Understanding the magnitude of the temperature in AlGaN/GaN heterostructure fi eld e ffect transistors(HFETs) is a critical aspect of understanding their reliability and providing proper thermal management. At present, most models used to determine the temperature rise in these devices are based on continuum based heat conduction. However, in such devices, the heat generation region can be on the order of or smaller than the phonon mean free path of the heat carriers, and thus, such models may under predict the temperature. The aim of this work is towards building a multiscale thermal model that will allow for the prediction of heat transport from ballistic-diffusive phonon transport near the heat generation region and diffusive transport outside of this zone. First, a study was performed to determine the appropriate numerical solution to the phonon Boltzmann transport equation followed by its integration into a multiscale thermal scheme. The model, which utilizes a Discrete Ordinates Solver, was developed for both gray and non-gray phonon transport. The scheme was applied to the solution of speci fic test problems and then finally to the electrothermal modeling of AlGaN/GaN HFETs under various electrical bias conditions.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第14627号 / 工博第3095号 / 新制||工||1460(附属図書館) / 26979 / UT51-2009-D339 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 川上 養一, 教授 髙岡 義寛, 准教授 須田 淳 / 学位規則第4条第1項該当

Deep ultraviolet light emitting diodes (UV LEDs) are an important emerging technology for a number of applications such as water/air/surface disinfection, communications, and epoxy curing. However, as of yet, deep UV LEDs grown on sapphire substrates are neither efficient enough nor powerful enough to fully serve these and other potential applications. The majority of UV LEDs reported so far in the literature are grown on sapphire substrates and their design consists of AlGaN quantum wells (QWs) embedded in an AlGaN p-i-n junction with the n-type layer on the sapphire. These devices suffer from a high concentration of threading defects originating from the large lattice mismatch between the sapphire substrate and AlGaN alloys. Other issues include the poor doping efficiency of the n- and particularly the p-AlGaN alloys, the extraction of light through the sapphire substrate, and the heat dissipation through the thermally insulating sapphire substrate. These problems have historically limited the internal quantum efficiency (IQE), injection efficiency (IE), and light extraction efficiency (EE) of devices. As a means of addressing these efficiency and power challenges, I have contributed to the development of a novel inverted vertical deep UV LED design based on AlGaN grown on p-SiC substrates. Starting with a p-SiC substrate that serves as the p-type side of the p-i-n junction largely eliminates the necessity for the notoriously difficult p-type doping of AlGaN alloys, and allows for efficient heat dissipation through the highly thermally conductive SiC substrate. UV light absorption in the SiC substrate can be addressed by first growing p-type doped distributed Bragg reflectors (DBRs) on top of the substrate prior to the deposition of the active region of the device. A number of n-AlGaN films, AlGaN/AlGaN multiple quantum wells, and p-type doped AlGaN DBRs were grown by molecular beam epitaxy (MBE). These were characterized in situ by reflected high energy electron diffraction (RHEED) and ex situ by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, photoluminescence, and reflectivity. Using the primary elements of the proposed design, this research culminated in the MBE growth, fabrication, and characterization of prototype deep UV LED devices emitting below 300 nm.

