Le développement de nombreuses applications nomades, souples, déformables et sur de larges surfaces nécessite la réalisation de circuits mécaniquement flexibles, intégrant des capacités d'intéraction avec l'environnement, de communication et de traitement du signal. Une part importante de ces applications proviennent actuellement de l'industrie de l'électronique organique, mais l'apparition de nouvelles méthodes de fabrication a permis la réalisation de dispositifs à la fois souples mécaniquement et électriquement performants. En outre, les techniques de report sur substrat souple présentent de nombreux avantages (flexibilité mécanique, conservation des propriétés originelles, intégration hétérogène possible). Lors de ces travaux, une procédure d'amincissement puis de transfert sur film souple (métal, verre) des composants CMOS initialement réalisés sur des tranches SOI (silicium sur isolant) a été développée. Cette solution permet la réalisation de transistors MOS flexibles et performants possédant des fréquences caractéristiques fT/fmax de 165/188 GHz. De plus, l'utilisation d'autres matériaux que le plastique permet de modifier les propriétés originelles d'un dispositif en termes de dissipations thermiques ou de distorsions harmoniques par exemple, afin d'en améliorer les performances. La réalisation de composants souples, performants et stables a donc été démontrée. / The ability to realize flexible circuits integrating sensing, signal processing, and communicating capabilities is of central importance for the development of numerous nomadic applications requiring foldable, stretchable and large area electronics. A large number of these applications currently rely on organic electronics, but new fabrication methods permitted to realize flexible mechanically and electrically efficient devices. Besides the transfert on flexible substrates offers many advantages (mechanical flexibility, preservation of original properties, possible heterogeneous integration). In this work, a solution has been developed, based on thinning and transfert onto flexible substrate (metal, glass) of high frequency (HF) CMOS devices initially patterned on conventional silicon-on-insulator (SOI) wafers. This transfer process first enables the fabrication of high performance electronics on metal, with n-MOSFETs featuring characteristic frequencies fT/fmax as high as 165/188 GHz. Secondly, the use of materials other than plastic permit to modify the original properties of a device in terms of thermal dissipation or harmonic distorsions for example, demonstrating flexibility, high performance and stability.

Les transistors à haute mobilité électronique à base de Nitrure de Gallium sur substrat de silicium (GaN-sur-Si) sont des candidats prometteurs pour les futures générations de convertisseur de puissance. Aujourd’hui, plusieurs verrous techniques ralentissent la commercialisation de cette technologie au niveau industriel, en particulier pour les applications requérant de haute tension (≥ 600 V). Dans ce contexte, ces travaux constituent une contribution au développement de composants innovants à base de GaN-sur-Si fonctionnant au-delà de 1kV. Nous nous sommes principalement focalisés sur l’amélioration de la tenue en tension de ce type de transistors au travers du développement d’un procédé de gravure localisée du substrat en face arrière permettant de supprimer le phénomène de conduction parasite localisé entre les couches tampons et le substrat. Ce procédé ainsi que l’utilisation de structures d’épitaxie innovantes nous ont permis d’observer une amélioration drastique des performances électriques des transistors à haute tension. Nous avons pu notamment démontrer pour la première fois la possibilité de délivrer des tenues en tension de plus de 3 kV sur cette filière émergente. Ces résultats obtenus, supérieurs à l’état de l’art, laissent envisager l’utilisation des technologies GaN-sur-Si pour les moyennes et hautes gammes de tension (>1000V). / GaN-based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) on Silicon substrate (GaN-on-Si) are promising candidates for future generations of power converters. Today, technical limitations need to be overcome in order to allow the industrial commercialization of this technology, particularly for high-voltage applications (≥ 600 V). In this frame, this work constitutes a contribution to the development of innovative GaN-on-Si devices operating above 1kV. We mainly focused on the improvement of the blocking voltage of the transistors with the realization of a local substrate removal process with the aim of suppressing the parasitic conduction phenomena between the buffer layer and the substrate. Owing to an improved technological process and innovative epitaxial structures, we observed a drastic improvement of the electrical performances of the transistor under high voltages. In particular, we have been able to demonstrate for the first time a blocking voltage above 3kV for this emerging technology. These results, well beyond the state of the art, pave the way for higher voltage operation GaN-on-Si power devices.

