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Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de transistors de puissance HEMT à base de nitrure de gallium au CEA. Les HEMT AlGaN/GaN sont des composants très prometteurs pour les applications d'électronique de puissance. Le but de cette thèse est d'étudier en détail le matériau AlGaN/GaN en amont de la fabrication de transistors. Cette thèse est organisée en quatre chapitres. Le premier chapitre introduit les concepts théoriques nécessaires à la compréhension du fonctionnement des HEMT AlGaN/GaN. Les trois chapitres restant sont consacrés à l'étude des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN: résistance de couche, résistance des contacts, mobilité et densité de porteurs. Dans le chapitre deux, à travers des mesures de la résistance de couche, il est démontré que des phénomènes de piégeage interviennent dans le matériau et que l'utilisation d'une source lumineuse permet une stabilisation de la mesure. Ensuite, à travers des structures avec des longueurs de contacts différentes, une étude détaillée des résistances de contact a été effectuée. Pour cela, le modèle TLM a été utilisé. Les résultats obtenus montre que dû à la variation non linéaire des caractéristiques de nos contacts en fonction de leur longueur, un tel modèle n'est pas adapté à l'étude des contacts fabriqués au CEA. Dans le chapitre trois, une méthode de mesure de la résistance de couche d'un empilement AlGaN/GaN sans fabrication de contacts a été mise au point. Cette méthode repose sur les travaux de Van Der Pauw concernant la mesure colinéaire et permet la caractérisation précise et rapide de plaques entières en sortie d'épitaxie. Enfin dans le dernier chapitre, une étude comparative des propriétés électriques de l'empilement AlGaN/GaN sous la grille et en dehors de la grille a été effectuée. Premièrement, on a procédé à une étude statistique de la résistance de couche, de la mobilité et de la densité de porteurs. Il est démontré que la gravure du Si3N4 préalable au dépôt de la grille injecte des ions fluor dans l'empilement, causant des dégradations des propriétés électriques. Ensuite, les phénomènes de diffusion de la mobilité ont été caractérisés à travers une étude détaillée de la mobilité en fonction de la densité de porteurs. Enfin, pour compléter cette étude, une analyse en température des mesures de capacité et de la mobilité a été effectuée. / This PhD is part of the development of HEMT power transistor based on galliumnitride at the CEA. Due to their high electron mobility, high breakdown _eld and goodthermal conductivity, AlGaN/GaN HEMT are very promising devices for power electronic applications.The goal of this PhD is, using electrical characterization, to increase the knowledge ofthe AlGaN/GaN material prior to the fabrication of transistors. First, through measurements ofthe resistance of the electron gas located at the AlGaN/GaN interface, a trapping phenomenonwas evidenced in the material. Then, in order to set a production follow-through of AlGaN/GaNon Si wafers , a method of measuring the sheet resistance of a AlGaN/GaN stack without thefabrication of contacts was developed and patented. Finally, on HEMT transistors fabricatedusing di_erent epitaxies, a detailed study of the sheet resistance, the mobility and the sheetcarrier density in and out of the gated area was carried out.

Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions « sévères ». Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables. / Some industrial areas as oil, automotive and aerospace industries, require electromechanical systems working in harsh environments. An elegant solution is to use III–V materials alloys having semiconductor, piezoelectric and pyroelectric properties. These materials, particularly nitrides such as GaN or AlN, enable design of advanced devices suitable for harsh environment. By using free-standing structure coupled with sensing HEMT transistors that are stable at high temperatures, it is possible to obtain mechanical sensors suitable for harsh environments. This PhD thesis focuses on a cantilever-based strain sensor and a drumskin-based pressure sensor. Analytical models of both sensors have been developed and establish the feasibility of the sensing principle as well as its response linearity. The characterization tests of fabricated prototypes validate the possibility of measuring external mechanical load with both sensors. The linearity of the response has also been confirmed by experimental measurements. The experimental sensitivity is smaller than the theoretical one due to several parasitic effects not included in the model such as parasitic resistance and variable piezoresisitive effects.

