Thèse Diodes Pin en Nitrure de Gallium pour Circuits Rf de Commutation et de Protection Ultra-Rapides et Forte Puissance H/F - 59

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Direction de la thèse : Farid MEDJDOUB ORCID 0000000247534718
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59Les systèmes radar et de communication de nouvelle génération nécessitent des architectures RF capables de fonctionner à très haute fréquence tout en supportant des puissances élevées et des vitesses de commutation extrêmement rapides. Dans les front-ends actuels, ces fonctions sont généralement assurées par des circulateurs ferrites encombrants et des limiteurs à diodes PIN en GaAs, ce qui limite fortement l'intégration, la compacité et les performances globales du système.
Le projet ANR ISLAND vise à développer une nouvelle génération de circuits RF intégrés combinant les fonctions de commutation et de limitation de puissance au sein d'un même composant basé sur des diodes PIN en nitrure de gallium (GaN). Grâce aux propriétés exceptionnelles du GaN, large bande interdite, fort champ de claquage et robustesse thermique, ces dispositifs peuvent potentiellement fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 40 GHz tout en supportant des puissances RF supérieures à 100 W et des temps de commutation inférieurs à 50 ns.
Dans ce contexte, la thèse se déroulera à l'IEMN (CNRS UMR 8520) et portera sur l'étude, la modélisation et la caractérisation RF de diodes PIN en GaN destinées à des applications de commutation et de protection dans les circuits micro-ondes. Les travaux viseront à comprendre les mécanismes limitant les performances haute fréquence et forte puissance de ces dispositifs et à proposer des solutions pour améliorer leurs performances.
Le doctorant contribuera en particulier à :
-la caractérisation électrique et RF des diodes PIN en GaN (mesures DC, S-paramètres jusqu'à plusieurs dizaines de GHz, mesures sous forte puissance RF) ;
-l'étude des mécanismes dynamiques des diodes (temps de commutation, temps de recouvrement) ;
-le développement de modèles compacts et physiques des diodes permettant leur intégration dans des outils de simulation de circuits micro-ondes ;
-des simulations TCAD et électro-thermiques afin d'analyser l'impact de l'architecture du dispositif et du substrat (saphir vs SiC) sur les performances RF et la dissipation thermique ;
-l'intégration et la validation des diodes dans des circuits RF démonstrateurs (commutateurs et limiteurs).
Ces travaux seront menés dans un environnement collaboratif associant plusieurs partenaires académiques et industriels couvrant l'ensemble de la chaîne technologique : croissance épitaxiale (CRHEA), fabrication de dispositifs (GREMAN), caractérisation RF et modélisation (IEMN) et conception de circuits (III-V Lab).
Cette thèse contribuera au développement de nouveaux composants RF haute puissance et ultra-rapides, ouvrant la voie à des front-ends radar plus compacts, plus robustes et plus performants.

Les systèmes radar et de communication de nouvelle génération nécessitent des architectures RF capables de fonctionner à haute fréquence tout en supportant des puissances élevées et des vitesses de commutation très rapides.

Actuellement, ces fonctions sont généralement assurées par des circulateurs ferrites volumineux et des limiteurs à diodes PIN en GaAs, ce qui limite fortement l'intégration et la compacité des systèmes. Les commutateurs RF à base de transistors (GaAs ou CMOS) peuvent atteindre des vitesses de commutation rapides mais sont limités en puissance et en linéarité.

Le nitrure de gallium (GaN) constitue aujourd'hui un matériau de choix pour les applications RF haute puissance grâce à son large gap énergétique, son champ de claquage élevé et sa robustesse thermique. Les diodes PIN en GaN présentent en outre une excellente linéarité et un fort potentiel pour les applications de commutation RF et de protection.

Cependant, la plupart des travaux existants sur les diodes PIN GaN concernent des dispositifs destinés à des applications de puissance à basse fréquence. Les performances à haute fréquence (au-delà de 20-40 GHz) et sous forte puissance restent encore peu explorées, notamment en ce qui concerne les mécanismes dynamiques, les effets thermiques et l'intégration dans des circuits RF.

Cette thèse vise à contribuer à combler ce manque en étudiant les limitations physiques et technologiques des diodes PIN GaN pour les applications micro-ondes haute puissance.

L'objectif de cette thèse est d'étudier, caractériser et modéliser des diodes PIN en nitrure de gallium (GaN) destinées à des applications de commutation RF rapide et de protection de front-ends micro-ondes.

Plus précisément, les travaux viseront à :

comprendre les mécanismes limitant les performances RF des diodes PIN GaN (résistance série, capacité de jonction, effets thermiques) ;

analyser le comportement dynamique des dispositifs (temps de commutation et temps de recouvrement) ;

développer des modèles compacts et physiques permettant l'intégration de ces diodes dans des outils de simulation de circuits micro-ondes ;

étudier l'impact de l'architecture du dispositif et du substrat (saphir vs SiC) sur les performances RF et la dissipation thermique ;

contribuer à l'intégration des dispositifs dans des circuits RF démonstrateurs de type commutateur ou limiteur.

Ces travaux s'inscrivent dans le projet ANR ISLAND, dont l'objectif est de développer une nouvelle génération de front-ends RF intégrés combinant fonctions de commutation et de protection.

Les travaux s'appuieront sur une approche combinant expérimentation, modélisation et simulation :

caractérisation électrique et RF des diodes (mesures DC, C-V, S-paramètres jusqu'à plusieurs dizaines de GHz) ;

mesures RF sous forte puissance afin d'étudier les mécanismes de commutation et de recouvrement ;

caractérisation thermique et dynamique des dispositifs ;

simulation TCAD pour analyser l'influence des paramètres technologiques (doping, géométrie, architecture du dispositif) ;

développement de modèles équivalents compacts permettant l'intégration des diodes dans des simulateurs de circuits micro-ondes ;

validation expérimentale par intégration dans des circuits RF démonstrateurs (switches et limiters).

Les travaux seront réalisés en étroite collaboration avec les partenaires du projet (CRHEA, GREMAN, III-V Lab).