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Ce travail de thèse se concentre sur l'évaluation de la fiabilité des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN / GaN à grille ultra-courte sur substrat silicium dédiés aux applications de puissance à une fréquence supérieure à 40GHz. Il a été réalisé au sein des laboratoires IMS Bordeaux et IEMN Lille.Ce travail compare initialement les HEMT AlGaN / GaN réalisés par croissance MOCVD avec ceux obtenus par croissance MBE. En particulier, l'analyse électrique statique a permis d'étudier l'influence de la géométrie des dispositifs sur les performances des composants.Des tests de vieillissement accéléré ont été effectués pour évaluer la robustesse des transistors HEMTs en AlGaN/GaN à grille ultra-courte sur Si. Une méthodologie basée sur une séquence d'essais de vieillissement a été définie pour établir le diagnostic in-situ d’une dégradation statique et permanente et d’une dégradation qui se traduit par un transitoire de courant de drain au cours du chaque palier de la séquence de vieillissement. La valeur de la tension critique de dégradation à partir de laquelle le courant de drain commence à diminuer de façon significative dépend des conditions de polarisation du vieillissement, de la distance grille-drain et de la longueur de grille. De plus, l’aire de sécurité de fonctionnement de cette technologie a été déterminée. / This Ph.D. work focuses on the reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on silicon substrate dedicated to power applications at frequency above 40GHz. It was carried out within IMS Bordeaux and IEMN Lille laboratories.This work initially compares AlGaN/GaN HEMTs grown by MOCVD with those grown using MBE, through electrical characterization.In particular, the device geometry impact on the device performances has been studies by static electrical characterization.Step-stress experiments are performed to investigate reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on Si substrate. A methodology based on a sequence of step stress tests has been defined for in-situ diagnosis of a permanent degradation and of a degradation which is identified by a drain current transient occurring during each step of the ageing sequence . The same stress conditions were applied on HEMTs with different geometries. It is found no evolution of the drain current during non stressful steps. The value of the critical degradation voltage beyond which the stress drain current starts to decrease significantly is also found dependent on the stress bias conditions, the gate-drain distance and the gate length. Moreover, the safe operating area of this technology has been determined.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur le développement et la caractérisation de modules technologiques sur semiconducteurs à large bande interdite à base de nitrure de gallium (GaN), pour la réalisation de transistors et de cathodes froides. Ils ont été réalisés au sein du laboratoire III-V lab, commun aux entités : Alcatel - Thales - CEA Leti. Notre projet de recherche a bénéficié d'un soutien financier assuré par Thales Electron Devices (TED) et l'Agence Nationale de la Recherche ( ANR ). Concernant les transistors HEMT III-N, nos investigations se sont focalisées sur le développement des parties actives des transistors, incluant principalement la structuration des électrodes de grilles, l'étude de la passivation des grilles métalliques, ainsi que l'étude de diélectriques de grille pour la réalisation de structures MIS-HEMT.Les transistors MOS-HEMT « Normally-off » réalisés présentent des performances comparables à l'état de l'art, avec une densité de courant de drain maximum comprise entre 270 mA et 400 mA / mm, un ratio ION / IOFF > 1100, et des tensions de claquage > 200V. Les tensions de seuil sont comprises entre + 1,8 V et + 4 V. Nos contributions au développement des cathodes froides ont permis de démontrer une première émission dans le vide à partir de cathodes GaN, avec une densité de courant maximale de 300 µA / cm2 pour une tension de polarisation de 40 V / The results presented in this manuscript relate to technological developments and device processing on wide bandgap III-N semiconductor materials. They have been focused on III-N HEMT transistors and GaN cold cathodes. They have been realised within the III-V lab, which is a common entity between: Alcatel - Thales - CEA Leti. They have been financially supported by Thales Electron Devices company (TED) and the French National Research Agency ( ANR ). Regarding III-N HEMTs, our investigations have been focused on the development of device gate processing, which includes : the structuration of gate electrodes, the study of device passivation, and the realization of Metal-Insulator-Semiconductor High Mobility Electron Transistors ( MIS-HEMTs ). The “ Normally-off ” MOS-HEMT structures we have realized exhibit performances comparable to the state of the art, with a maximum drain current density between 270 and 400 mA / mm, a ION / IOFF ratio > 1.100, and a breakdown voltage > 200V. The threshold voltage values range between + 1,8 V and + 4V. We have also been able to demonstrate prototype GaN cold cathodes providing a maximum current density of 300 µA / cm2, emitted in vacuum for a bias voltage around 40 V

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.

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