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L’avènement des technologies itinérantes s’est accompagné de l’accroissement des besoins en autonomie des appareils électroniques mobiles. De plus la forte densité d’intégration des dispositifs conduit aux limites de dissipation thermique des systèmes de refroidissement classiques. Ainsi dans cette thèse le régime de fonctionnement bas Vds a été investigué dans les HEMTs à base de matériaux faibles gaps afin de réduire les puissances consommées. Cette étude est réalisée à 300K et 77K. Concernant les HEMTs à base d’antimoine des performances records ont été publiées à 300K (fT = 144GHz à 100mV pour Lg=120nm). En termes de performances en bruit à la fois pour les HEMTs industriels étudiés et les HEMTs à base d’antimoine à 30GHz et Vds=100mV un NFmin autour de 1.6dB et un Gass de l’ordre de 6dB sont atteints pour des puissances dissipées inférieures à 10mW/mm. Enfin des dimensionnements d’amplificateurs faibles bruit ont été réalisé afin d’évaluer la potentielle réalisation d’une électronique basse consommation à température ambiante et cryogénique. Ces dimensionnements ont permis d’obtenir à 100mV de tension drain un NF autour de 1,7dB pour un gain associé avoisinant 6dB avec une puissance dissipée inférieure à 6mW/mm à température ambiante et à basse température (77K) la valeur de NF est autour de 0,6dB pour un gain associé supérieur à 7dB. / Advent of itinerant technologies was done with the autonomy needs increase in the mobile electronics devices. In addition the high devices integration density leads to the thermal dissipation limits of the classic cooling systems. Thus in this thesis the low Vds operation mode is investigated in narrow band gap materials based HEMTs in order to reduce the power consumption. This study is done at room temperature (300K) and at cryogenic temperature (77K). Concerning antimonide based HEMTs, record performances was published at 300K (fT = 144GHz à 100mV for Lg=120nm). In terms of noise performances both of industrial studied HEMTs and antimonide based HEMTs present at 30GHz and Vds=100mV NFmin value around 1.6dB and Gass around 6dB for power dissipation lower than 10mW/mm. Finally low noise amplifier (LNA) design is done in order to evaluate the potential use of those devices in low power consumption electronics at room and cryogenic temperature. Those designs allowed to obtain at Vds=100mV NF value around 1.7dB and Gass around 6dB with power dissipation lower than 6mW/mm at room temperature and at cryogenic temperature NF value around 0,6dB for Gass value higher than 7dB.

