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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.

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.

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.

Afin de répondre à l’exigence croissante de densité de puissance aux hautes fréquences, les chercheurs se sont intéressés aux matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium GaN. Les HEMTs (transistors à haute mobilité électronique) AlGaN/GaN ne sont pas stabilisées et donc l’analyse de défaillance de ces composants est difficile (défauts multiples).Les mécanismes de défaillance des HEMTs GaAs sont difficilement transposables sur les HEMTs GaN et nécessitent donc une étude approfondie. De plus que les données actuelles sur les effets de pièges ne permettent pas d’expliquer facilement des effet parasites comme l’effet de coude. Ce qui nécessité de développer de nouvelles procédures d’analyse de défaillance adaptées aux composant GaN. Les dégradations induites par les électrons chauds sont difficilement détectables par la technique d ‘émission de lumière standard ce qui a nécessité le développement de la microscopie à émission de lumière dans le domaine de l’UV. L’objectif principal de ce travail est la mise au point d'une méthodologie d'analyse de défaillance pour les filières GaN et l’optimisation des techniques electro-optiques non destructives de localisation de défauts. En vue de l’amélioration des procédés technologiques, et de la fiabilité des HEMT GaN. / There are several economic and technological stakes, which require the development of suitable techniques for failure analysis on microwave devices, the HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN play a key role for power and RF low noise applications.The technologies are not completely stabilized and the failure analysis is difficult. Which need the development of a non destructive investigation techniques such as electroluminescence technics. To improve the GaN HEMT performance and reliability, understanding the failure mechanisms is critical. The standard emission light is not sufficient for hot-elctron detection in GaN material. And the development of UV light emission become necessary in the AlGaN/GaN HEMT.

This thesis describes the design, fabrication and characterization of AlGaN/GaN Heterostructure Field E ect Transistors (HFETs) grown by a Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) on sapphire substrates. The objective of this research is to develop AlGaN/GaN power devices with high breakdown voltage (greater than 1 kV) and low turn-on resistance. Various characteristics such as current drive (Idss), transconductance (gm) and threshold voltage (Vth) have also been measured and the results have been discussed. Two major challenges with the development of high breakdown voltage AlGaN/GaN HFETs in the past have been high material defect density and non-optimized fabrication technologies which gives rise to bu er leakage and surface leakage, respectively. In this thesis, mesa isolation, ohmic and gate metal contacts, and passivation techniques, have been discussed to improve the performance of these power transistors in terms of low contact resistance and low gate leakage. The relationship between breakdown voltage and Rds(ON)A with respect to the gate-drain length (Lgd) is also discussed. First, unit cell devices were designed (two-fingered cells with Wg = 100, 300, 400 m) and characterized, and then they were extended to form large area devices (upto Wg = 40 mm). The design goals were classied into three parts: - High Breakdown Voltage: This was achieved by designing devices with variations in Lgd, - Low turn-on resistance: This was achieved by optimizing the annealing temperatures as well as incorporating additional thick metal pads, as well as optimizing the passivation etch recipe, - Low Gate Leakage: The gate leakage was reduced signicantly by using a gate metal with a larger barrier height. All devices with Lgd larger than 10 m exhibited excellent breakdown voltage characteristics of over 800 V, and it progressed as the Lgd increased. The turn-on resistance was also reduced signicantly below 20 m-cm2, for devices with Lgd = 15, 25, and 20 m. The gate leakage was measured for all devices upto 200 V, and was in the range of 10-100 nA, which is one of the best values reported for multi-ngered devices with Lgd in the range of 2.4-5 mm. Some of the key challenges faced in fabrication were determining a better gate metal layer to reduce gate leakage, optimizing the passivation via etch recipe, and reducing surface leakage.