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Ce travail porte sur la croissance par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) et sur les propriétés structurales et optiques de boîtes quantiques (BQs) AlyGa1-yN insérées dans une matrice AlxGa1-xN (0001). L’objectif principal est d’étudier le potentiel des BQs en tant que nouvelle voie pour la réalisation d’émetteurs ultraviolets (UV) efficaces.Tout d'abord, nous avons étudié la croissance des BQs GaN en utilisant soit une source plasma (N2, appelée PAMBE) soit une source ammoniac (NH3, appelée NH3-MBE) afin de choisir la meilleure approche pour former les BQs les plus efficaces. Il a été montré que le procédé de croissance est mieux contrôlé en utilisant l’approche PAMBE, conduisant à la croissance de BQs GaN avec des densités plus élevées, une meilleure uniformité en taille et des intensités de photoluminescence (PL) jusqu’à trois fois plus élevées. En outre, l'influence de la contrainte épitaxiale sur le processus d'auto-assemblage des BQs a été étudiée en fabriquant des BQs GaN sur différentes couche tremplins d’AlxGa1-xN (avec 0,5 ≤ x ≤ 0,7). Nous avons montré que des BQs avec des densités plus élevées et des hauteurs plus faibles sont formées en augmentant le désaccord de paramètre de maille (c.à.d en utilisant des tremplins avec xAl plus élevé). Cependant, les mesures de photoluminescence (PL) indiquent un fort décalage de l'énergie d'émission vers le rouge lorsque xAl augmente, en raison de l'augmentation de la discontinuité du champ électrique interne de 3 à 5,3 MV/cm.Ensuite, des études approfondies sur les conditions de croissance et les propriétés optiques des BQs Al0,1Ga0,9N / Al0,5Ga0,5N ont été présentées, montrant les différents défis pour fabriquer des BQs efficaces. L’optimisation de la procédure de croissance, notamment l’étape de recuit post-croissance, a montré une modification de la forme des BQs. Plus précisément, un changement d’une forme allongée (pour un recuit à 740 °C), à une forme symétrique (pour un recuit à une température proche de ou supérieure à 800°C) a été observé. En plus, une bande d’émission supplémentaire vers les plus grandes longueurs d’onde a également été observée pour les BQs formées avec un recuit à 740°C. Cette bande a été attribuée à une fluctuation de composition des BQs, induisant la formation d’une famille additionnelle de BQs avec des hauteurs plus grandes et une compostions en Al inférieure à 10 %, estimée proche de l’alliage binaire GaN. Enfin, il a été démontré qu’en faisant un recuit à plus haute température (≥ 800°C), l’émission de PL de cette famille supplémentaire de BQs (BQs riche en Ga ou (Al)GaN) diminue très fortement. De plus, cette étape de recuit impacte fortement la forme des BQs et a conduit à une amélioration de leur efficacité radiative d’un facteur 3. Ensuite, la variation de la composition en Al des BQs AlyGa1-yN (0,1 ≤ y ≤ 0,4), ainsi que la quantité de matière déposée ont permis d’évaluer la gamme de longueurs d’onde d’émission accessibles. En ajustant les conditions de croissance, l’émission des BQs a été déplacée de l’UVA vers l’UVC, atteignant une émission autour de 270 - 275 nm (pour les applications de purification de l’eau et de l’air) avec des rendements radiatifs élevés. Les mesures de photoluminescence résolue en temps (TRPL), combinées avec les mesures de PL en fonction de la température, nous ont permis de déterminer les efficacités quantiques internes (IQE) des BQs GaN / AlxGa1-xN (0001). Des valeurs d’IQE comprises entre 50 % et 66 % ont été obtenues à basse température, avec la possibilité d’atteindre un rapport d’intensité intégré de PL, entre 300 K et 9 K, allant jusqu’à 75 % pour les BQs GaN et 46 % pour les BQs AlyGa1-yN (contre 0,5 % pour des structures équivalents à base de puits quantiques).Enfin, nous avons montré la possibilité de fabriquer des DELs à base de BQs (Al,Ga)N couvrant une grande gamme de longueurs d’onde allant du bleu-violet jusqu’à l’UVB (de 415 nm à 305 nm). / This PhD deals with the epitaxial growth, structural and optical properties of AlyGa1-yN quantum dots (QDs) grown on AlxGa1-xN (0001) by molecular beam epitaxy (MBE), with the aim to study their potential as a novel route for efficient ultraviolet (UV) emitters.First, we have studied the growth of GaN QDs using either plasma MBE (PAMBE) or ammonia MBE (NH3-MBE) to find the most adapted nitrogen source for the fabrication of UV emitting QDs. It was shown that the growth process is better controlled using PAMBE, leading to the growth of GaN QDs with higher densities, better size uniformity and up to three times higher photoluminescence (PL) intensities. Also, the influence of the epitaxial strain on the QD self-assembling process was studied by fabricating GaN QDs on different AlxGa1-xN surfaces (with 0.5 ≤ x ≤ 0.7). We showed that QDs with higher densities and smaller sizes (heights) are formed by using a larger lattice-mismatch (i.e. a higher xAl composition). However, photoluminescence (PL) measurements indicated a strong redshift in the emission energy as the Al content of the AlxGa1-xN template increases due to the increase of the internal electric field discontinuity from 3 to 5.3 MV/cm.Next, in-depth investigations of the growth conditions and optical properties of Al0.1Ga0.9N QDs / Al0.5Ga0.5N were done presenting the different challenges to be solved to grow efficient QDs. Changing the growth procedure, especially the post-growth annealing step, has shown a modification of the QD shape from elongated QDs, formed with an annealing at 740°C, to symmetric QDs, formed with an annealing at a temperature around or above 800°C. An additional band emission at lower energies was also observed for QDs grown with a lower annealing temperature (740°C). This additional band emission was attributed to the formation of QDs with higher heights and a reduced Al composition less than the nominal one of 10 % (i.e. forming Ga-rich QDs). The influence of the annealing step performed at higher temperature has been shown to strongly decrease the PL emission from this additional QD family. In addition, this annealing step strongly impacted the QD shape and led to an improvement of the QD radiative efficiency by a factor 3. Then, the AlxGa1-xN barrier composition (0.5 ≤ x ≤ 0.7), the AlyGa1-yN QD composition (0.1 ≤ y ≤ 0.4) as well as the deposited amount were varied in order to assess the range of accessible emission energies. Also, the influence of varying the AlxGa1-xN barrier composition on the QD formation was studied. By varying these growth conditions, the QD wavelength emission was shifted from the UVA down to the UVC range, reaching a minimum wavelength emission of 270 - 275 nm (for water and air purification applications) with a high radiative efficiency. Time resolved photoluminescence (TRPL) combined with temperature dependent PL measurements enabled us to determine the internal quantum efficiencies (IQE) of AlyGa1-yN QDs / AlxGa1-xN (0001). IQE values between 50 % and 66 % were found at low temperature, combined with the ability to reach a PL integrated intensity ratio, between 300 K and 9 K, up to 75 % for GaN QDs and 46 % for AlyGa1-yN QDs (versus 0.5 % in a similar quantum well structure emitting in the UVC range).Finally, the demonstration of AlyGa1-yN QD-based light emitting diode prototypes, emitting in the whole UVA range, using GaN and Al0.1Ga0.9N QDs, and in the UVB range down to 305 nm with Al0.2Ga0.8N QDs active regions, was shown.