L’émergence des technologies de communication satellite et radar toujours en pleine essor nécessite des composants de puissance hyperfréquence de plus en plus compacts permettant d’intégrer sur une seule puce des fonctions analogiques/numériques, tout en réduisant le coût de fabrication. Dans ce contexte, le transistor bipolaire à hétérojonction HBT constitue un composant de choix afin d'améliorer les performances des transistors de puissance sur silicium pour les applications hyperfréquences en association avec la technologie CMOS. Ainsi, cette étude est dédiée à la caractérisation et la modélisation non linéaire de ces dispositifs actifs. Dans ce but, un banc de mesures non linéaires et un modèle prédictif grand signal ont été développés jusqu’à 50 GHz. Dans un premier temps, le banc de mesures non linéaires a été mis en œuvre autour du NVNA en configuration load-pull mesurant dans le domaine fréquentiel vis à vis du LSNA mesurant dans le domaine temporel. Cette configuration instrumentale associée à la dynamique du NVNA met en avant ses avantages et inconvénients. Par la suite, une procédure d’extraction pour l’élaboration d’un modèle électrique grand signal a été validée en régimes statique et dynamique. L’originalité de ce modèle prédictif est la procédure d’extraction ainsi que la mise en œuvre rapide s’appuyant sur les formules analytiques physiques des semiconducteurs. Les étapes d’extraction se sont avérées très efficaces lors des confrontations avec les données expérimentales du dispositif sous test dans les mêmes conditions de polarisation et d’impédances de charge. Nous avons alors mis en évidence l’impact des courants thermiques sur les performances en puissance hyperfréquence des transistors bipolaires dans les domaines temporel et fréquentiel. / The emergence of satellite communications and radar technologies always require more compact microwave power devices for integration of analog/digital operations on a single chip, reducing the manufacturing cost. As an exemple, since many years heterojunction bipolar transistor (HBT) permits to improve the silicon power transistor performances for microwave applications associated with CMOS technology. In this context, this work focuses on the characterization and modeling of these active devices. For this goal, a non linear bench and a large signal model are developed up to 50 GHz. On the first step, the non-linear measurement is carried out using the NVNA for load-pull measurements on the frequency domain and results are compared with those obtained from the LSNA on the time domain. This instrumental configuration associated with the dynamic operating capabilities of NVNA highlights its advantages and disadvantages. Subsequently, a SiGe HBT device extraction parameters procedure has been validated to establish a large signal model. The originality of this last one is its predictive extraction procedure and fast implementation based on the semiconductors analytical equations. Extraction steps are proven very effective in confrontations with the experimental data of the device under test with the same biases and for different load impedances. At last, thermal currents impacts on microwave power performance are discussed in time and frequency domains.

Les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs) constituent une filière prometteuse pour l’amplification de puissance dans la gamme des fréquences micro-ondes et des applications dans le domaine millimétrique. Les propriétés physiques exceptionnelles du GaN, sont à l’origine de performances attrayantes obtenues avec les dispositifs à base de GaN, comparées aux autres technologies III-V, en termes de densité de puissance jusqu’à 94GHz pour des applications en télécommunications ou militaires.Cette thèse traite de la fabrication et de la caractérisation des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat de silicium (111) avec une fine épaisseur de barrière d’AlGaN et des longueurs de grilles très courtes. Des transistors à grilles décentrées ont été ainsi fabriqués et optimisés en réduisant l’espacement grille-source. Par conséquent, une amélioration significative de la transconductance et des fréquences de coupure FT et FMAX a été obtenue. De plus, un maximum de transconductance de 435 mS/mm avec une bonne qualité de pincement pour une longueur de grille de 110 nm a été démontré. D’autre part, des transistors HEMTs à grille double chapeaux ont été fabriqués. De bons résultats en termes de fréquence de coupure FMAX=206GHz et FT=100GHz ont été obtenus sur des HEMTs ayant une longueur de grille de 90nm et une distance source-grille de 0.25µm. Le maximum de transconductance associé est de 440mS/mm. Ces résultats attrayants obtenus montrent clairement que la technologie des transistors HEMTs GaN sur substrat silicium est une voie viable et prometteuse pour la réalisation de dispositifs à bas coût dans le domaine millimétrique. / GaN-based High-Electron Mobility Transistors (HEMTs) have emerged as one of the best candidates for solid-state power amplification in the microwave and millimeter-wave ranges. Compared with other III-V semiconductors, the outstanding physical properties of Gallium Nitride, make GaN-based devices suitable in terms of microwave power density up to 94GHz for telecommunication or military applications. This work reports on the fabrication and the characterization of AlGaN/GaN HEMTs on silicon (111) substrate with a thin barrier layer and a short gate length. Devices with non-centered gate were fabricated and optimized by reducing gate-source spacing. Consequently, significant improvement of the transconductance and cut-off frequencies FT and FMAX were achieved. Furthermore, a maximum extrinsic transconductance of 435mS/mm was obtained associated with a good channel pinch-off for 110 nm gate length HEMT devices. Moreover, devices with a record maximum oscillation cutoff frequency were fabricated. These transistors are based on a double-T-shaped gate associated with an optimized technology to enable high efficiency 2DEG control while mitigating the parasitic resistances. Good results of FMAX = 206GHz and FT =100GHz are obtained for 90nm gate-length HEMTs with 0.25µm source-to-gate spacing. The associated maximum transconductance value is as high as 440mS/mm. These high performances obtained on AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate are clearly showing that high-resistive silicon substrate associated with a thin AlGaN barrier layer provide an attractive alternative for the fabrication of low-cost millimeter-wave devices.

