Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von verdünnten magnetischen II-VI und III-V Halbleiter-Dünnschichten. Diese Systeme bieten vereinfachte optische kohärente Kontrolle von Spin-basierten Prozessen und eignen sich hervorragend für den Einsatz in zukünftigen opto-magnetischen Anwendungen. ZnO-, ZnXO-, GaN- und GaXN-Proben (X = Mangan, Cobalt) sind mit Hilfe der naßchemischen Sol-Gel Synthese hergestellt worden. Sie werden mit Hilfe der Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Die spektrale Position der elektronischen Niveaus in der Nähe der Bandkante dieser Materialien wird bestimmt, um in weiteren Experimenten die freien und gebundenen Exzitonen einzeln abzufragen. Mit der Methode der zeitaufgelösten differentiellen Transmissionsspektroskopie (TRDT) werden die Lebensdauern dieser Ladungsträger bestimmt und mit ultraschnellen Prozessen der optischen Anregung und Relaxation in Verbindung gebracht. Die Methode der zeitaufgelösten Faraday-Rotation-Spektroskopie (TRFR) wird angewandt, um die kohärente Spindynamik des optisch angeregten Teilchenensembles zu beschreiben. Die Kohärenz unterliegt den Störeinflüssen verschiedener Streumechanismen, die in der vorliegenden Arbeit identifiziert und quantitativ beschrieben werden. Bei einigen untersuchten Materialsystemen (ZnCoO, ZnMnO und GaMnN) wird die jeweilige spezifische Elektron-Ion Austauschenergie N0α bestimmt, welche die Kopplungsstärke der elektronischen Spins zu denen der Dotierionen beschreibt.

Les nanostructures à base de nitrures d’éléments III suscitent un intérêt croissant, en raison de leurs propriétés singulières et de leurs applications technologiques potentielles, dans les diodes électroluminescentes (LED) notamment. La maîtrise et le contrôle du dopage de ces nanostructures est un enjeu crucial, mais difficile. A ce sujet, cette thèse apporte une contribution nouvelle, en explorant le processus de dopage de type n et p des nanofils (NFs) de GaN crus par épitaxie par jets moléculaires (EJM). En particulier, les propriétés électriques de ces structures ont été caractérisées par une approche multi-technique, à l’échelle du NF unique.Tout d'abord, les propriétés structurales et électriques d'une série de NFs de GaN dopés au Si (type n) ont été étudiées. Des mesures de spectroscopie de rayons X à haute résolution sur des NFs individuels ont mis en évidence une incorporation de Si plus élevée dans les NFs que dans les couches minces épitaxiées, ainsi qu’une migration du Si à la surface du NF pour le fil ayant le niveau de dopage le plus élevé. Des mesures de transport sur des NFs uniques (quatre contacts avec une température allant de 300 K jusqu’à 5 K) ont démontré un contrôle du dopage, avec une résistivité allant de 10^2 à 10^-3 Ω.cm et une concentration de porteurs comprise entre 10^17 et 10^20 cm-3. Des mesures réalisées sur des transistors à effet de champ à NFs uniques non intentionnellement dopés ont démontré qu’ils sont de type n avec une mobilité de porteurs élevée.Parallèlement à cela, les conditions de croissance de NFs de GaN dopés au Mg (p-type) et de jonctions p-n ont été déterminées afin d’obtenir une incorporation significative en Mg. Les propriétés électriques de jonctions p-n axiale à base de NFs de GaN posées sur un substrat de SiO2 et contactés avec de l’oxyde d’indium-étain (ITO) ont été étudiées en utilisant la technique du courant induit par faisceau électronique (EBIC). L’analyse EBIC a permis de localiser la jonction p-n le long du fil et de clairement montrer son bon fonctionnement en polarisation directe ou inverse. L'analyse EBIC a démontré que le GaN de type p est hautement résistif, confirmant ainsi les difficultés à réaliser des mesures de transport sur ce matériau.Cette étude originale a permis de décrire les propriétés électriques et de dopage de ces NFs de GaN à une échelle nanoscopique, facilitant ainsi la fabrication des futurs dispositifs incorporant des nanostructures à base de GaN. / III-nitride nanostructures have been attracting increasing attention due to their peculiar properties and potential device applications as lighting LEDs. The control and evaluation of the doping in the nanostructures is a crucial, yet a challenging issue. This thesis advances the field by exploring the n and p type doping process of GaN nanowires (NWs) grown by molecular beam epitaxy (MBE). In particular, their electrical properties have been revealed through a multi-technique approach at the single NW level.Firstly, the structural and electrical properties of a series of Si-doped (n-type) GaN NWs have been studied. High resolution energy dispersive X-ray spectroscopy measurements on single NWs have illustrated the achievement of a higher Si incorporation in NWs than in epilayers, and Si segregation at the edge of the NW with the highest doping. Furthermore, direct transport measurements (four probes measurements from 300 K down to 5 K) on single NWs have shown a controlled doping with resistivity from 10^2 to 10^-3 Ω.cm, and a carrier concentration from 10^17 to 10^20 cm-3. Field effect transistor measurements have evidenced the n-type nature and a high electron mobility of the non-intentionally doped NWs.Secondly, the growth conditions of Mg-doped (p-type) and axial GaN p-n junction NWs have been determined to achieve significant Mg incorporation. Furthermore, the electrical properties of the axial GaN p-n junction NWs, dispersed on SiO2 and contacted by ITO, have been studied using electron beam induced current (EBIC) technique. EBIC technique revealed the location of the p-n junction and clearly demonstrated its operation under reverse and forward polarization. Moreover, EBIC showed highly resistive p-GaN in accordance with the difficulties to perform direct transport measurements on p-GaN NWs.This original study provides a nanoscale description of the electrical and doping properties of the GaN NWs, facilitating the fabrication of the future GaN nanostructures based devices.

