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Ce document présente les travaux de thèse ayant pour objet la recherche et développement d’une technologie co-intégrée HEMT GaN normale-on/normally-off compatible avec les matériaux et procédés technologiques de la technologie normally-on hyperfréquence. Un exposé théorique et une revue de l’état de l’art permettent d’abord d’entrevoir les différentes solutions technologiques qui s’offrent à nous, tout en affirmant et en précisant les applications visées. Différentes briques technologiques sont ensuite développées pour la fabrication de MOS-HEMTs GaN à recess de grille sur des épi-structures à barrière AlGaN ou (Ga)InAlN dédiées aux applications hyperfréquences. Nous insistons sur la possibilité d’intégrer les 2 fonctionnalités normally-off et normally-on de manière monolithique. Les échantillons ainsi réalisés sont ensuite caractérisés électriquement de manière conventionnelle, mais aussi en utilisant des techniques avancées de spectroscopie de pièges comme les paramètres S à basse fréquence et la mesure du transitoire de RON. Bien que certains phénomènes de piègeage dans l’oxyde de grille soient mis en évidence, les résultats sont très satisfaisants : des composants normally-off sont obtenus pour les 2 structures, et les performances sont au niveau de l’état de l’art mondial, avec plusieurs pistes d’amélioration en perspective. / This document reports on research and development efforts towards a normally-on/normally-off integrated GaN HEMT technology that remains compatible with the material and processing dedicated to normally-on microwave devices. Following several theoretical considerations, the state-of-the-art is presented, which gives a perspective on the available technological solutions and helps define the specifications and the targeted applications. The development and optimization of new process steps enables the fabrication of gate-recessed MOS-HEMTs on epi-structures with AlGaN or (Ga)InAlN barrier, monolithically integrable with normally-on transistors. The samples are electrically characterized by means of standard measurements and more advanced trap spectroscopy techniques such as low-frequency S-parameters or RON transient monitoring. In spite of oxide-related trapping phenomena, the results are very promising: normally-off devices are obtained for both structures, and the performances are in line with literature accounts while identified possible improvements can be explored.

Le travail de thèse effectué porte sur la caractérisation électrique et la modélisation du gaz d’électrons à deux dimensions (2D) dans les dispositifs MOS-HEMT à base de l’hétérojonction AlGaN/AlN/GaN. Ces dispositifs ont un fort potentiel pour les applications d'électronique de puissance. Ce travail de recherche se place en soutien aux efforts de recherche pour l’élaboration des épitaxies GaN sur Si et pour les filières technologiques HEMT sur GaN. Il s'agit de comprendre précisément le fonctionnement du gaz d'électrons 2D et ses propriétés de transport électronique. Une nouvelle méthodologie a été développée pour identifier le dopage résiduel de la couche GaN, lequel est un paramètre important des substrats GaN et était par ailleurs difficile à évaluer. Un deuxième axe de recherche a consisté à proposer des techniques de mesure fiables ainsi qu’une modélisation des propriétés de transport du gaz d'électrons 2D. Dans ce cadre, des mesures split-CV et effet Hall ont été réalisées en fournissant pour chacune d’elles un protocole expérimental adéquat, avec un montage innovant pour les mesures effet Hall. Ce travail expérimental a été enrichi par une modélisation des propriétés du transport du 2DEG basée sur le formalisme de Kubo-Greenwood. Enfin, dans un dernier axe de recherche, un aspect plus général visant la compréhension en profondeur de l’électrostatique de l’empilement de la grille de nos GaN-MOS-HEMT a été proposé. Il est basé sur la caractérisation électrique C-V, la modélisation et l’extraction des paramètres. Le modèle développé a permis de souligner l'impact des charges surfaciques de polarisation et des défauts sur la tension de seuil des MOS-HEMT. Ce modèle a également permis d’estimer une valeur de la déformation dans les couches GaN épitaxiées sur un substrat Silicium. / This thesis aims at studying the electrical characterization and modelling of two-dimensional (2D) electron gas in MOS-HEMT devices based on the hetero-junction AlGaN/AlN/GaN. These devices are very promising candidates for power electronics applications. This research work provides the production team with detailed data on phenomena affecting GaN material. The goal is to understand precisely how 2D electron gas works and evaluate its electronic transport properties. A new methodology has been developed to identify residual doping of the GaN layer. This method was developed in order to answer a real need to know this doping to determine the quality of the epitaxial GaN layer. The second research priority was to provide reliable measurement techniques and modelling of the transport properties of 2D electron gas. Within this framework, the split-CV and Hall effect measurements were carried out by providing for each of them a suitable experimental protocol, with an innovative set-up for Hall effect measurements. In addition, this experimental work was supported by modelling the transport properties of 2DEG based on Kubo-Greenwood's formalism. Finally, a more general aspect aimed at an in-depth understanding of the electrostatic stacking of the GaN-MOS-HEMT gate. It is based on C-V electrical characterization, modelling and parameter extraction. The model developed made it possible to highlight the impact of polarization surface charges and defects on the threshold voltage of MOS-HEMT. This model also contributed to the estimation of the value of deformation in epitaxial GaN layers on a Silicon substrate.

Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts. / AlGaN/GaN HEMTs are on the way to lead the radiofrequency power amplificationfield according to their outstanding performances. However, due to the relative youth of this technology, reliability studies in several types of operating conditions are still necessaryto understand failure mechanisms peculiar to these devices and responsible for their wearingout. This study deals with the failure analysis of power AlGaN/GaN HEMTs in RADARoperating mode (pulsed and saturated). This is based on the design of test amplifiers, theircharacterization and their stress on ageing benches. The setting up of a methodology aimingat discriminating predominant degradation modes, jointly with a micro-structural analysisof aged devices, permits to link the evolution of electrical performances with the physicalroots of these defects.

Il y a actuellement un intérêt croissant pour la construction des dispositifs électroniques à semiconducteur pour les applications domotiques. La technologie des semiconducteurs de puissance a été essentiellement limitée au silicium. Récemment, de nouveaux matériaux ayant des propriétés supérieures sont étudiés en tant que remplaçants potentiels, en particulier : le nitrure de gallium et le carbure de silicium. L'état actuel de développement de la technologie 4H-SiC est beaucoup plus mature que pour le GaN. Cependant, l'utilisation de 4H-SiC n’est pas une solution économiquement rentable pour la réalisation des redresseurs Schottky 600 V. Les progrès récents dans le développement des couches épitaxiées de GaN de type n sur substrat Si offrent de nouvelles perspectives pour le développement des dispositifs de puissance à faible coût. C’est dans ce cadre que ma thèse s’inscrit pour réaliser avec ce type de substrat, un redresseur Schottky de puissance avec un calibre en tension de l’ordre de 600V. Deux architectures de redresseurs sont exposées. La première est une architecture pseudo-verticale proposée dans le cadre du projet G2ReC et la deuxième est une architecture latérale à base d’hétérojonction AlGaN/GaN obtenue à partir d'une structure de transistor HEMT. L’optimisation de ces deux dispositifs en GaN est issue de simulation par la méthode des éléments finis. Dans ce cadre, une adaptation des modèles de simulation à partir des paramètres physiques du GaN extraits depuis la littérature a été effectuée. Ensuite, une étude d’influence des paramètres géométriques et technologiques sur les propriétés statiques en direct et en inverse des redresseurs a été réalisée. Enfin, des structures de tests ont été fabriquées et caractérisées afin d’évaluer et d’optimiser le caractère prédictif des simulations par éléments finis. Ces études nous ont conduit à identifier l'origine des limites des structures de première génération et de définir de nouvelles structures plus performantes. / There is increasing interest in the fabrication of power semiconductor devices in home automation applications. Power semiconductor technology has been essentially confined to Si. Recently, new materials with superior properties are being investigated as potential replacements, in particular silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). The current state of development of SiC technology is much more mature than for GaN. However, the use of 4H-SiC is not a cost effective solution for realizing a medium and high voltage Schottky diode. Recent advances on the development of thick n-type GaN epilayers on Si substrate offer new prospects for the development of a low-cost Schottky rectifiers for at least medium voltage range 600 V. In the context of our thesis, two types of GaN based rectifier architectures have been studied. The first one is a pseudo-vertical architecture proposed during previous G2ReC project. The second one has a lateral structure with AlGaN/GaN heterojunction, derived from a HEMT structure. The optimization of the Schottky rectifiers has been achieved by finite element simulations. As a first step, the models are implemented in the software and adjusted with the parameters described in the literature. The influence of the geometrical and physical parameters on the specific on-resistance and on the breakdown voltage has been analysed. Finally, the test devices have been realized and characterized to optimize and to validate the parameters of these models. These studies lead to identify the limits of the structures and create a new generation of powerful structures.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en Nitrure de Gallium (GaN) s’affirment aujourd’hui comme une technologie essentielle à l’amplification de puissance à haute fréquence. Les HEMTs GaN étudiées et développées reposent essentiellement sur une hétérostructure AlGaN/GaN mais une alternative à base d’une barrière composée en InAlN, réduisant les contraintes sur les mailles cristallographiques de l’ensemble, est étudiée par certains laboratoires. Ce manuscrit de thèse rapporte une étude des potentialités de la filière HEMT InAlN/GaN développée au III-V Lab, en s’intéressant tout particulièrement aux effets de pièges induits par des défauts présents au sein de la structure. Une méthode de détection de ces défauts est proposée, basée sur la mesure de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT InAlN/GaN électrothermique comprenant la contribution des effets de pièges est rapporté et sert de base à la conception d’un amplificateur de puissance en technologie MMIC, fonctionnant en bande Ka, présenté au dernier chapitre. / Nowadays, High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in Gallium Nitride (GaN) take the lead in power amplification at microwave frequencies. Most of the studies and developments on those HEMTs concern AlGaN/GaN structures but alternative transistors with an InAlN barrier, which reduces the strain in the crystal lattice of the whole structure, are investigated by few laboratories. This thesis presents some advanced studies on the new InAlN/GaN HEMT developed by the III-V Lab, focusing on the trapping phenomena induced by defects inside the crystal structure. A new method for the characterization of these defects, based on low-frequency S-Parameters measurements, is proposed. Furthermore, a non-linear electro thermal model including trapping effects for an InAlN/GaN HEMT is detailed and used to design a MMIC power amplifier for Ka-band applications.

