Description

Les 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.

Compétences requises

Le/la candidat(e) devra être titulaire d’un Master 2 (ou équivalent) en électronique, microélectronique, micro-ondes ou physique des semi-conducteurs. Les compétences suivantes seront appréciées : bonnes bases en électronique RF / micro-ondes ou en physique des dispositifs semi-conducteurs ; connaissances en caractérisation électrique de dispositifs électroniques (mesures DC, RF ou micro-ondes) ; intérêt pour la modélisation et la simulation (TCAD, simulation électromagnétique ou circuits RF) ; capacité à analyser des données expérimentales et à développer des modèles physiques ; bonnes compétences en programmation scientifique (Python, MATLAB ou équivalent) ; intérêt pour le travail expérimental en laboratoire et pour l’instrumentation RF. Le/la candidat(e) devra également faire preuve de : curiosité scientifique et autonomie, capacité à travailler en équipe dans un environnement collaboratif multidisciplinaire, bonnes compétences rédactionnelles en anglais scientifique. Une première expérience en dispositifs GaN, électronique RF ou caractérisation micro-ondes constituera un atout mais n’est pas obligatoire.

Bibliographie

Yang J.G. et al., High-Linearity K-Band Absorptive-Type MMIC Switch Using GaN PIN Diodes, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2013.

Pu Y. et al., Review of Recent Progress on Vertical GaN-Based PN Diodes, Nanoscale Research Letters, 2021.

Mishra U. et al., GaN-Based RF Power Devices and Amplifiers, Proceedings of the IEEE, 2008.

Nadaud K. et al., Modeling and Extraction of the Specific Contact Resistance of GaN PIN Diodes up to 40 GHz, IEEE Transactions on Electron Devices, 2025.

Mots clés

GaN, RF diodes