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de nitrure de gallium constituent une filière prometteuse pour l’amplification de puissance hyperfréquence pour les applications en bande millimétrique. Les propriétés remarquables du GaN, tels que le champ de claquage , la vitesse de saturation et la densité des électrons élevés sont à l’origine des performances exceptionnelles obtenues avec les dispositifs à base de GaN. Les travaux de thèse ont été réalisés au sein du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l’IEMN. Ce travail relate la fabrication et la caractérisation de dispositifs de type HEMT de la filière GaN pour des applications de puissance hyperfréquence. La première partie de ce travail expose les phénomènes physiques mis en jeu dans les hétérostructures à base de GaN. La suite porte sur l’optimisation des procédés technologiques ayant comme point de mire la montée en fréquence ainsi qu’en puissance hyperfréquence. Un travail a été mené en vue de la réduction de la longueur du pied de grille permettant d’atteindre des longueurs minimales de l’ordre de 60nm. De plus, des analyses sont effectuées afin d’étudier les principales limitations inhérentes aux composants HEMTs. Le dernier chapitre présente l’ensemble des caractérisations en régimes statique et hyperfréquence sur des structures HEMTs fabriquées dans le cadre de ce travail. Il en ressort notamment un résultat en terme de densité de puissance à 40GHz, à ce jour à l’état de l’art, relatif à un HEMT de topologie 2x50x0.075µm2. Celui-ci ayant permis d’obtenir une densité de puissance de 2.7W/mm associée à un gain linéaire de 6.5dB et un rendement en puissance ajoutée de 12.5%. / Gallium Nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have emerged as the best candidate for high temperature, high voltage and high power operation in millimeter-wave range. The unique combination of high breakdown field, high electron velocity, and large sheet electron densities of III-N material permits outstanding performance. The work was performed within IEMN laboratory in Microwave Power Devices group. It relates the fabrication and the characterization of GaN HEMT devices for microwave power applications. The first part exposes the physical and electrical properties of gallium nitride as well as a review concerning the state of the art in terms of output power density related to GaN HEMTs. The second chapter deals with the technological processes with a particular attention on the process optimization regarding the ohmic contact and the T-gate technology. Despite outstanding properties, the HEMT performance remains inherently limited by physical and electrical parasitic phenomena. Thus, the third chapter presents the whole studies performed in other to understand these limitation effects (losses, traps, thermal effect). In the last chapter DC, RF, pulsed and large signal measurements are reported for HEMTs based on different heterostructures. In particular, the capability of AlGaN/GaN transistors on Si(111) substrate grown by MBE is demonstrated for high frequency microwave power applications at 40GHz with a continuous wave output power density of 2.7W/mm associated with a power added efficiency of 12.5% and a linear gain of 6.5dB corresponding to the highest saturated power density ever reported on Si(111) substrate to date.