In this report the influence of the growth conditions on the surface morphology of AlGaN/GaN heterostructures grown on sapphire-based and bulk GaN substrates is nondestructively investigated with focus on the decoration of defects and the surface roughness. Under Ga-rich conditions specific types of dislocations are unintentionally decorated with shallow hillocks. In contrast, under Ga-lean conditions deep pits are inherently formed at these defect sites. The structural data show that the dislocation density of the substrate sets the limit for the density of dislocation-mediated surface structures after MBE overgrowth and no noticeable amount of surface defects is introduced during the MBE procedure. Moreover, the transfer of crystallographic information, e.g. the miscut of the substrate to the overgrown structure, is confirmed. The combination of our MBE overgrowth with the employed surface morphology analysis by atomic force microscopy (AFM) provides a unique possibility for a nondestructive, retrospective analysis of the original substrate defect density prior to device processing.

New power applications for managing increasingly higher power levels require that more heat be removed from the power transistor channel. Conventional treatments for heat dissipation do not take into account the conversion of excess electron energy into longitudinal optical (LO) phonons, whose associated heat is stored in the channel unless such LO phonons decay into longitudinal acoustic (LA) phonons via a Ridley path. A two dimensional electron gas (2DEG) density of ~5×1012cm-2 in the channel results in a strong plasmon–LO phonon coupling (resonance) and a minimum LO phonon lifetime is experimentally observed, implying fast heat removal from the channel. Therefore, it is desirable to shift the resonance condition to higher 2DEG densities, and thereby higher power levels. The more convenient way to attain the latter is by widening the 2DEG density profile via heterostructure engineering, i.e. by using multiple channel heterostructures. A single channel heterostructure (GaN/AlN/AlGaN), a basic heterostructure used to obtain a 2DEG, exhibits a resonance condition at low 2DEG densities (~0.65×1012 cm-2). Successful widening of the 2DEG density xv profile was predicted by simulation results for two types of multiple (Al)GaN channel heterostructures, i.e. coupled channel GaN/AlN/GaN/AlN/AlGaN and dual channel GaN/AlGaN/AlN/AlGaN. Because of a reduction of carrier confinement, it is experimentally observed that control of the channel is moderate in the case of dual channel heterostructures. On the other hand, carrier confinement provides a better control of the channel in coupled channel heterostructures. Furthermore, unlike in a dual channel heterostructure, alloy scattering does not affect carrier transport properties, which results in a higher cut-off frequency. It was found experimentally that the coupled channel heterostructure successfully reaches resonance condition at a 2DEG density that is 23% higher than in a single channel heterostructure. Multiple channel heterostructures therefore provide a convenient way to shift the plasmon-LO phonon resonance to higher 2DEG densities. However, in our grown heterostructures, high power levels under optimal channel working conditions and minimum heat accumulation, all desirable benefits for the development of high power transistors, were only observed in coupled channel heterostructures.