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.

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.

Ce travail de thèse a pour but de contribuer au développement d'outils numériques pour la simulation de dispositifs avancés à base de matériaux alternatifs au Si : l’InGaAs et le SiGe. C'est un travail de collaboration entre l'industrie (STMicroelectronics à Crolles) et des instituts de recherche (le CEA à Grenoble et l'IEMN à Lille). La modélisation de dispositifs MOSFET avancés pour des applications de basse puissance est étudiée, grâce à des outils prédictifs, mais efficaces et peu coûteux numériquement, qui peuvent être compatibles avec un environnement industriel. L’étude porte sur différents aspects, tels que i) les propriétés électroniques des matériaux massifs et des nanostructures, avec des outils allant de la méthode des liaisons fortes et des pseudo-potentiels empiriques, à la masse effective ; ii) les propriétés électrostatiques des capacités III-V ; iii) les propriétés de transport (mobilité effective à faible champ et vitesse de saturation) dans les films minces et les nanofils ; iv) la simulation de dispositifs conventionnels planaires FDSOI 14nm en régime linéaire et saturé. Ce travail fait usage d'une large variété d'approches et de modèles différents. Des outils basés sur une approche physique sont développés, permettant d'améliorer la capacité prédictive des modèles TCAD conventionnels, pour la modélisation des dispositifs nanoscopiques à courte longueur de grille et à base de matériaux SiGe ou InGaAs. / This PhD work aims at contributing to the development of numerical tools for advanced device simulation including alternative materials (InGaAs and SiGe). It is a collaboration work, between the industry (STMicroelectronics--Crolles) and research institutes (CEA--Grenoble and IEMN--Lille). The modeling of advanced low-power MOSFET devices is investigated with predictive, but efficient tools, that can be compatibles with an industrial TCAD framework. The study includes different aspects, such as: i) the electronic properties of bulk materials and nanostructures, with tools ranging from atomistic tight-binding and empirical pseudo-potential to effective mass model; ii) the electrostatic properties of III-V Ultra-Thin Body and bulk MOSCAPs; iii) the transport properties (low-field effective mobility and saturation velocity) of thin films and nanowires; iv) the simulation of template 14nm FDSOI devices in linear and saturation regime. This work makes use of a broad variety of approaches, models and techniques. Physical-based tools are developed, allowing to improve the predictive power of TCAD models for advanced devices with short-channel length and alternative channel materials.

Depuis la découverte des polymères conducteurs, de nombreuses études ont été menées afin d’utiliser ces nouveaux matériaux semiconducteurs en tant que couche active de composants électroniques. Dans cette thèse nous nous intéressons à deux composants clés de l’électronique organique : Les transistors à effet de champs et les mémoires à nano-grille flottante seront réalisés à la fois sur des substrats rigides et flexibles. Pour l’optimisation de nos dispositifs, nous avons choisi de travailler sur les interfaces.Tout d’abord, des monocouches auto-assemblées SAMs ont été utilisés pour optimiser les interfaces électrode/SCO et diélectrique/SCO de l’OFET : des mobilités de 0.68 cm2V-1S-1 et des rapports on/off ˃106 ont été obtenus. Par la suite, nous avons fabriqué des dispositifs de mémoire à simple grille flottante SFG en utilisant les en nanoparticules (NP) d’or et à double grille flottante DFG en utilisant les NP d’or et des feuillets de graphène comme couches de piégeage de charges. En particulier, les DFG avec PFBT présentent en effet d'excellentes performances (une large fenêtre mémoire de 51 V et un temps de rétention stable et de plus de 108s).Ensuite, nous avons fabriqué tous les dispositifs sur des substrats souples en kapton avec des processus de fabrication simples et à basse température. Ces NFGM flexibles ont été caractérisés et leurs performances mesurées (fenêtre mémoire de 23V). Nous avons également mis en évidence un piégeage multi-niveaux dans les NP. De plus, ces composants ont montré une bonne résistance aux tests de flexibilité et de pliage et une stabilité très satisfaisante (supérieure à 500 cycles). / Organic field effect transistor (OFET) and organic based nano-floating gate memory (NFGM) devices are essentially expected to meet emerging technological demands that realizing flexible and wearable electronic devices. The objective of this thesis is to develop and optimize the pentacene OFET and NFGM based on rigid and flexible substrates. First, self-assembled monolayers (SAMs) were used to optimize the OFET, a high mobility of 0.68 cm2V-1S-1 and current on/off ratio ˃106 were obtained. Then, we fabricated single floating gate (SFG) and double floating gate (DFG) memory devices by using gold nanoparticles (Au NPs) and reduced graphene oxide (rGO) sheets as charge trapping layers. In particular, the DFG with PFBT exhibits excellent memory performances, including the large memory window of 51 V, and the stable retention property more than 108 s. Third, we fabricated all organics based OFET and NFGM on kapton flexible substrates with simple fabrication process under low temperature. The large memory window of 23 V was obtained, and the multi-level data storage performance was observed for our flexible NFGM devices. In addition, the bending stability/mechanical stability test present high current on /off ratio ˃105, retention time ˃104, as well as cycling exceed 500 cycles. Based on the experiments results of this work, we highlight the efficient ways to optimize the OFET and fabricate the high performances of flexible NFGM by simple fabrication process.