Les MOSFETs ultra-thin body UTB ont été fabriqués avec une technologie auto-alignée. Le canal conducteur est constitué d’InGaAs à 75% de taux d’indium ou d’un composite InAs/In0,53Ga0,47As. Une fine couche d'InP (3 nm) a été insérée entre le canal et l'oxyde, afin d’éloigner les défauts de l’interface oxyde-semiconducteur du canal. Enfin, une épaisseur de 4 nm d'oxyde de grille (Al2O3) a été déposée par la technique de dépôt des couches atomiques. Les contacts ohmiques impactent les performances des MOSFETs. La technologie UTB permet difficilement d’obtenir des contacts S/D de faibles résistances. De plus, l’utilisation de la technique d’implantation ionique pour les architectures UTB est incompatible avec le faible budget thermique des matériaux III-V et ne permet pas d’obtenir des contacts ohmiques de bonne qualité. Par conséquent, nous avons développé une technologie auto-alignée, basée sur la diffusion du Nickel « silicide-like » par capillarité à basse température de recuit (250°C) pour la définition des contacts de S/D. Finalement, nous avons étudié et analysé la résistance de l'alliage entre le Nickel et les III-V. A partir de cette technologie, des MOSFET In0,75Ga0,25As et InAs/In0,53Ga0,47As ont été fabriqués. On constate peu de différences sur les performances électriques de ces deux composants. Pour le MOSFET InAs/InGaAs ayant une longueur de grille LG =150 nm, un courant maximal de drain ID=730 mA/mm, et une transconductance extrinsèque maximale GM, MAX = 500 mS/mm ont été obtenu. Le dispositif fabriqué présente une fréquence de coupure fT égale à 100 GHz, et une fréquence d'oscillation maximale fmax de 60 GHz, pour la tension drain-source de 0,7 V. / The UTB MOSFETs were fabricated by self-aligned method. Two thin body conduction channels were explored, In0,75Ga0,25As and a composite InAs/ In0,53Ga0,47As. A thin upper barrier layer consisting of InP (3nm) is inserted between the channel and the oxide layers to realized a buried channel. Finally, the Al2O3 (4 nm) was deposited by the atomic layer deposition (ALD) technique. It is well known that the source and drain (S/D) contact resistances of InAs MOSFETs influence the devices performances. Therefore, in our ultra-thin body (UTB) InAs MOSFETs design, we have engineered the contacts to achieve good ohmic contact resistances. Indeed, for this UTB architecture the use of ion implantation technique is incompatible with a low thermal budget and cannot allow to obtain low resistive contacts. To overcome this limitation, an adapted technological approach to define ohmic contacts is presented. To that end, we chose low thermal budget (250°C) silicide-like technology based on Nickel metal. Finally, we have studied and analyzed the resistance of the alloy between Nickel and III-V (Rsheet). MOSFET with two different epilayer structures (In0,75Ga0,25As and a composite InAs/ In0,53Ga0,47As) were fabricated with a gate length (LG) of 150 nm. There were few difference of electrical performance of these two devices. We obtained a maximum drain current (ION) of 730 mA/mm, and the extrinsic transconductance (GM, MAX) showed a peak value of 500 mS/mm. The devices exhibited a current gain cutoff frequency fT of 100 GHz and maximum oscillation frequency fmax of 60 GHz for drain to source voltage (VDS) of 0.7 V.