Depuis quelques années, nous assistons à l’essor d’une nouvelle filière d’électronique basée sur des supports flexibles. De nombreuses applications difficilement atteignables par l’électronique classique sont visées, c’est notamment le cas des tags RFID, des capteurs mobiles, des écrans flexibles…. Cette électronique est essentiellement basée sur des matériaux organiques pour lesquels la faible mobilité (<1cm2 /V.s) limite considérablement les performances hyperfréquences des composants. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène de composants des filières GaN et graphène sur substrat flexible apparait comme une solution prometteuse pour des applications de puissance hyperfréquence où la conformabilité sur surface non plane est souhaitée. Ces travaux présentent d’une part, une méthode de transfert de composants HEMTs AlGaN/GaN sur ruban flexible et d’autre part, une technique de manipulation du substrat souple et de fabrication directe des composants à base de graphène sur celui-ci. Des HEMTs AlGaN/GaN à faible longueur de grille (LG = 100nm) ont été transférés sur ruban flexible et ont permis d’atteindre des résultats à l’état de l’art en termes de puissance hyperfréquence avec un gain de puissance linéaire (Gp) de 15,8 dB, une densité de puissance de sortie (Pout) de 420 mW / mm et une puissance ajoutée (PAE) de 29,6%. Pour les composants à base de graphène, une technique de manipulation du substrat flexible a été développée et a permis de fiabiliser le procédé technologique de fabrication. Une fréquence de coupure ft de 1GHz et une fréquence maximale d’oscillation fmax de 3 GHz ont été obtenues. / In recent years, the field of flexible electronics has been expanding. Many applications difficult to achieve by conventional electronics are targeted as RFID tags, mobile sensors, flexible screens… This field is essentially based on organic material for which the poor mobility (<1cm2 /V.s) limits considerably the device performances. In this context, the heterogeneous integration of GaN and graphene devices on a flexible substrate appears to be a promising solution for microwave power applications where conformability on a non-planar surface is needed. This work presents, on the one hand, a method to transfer AlGaN/GaN HEMTs onto flexible tape and, on the other hand, a technique for handling and manufacturing graphene-based components directly on the flexible substrate. HEMTs with short-gate length (LG = 100 nm) have been transferred onto flexible tape and showed state of the art results in terms of microwave power with a linear power gain (Gp) of 15.8 dB, an output power density (Pout) of 420 mW/ mm and an added power efficiency (PAE) of 29.6%. Concerning graphene-based devices, a flexible substrate handling technique has been developed making the manufacturing process more reliable. A cut-off frequency ft of 1 GHz and a maximum oscillation frequency fmax of 3 GHz were obtained.

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In this study, we discuss AlGaN/GaN high electron-mobility heterostructs grown by metal organic chemical vapor deposition technique. We analyzed the samples by optical and magnetoelectrical experiments to probe the dependence of the piezoelectric effect on the structural difference. We hope our results may be useful for the design of nitride heterostructures. The E-beam evaporator operation manual given in this thesis may be useful for future users.

In order to develop high speed photo-electronic device, first, we grew one layer of GaN by MOPVE to decline lattice mismatch. Then we used PA-MBE to grow AlxGa1-xN/GaN heterostructure III-V semiconductor. Via changing the content of aluminum, we can confer the characteristic of these samples. In these samples, we controlled the content of aluminum by changing the vapor of aluminum. And then we used X-ray diffraction, SEM, AFM, low temperature Hall measurement and SdH to study the characteristic of these samples. Throughout X-ray diffraction, the aluminum content x are 1.76%, 2.3%, 14.33%, 22.03% and 37.26%. Due to (004) AlGaN Rocking Curve F.W.H.M. are only 300 arcsec, the quality of the five samples are extraordinary. In addition, SEM and AFM measurement indicate that this series samples¡¦ interface are very smooth, and the roughest sample is only 2nm. It can make sure that samples were grown in mode of two-dimensional (2D). With low temperature Hall measurement, we can find out the Coulomb scattering which is from the defect are very small in the sample A, B, C, D. And the mobility of this series samples are very high, the highest mobility is sample A at 8K which is 19593 cm2/Vs. We can observe the oscillation of the sample C, D obviously in SdH measurement indicate that the 2DEG is confined in the potential well.

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.

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