offerte par leur large bande interdite. Néanmoins, l’optimisation du compromis linéarité – rendement aux fréquences millimétriques demeure un verrou scientifique et technologique majeur.

En particulier, les outils de caractérisation non linéaire au niveau composant restent aujourd’hui limités, notamment pour des excitations bi-tons ou modulées au-delà de 30 GHz. Les méthodes classiques de load-pull mono-ton ne permettent pas de prédire correctement les phénomènes d’intermodulation et les mécanismes de distorsion dans ces conditions.

Objectif général de la thèse

Cette thèse sera réalisée à l’Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, Lille). Elle vise à lever ces limitations en développant et en exploitant un banc de mesure actif load-pull bi-ton avancé, dédié à la caractérisation de transistors GaN HEMT autour de 40 GHz, en vue d’applications d’amplificateurs de puissance spatiaux.

Le laboratoire dispose d’un environnement expérimental de premier plan incluant des moyens de mesure RF sur wafer, des salles blanches de fabrication, ainsi que des outils de conception haute fréquence.

Objectifs scientifiques et techniques

Les travaux de recherche combineront ingénierie micro-ondes expérimentale, modélisation non linéaire des composants, et validation au niveau système. Les principaux objectifs sont les suivants :

Développer et optimiser un banc de load-pull actif bi-ton jusqu’à 40 GHz, capable de synthétiser des impédances indépendantes pour chaque ton directement au plan du composant, avec une forte précision en puissance et en phase.

Intégrer :

une excitation bi-source verrouillée en phase,

des filtrages passe-bande spécifiques pour supprimer les intermodulations générées par le banc,

un contrôle actif des charges par ton.

Mettre en œuvre une calibration vectorielle et en puissance rigoureusement référencée au plan du dispositif sous test (DUT), garantissant une traçabilité métrologique.

Caractériser des structures avancées de GaN HEMT (AlN/GaN/AlGaN, canaux gradués ou dopés carbone) réalisées sur substrats SiC ou GaN-on-Si.

Extraire les indicateurs de performance clés : C/IM3, PAE, OIP3, en fonction des conditions de polarisation et de fréquence pertinentes pour les amplificateurs spatiaux.

Identifier les effets mémoire, les asymétries d’intermodulation IM3 et les phénomènes de piégeage thermique, en régime continu et pulsé.

Modéliser et prédire les comportements de linéarité à l’aide de modèles non linéaires à base physique et de simulations comportementales validées expérimentalement.

Corréler les réponses d’intermodulation mesurées avec :

les dérivées de transconductance,

la dynamique des pièges,

les constantes de temps thermiques.

Proposer des recommandations de conception pour des topologies de composants et des réseaux d’adaptation favorables à la linéarité.

Évaluer l’aptitude à l’environnement spatial via l’étude de la dépendance en température, de la robustesse et de la répétabilité des performances sous conditions représentatives (cycles thermiques, régimes pulsés).

Contributions attendues

La thèse permettra notamment de fournir :

Une plateforme de mesure load-pull actif bi-ton jusqu’à 40 GHz, unique en France, exploitable par le CNES et ses partenaires pour le développement de futures charges utiles spatiales.

Une base de données expérimentale complète sur le compromis linéarité – rendement de transistors GaN HEMT de l’état de l’art pour émetteurs satellitaires en bandes Ka et Q.

Une meilleure compréhension physique des mécanismes de génération de l’IM3 et des effets mémoire dans les transistors GaN soumis à des excitations réalistes.

Des modèles comportementaux compacts et empiriques, directement intégrables dans des simulations systèmes RF d’amplificateurs embarqués, permettant la prédiction de la distorsion et l’étude de techniques de linéarisation.

Une diffusion des résultats via des publications internationales de premier plan (IEEE T-MTT, IEEE T-ED, ARFTG, EuMW) et un transfert de connaissances vers les partenaires du CNES.

L'IEMN regroupe dans une structure unique l'essentiel de la recherche régionale dans un vaste domaine scientifique allant des nanosciences à l'instrumentation.
Faire travailler ensemble des chercheurs ayant des cultures, des démarches et des motivations différentes, construire une continuité de connaissances allant des problèmes fondamentaux aux applications fait aujourd'hui notre spécificité. Aujourd'hui, près de 500 personnes, dont une centaine de chercheurs internationaux, travaillent ensemble.
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Notre politique scientifique consiste non seulement à l'approfondissement des connaissances mais également à l'établissement d'un partenariat privilégié avec des industriels leaders sur leurs marchés et au développement d'un partenariat de proximité avec les ETI et PME régionales et les jeunes pousses issues de l'IEMN.

Le candidat devra être de nationalité française, ce poste étant partiellement financé par un contrat DGA.

Le candidat ou la candidate devra être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur en électronique, micro-ondes ou physique appliquée, avec de solides compétences en :

circuits RF et micro-ondes,

dispositifs semi-conducteurs,

instrumentation et métrologie de mesure.

Des compétences en LabVIEW, en modélisation RF (ADS, Keysight PNA-X) et en analyse de données (Python, Matlab) seront appréciées.
Une forte motivation pour la recherche expérimentale, ainsi qu’un intérêt pour les collaborations académie-industrie et les applications spatiales et défense, sont essentiels.

Au-delà de ces compétences scientifiques, le(la) doctorant(e) devra faire preuve d’esprit de synthèse, de  rigueur, d’organisation, d'une forte aptitude au travail d'équipe.