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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.

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.

Bauelemente auf Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen bieten vielversprechende Eigenschaften für Hochfrequenz- und leistungselektronische Anwendungen. Dazu zählen die hohe Elektronenmobilität im zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) und eine hervorragende Durchbruchsfeldstärke. Die effiziente ohmsche Kontaktierung der Source- und Drain-Gebiete von Hetero-Feldeffekttransistoren mit Gate-Dielektrikum (MISHFETs) stellt jedoch eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Kontaktstapel auf Basis von Ti/Al/Ni/Au und V/Al/Ni/Au hinsichtlich ihrer Eignung als ohmsche Kontaktierung verglichen. Mit Hilfe von elektrischen und mikrostrukturellen Methoden werden die Vorgänge bei der Ausbildung des elektrischen Kontakts untersucht. Während der etablierte Ti-haltige Kontaktstapel einen Hochtemperaturschritt bei mindestens 800°C benötig, um einen hinreichend guten Kontaktwiderstand zu erzielen, lässt sich mit der V-basierten Metallisierung eine Reduzierung der notwendigen Temperatur um bis zu 150 K erreichen. Die so optimierten Kontakte werden als Source- und Drain-Metallisierung für MISHFETs genutzt. Es wird gezeigt, dass die Reduzierung der Formierungstemperatur bei V-haltigen Kontakten einen positiven Effekt auf die Eigenschaften der Bauelemente hat. So wird die Schädigung des 2DEGs minimiert und es können Transistoren mit geringerem Leckstrom und höherem An/Aus-Verhältnis des Drain-Stroms hergestellt werden.

AlGaN/GaN and InAlN/GaN-based heterojunction field effect transistors (HFETs) have demonstrated great high power and high frequency performance. Although AlGaN/GaN HFETs are commercially available, there still remain issues regarding long-term reliability, particularly degradation and ultimately device failure due to the gate-drain region where the electric field peaks. One of the proposed degradation mechanisms is the inverse-piezoelectric effect that results from the vertical electric field and increases the tensile strain. Other proposed mechanisms include hot-electron-induced trap generation, impurity diffusion, surface oxidation, and hot-electron/phonon effects. To investigate the degradation mechanism and its impact on DC, microwave, and noise performance, comprehensive stress experiments were conducted in both un-passivated and passivated AlGaN/GaN HFETs. It was found that degradation of AlGaN/GaN HFETs under reverse-gate-bias stress is dominated by inverse-piezoelectric effect and/or hot-electron injection due to gate leakage. Degradation under on-state-high-field stress is dominated by hot-electron/phonon effects, especially at high drain bias. Both effects are induced by the high electric field present during stress, where the inverse-piezoelectric effect only relates to the vertical electric field and the hot-electron effect relates to the total electric field. InAlN/GaN-based HFETs are expected to have even better performance as power amplifiers due to the large 2DEG density at the InAlN/GaN interface and better lattice-matching. Electrical stress experiments were therefore conducted on InAlN/GaN HFETs with indium compositions ranging from 15.7% to 20.0%. Devices with indium composition of 18.5% were found to give the best compromise between reliability and device performance. For indium compositions of 15.7% and 17.5%, the HFET devices degraded very fast (25 h) under on-state-high-field stress, while the HFET devices with 20.0% indium composition showed very small drain. It was also demonstrated that hot-electron/phonon effects are the major degradation mechanism for InAlN/GaN HFETs due to a large 2DEG density under on-state operations, whereas the inverse-piezoelectric effect is very small due to the small strain for the near lattice-matched InAlN barrier. Compared to lattice-matched InAlN/GaN HFETs, AlGaN/GaN HFETs have much larger strain in the barrier and about half of the drain current level; however, the hot electron/hot phonon effects are still important, especially at high drain bias.

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.

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.

abstract: The quest to find efficient algorithms to numerically solve differential equations isubiquitous in all branches of computational science. A natural approach to address this problem is to try all possible algorithms to solve the differential equation and choose the one that is satisfactory to one's needs. However, the vast variety of algorithms in place makes this an extremely time consuming task. Additionally, even after choosing the algorithm to be used, the style of programming is not guaranteed to result in the most efficient algorithm. This thesis attempts to address the same problem but pertinent to the field of computational nanoelectronics, by using PETSc linear solver and SLEPc eigenvalue solver packages to efficiently solve Schrödinger and Poisson equations self-consistently. In this work, quasi 1D nanowire fabricated in the GaN material system is considered as a prototypical example. Special attention is placed on the proper description of the heterostructure device, the polarization charges and accurate treatment of the free surfaces. Simulation results are presented for the conduction band profiles, the electron density and the energy eigenvalues/eigenvectors of the occupied sub-bands for this quasi 1D nanowire. The simulation results suggest that the solver is very efficient and can be successfully used for the analysis of any device with two dimensional confinement. The tool is ported on www.nanoHUB.org and as such is freely available. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2020

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