La réduction de la puissance consommée des transistors à effet de champ (MOSFETs) est un challenge pour le futur de la nanoélectronique. En 2025, l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE) estime qu’il y aura environ 50 milliard d’objets autonomes et nomades nécessitant alors une faible puissance consommée. L’apparition de nouveaux dispositifs tels que les transistors à effet tunnel (TFETs) ou les transistors à ionisation par impact (I MOSFETs) permettra potentiellement de réduire la puissance consommée de ces objets. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié pour la première fois le transistor à ionisation par impact à base de matériaux III V des filières arséniée et antimoniée. La structure pin, composant principal du I MOSFET, est tout d’abord étudiée. L’ensemble des briques technologiques des I MOSFET a ensuite été développé, et en particulier l’interface entre l’oxyde et le semiconducteur III-V qui a été optimisée par un traitement innovant par plasma d’oxygène (O2). Ce traitement a montré une amélioration de la qualité de l’interface oxyde/semiconducteur conduisant à une commande des charges beaucoup plus efficace. Pour finir, nous avons montré les études, fabrications et caractérisations d’un transistor à effet tunnel InGaAs et d’un I MOSFET GaSb présentant une architecture verticale où la grille est auto-alignée. / The reduction in the power consumption of field effect transistors (MOSFETs) is a challenge for the future of nanoelectronics. By 2025, the International Energy Agency (IEA) estimates that there will be around 50 billion autonomous and nomadic objects requiring low power consumption. The appearance of new devices such as tunnel effect transistors (TFETs) or impact ionization transistors (I¬ MOSFETs) will potentially reduce the power consumption of these objects.In this thesis work, we studied for the first time the impact ionization transistor based on materials III-V, especially arsenic and antimony based materials. The pin structure, the main component of the I MOSFET, is first studied. We then developed all the process steps of the I-MOSFET fabrication, and in particular we optimized the interface between the oxide and the III-V semiconductor by an innovative treatment using oxygen plasma (O2). This special treatment has shown a clear improvement in charge control. Finally, we have shown studies, fabrications and characterizations of an InGaAs based TFET and a GaSb based I MOSFET with a vertical architecture, where the gate is self-aligned.

L’évolution des technologies silicium rend aujourd’hui possible le développement de nombreuses applications dans les domaines millimétriques tels que pour les systèmes de communication à très haut débit. Cette évolution se caractérise par une croissance des performances en fréquence des transistors disponibles dans ces technologies et nécessite la mise en place d’outils de mesure performants pour valider la modélisation et l’optimisation technologique de ces dispositifs. La caractérisation load-pull est une méthode incontournable pour modéliser le comportement en fort signal des transistors. En bande G [140-220 GHz], l’environnement de mesure classiquement disponible n’a plus les performances requises pour ce type de caractérisation compte tenu des pertes dans les accès au dispositif sous test. Ce travail de thèse a pour objectif de lever ce verrou en proposant de réaliser, en technologie BiCMOS 55 nm de STMicroelectronics, un banc load-pull entièrement intégré sur silicium afin d’être au plus près du dispositif à caractériser. Le mémoire est articulé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre présente l’état de l’art de l’instrumentation actuellement disponible pour la caractérisation en puissance aux fréquences millimétriques et leurs limitations. Le second chapitre détaille la conception et la caractérisation des blocs constituant le banc intégré : le tuner et la source MMW de puissance. Le troisième chapitre décrit la réalisation et les performances du détecteur de puissance. Enfin, le quatrième chapitre présente le banc complet et son application à la caractérisation en bande G d’un dispositif bipolaire disponible dans la technologie BiCMOS 55 nm. / The evolution of silicon technologies now makes possible the development of many applications in the millimeter areas such as high speed communication systems. The evolution of these silicon technologies is characterized by the increase of the transistor performances with the frequency that requires the development of efficient radiofrequency measurement tools for accurate modeling of active components or the optimization of integrated circuits. In this framework, the load-pull characterization is an essential method to model the behavior of transistors in nonlinear region. In the G Band, the classical measurement environment typically available has not the required performance for this kind of characterization due to the losses in the accesses to the device under test. The aim of this thesis is to lift this lock by offering, in the STMicroelectronics BiCMOS 55 nm technology, a fully integrated load-pull characterization bench on silicon in order to be as close as possible to the device to characterize. The thesis manuscript is divided into four chapters. The first chapter presents the state of the art of the currently available instrumentation for power characterization at millimeter wave frequencies band and their limitations, which leads to the G band characterization bench specifications. The second chapter details the design and characterization of the mains blocks constituting the integrated bench: the tuner and the mmw power source. The third chapter present the design and characterization of the power detector. Finally, the fourth chapter presents the complete bench and its application with the G band load-pull characterization of a transistor bipolar device.