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Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une filière de transistors de puissance à base de nitrure de Gallium au CEA-LETI. Ces transistors, en particulier les HEMT utilisant l’hétérostructure AlGaN/GaN, présentent des propriétés très utiles pour les applications de puissance. L’essor de cette technologie passe notamment par le développement de contacts ohmiques peu résistifs. Cette thèse a pour objectif d’approfondir la compréhension des mécanismes de formation du contact ohmique sur une structure AlGaN/GaN. Dans un premier temps, une étude thermodynamique sur une dizaine de métaux de transition utilisables comme base de l’empilement métallique du contact a été menée, ce qui a permis de retenir une métallisation Ti/Al. Puis, les différentes réactions physico-chimiques de cet empilement avec des substrats nitrurés ont été étudiées en faisant varier la composition et les températures de recuit de formation du contact ohmique. Enfin, plusieurs études sur structure AlGaN/GaN couplant caractérisations électriques et physico-chimiques ont permis d’identifier des paramètres décisifs pour la réalisation d’un contact ohmique, peu résistif et nécessitant une faible température de recuit. / This PhD is part of the development of Gallium nitride based power transistors at the CEA-LETI. These transistors, especially those based on AlGaN/GaN heterostructure, are very promising for power electronics applications. The goal of this PhD is to increase the knowledge of the mechanisms responsible for the ohmic contact formation on a AlGaN/GaN structure. First, a thermodynamic study of several transition metals has been performed, leading us to select Ti/Al metallization. Then, the multiple physico-chemical reactions of this stack with nitride substrates have been studied depending on the stack composition and the annealing temperature. Finally, several studies on AlGaN/GaN structure coupling both physico-chemical and electrical characterizations reveal different decisive parameters for the formation of an ohmic contact with a low-resistance and a low annealing temperature.

Ce document porte sur le développement d’un nouveau banc de mesure pour la caractérisation de l’impédance thermique des HEMTs GaN. Le banc développé repose sur la méthode dite « 3ω » qui consiste à mesurer l’harmonique 3 d’un signal électrique véritable image des variations thermiques du composant. Un balayage en fonction de la fréquence d’excitation conduit à l’extraction de l’impédance thermique. Les résultats de mesures ont été validés par les simulations électriques. Des études complémentaires ont été réalisées pour l’identification des effets de pièges en utilisant différentes méthodes permettant l’extraction de la signature des pièges. La réalisation des modèles non-linéaires est présentée pour les transistors HEMT AlGaN/GaN et InAIN/GaN pour des applications d’amplificateur de puissance dans les bandes de fréquences X et K. / This report is devoted to the development of a new measurement bench for thermal impedance characterization of GaN HEMTs. This measurement test set uses the so-called « 3ω » technique, which consists to measure the electrical signal at third harmonic real image of the thermal magnitude variations of the device. A sweep in function of the excitation frequency allows extracting of the thermal impedance. The measurement results have been validated by electrical simulation. Other complementary studies were performed to identify the trapping effects using different methods to extract the traps signature. The realization of nonlinear models is presented for AlGaN HEMT / GaN and InAIN / GaN to the power amplification applications in frequency bands X and K.

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