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.

The popularity of III-nitride materials has taken up the semiconductor industry to newer applications because of their remarkable properties. In addition to having a direct and wide band gap of 3.4 eV, a very fascinating property of GaN is the band gap tuning from 0.7 to 6.2 eV by alloying with Al or In. The most common orientation to grow optoelectronic devices out of these materials are the polar c-plane which are strongly affected by the intrinsic spontaneous and piezoelectric polarization fields. Devices grown in no polar orientation such as (1 0 –1 0) m-plane or (1 1 –2 0) a-plane have no polarization in the growth direction and are receiving a lot of focus due to enhanced behaviour. The first part of this thesis deals with the development of non-polar epimGaN films of usable quality, on an m-plane sapphire by plasma assisted molecular beam epitaxy. Growth conditions such as growth temperature and Ga/N flux ratio were tuned to obtain a reasonably good crystalline quality film. MSM photodetectors were fabricated from (1 0 -1 0) m-GaN, (1 1 -2 0) a-GaN and semipolar (1 1 -2 2) GaN films and were compared with the polar (0 0 0 2) c-GaN epilayer. Later part of the thesis investigated (1 0 -1 0) InN/ (1 0 -1 0) GaN heterostructures. Further, we could successfully grow single composition nonpolar a-plane InxGa1-xN epilayers on (1 1 -2 0) GaN / (1 -1 0 2) sapphire substrate. This thesis focuses on the growth and characterisation of nonpolar GaN, InxGa1-xN and InN by plasma assisted molecular beam epitaxy and on their photodetection potential. Chapter 1 explains the motivation of this thesis work with an introduction to the III-nitride material and the choice of the substrate made. Polarization effect in the polar, nonpolar and semipolar oriented growth is discussed. Fabrication of semiconductor photodetectors and its principle is explained in details. Chapter 2 discusses the various experimental tools used for the growth and characterisation of the film. Molecular beam epitaxy technique is elaborately explained along with details of the calibration for the BEP of various effusion cells along with growth temperature at the substrate. Chapter 3 discusses the consequence of nitridation on bare m-sapphire substrate. Impact of nitridation step prior to the growth of GaN film over (1 0 -1 0) m-sapphire substrate was also studied. The films grown on the nitridated surface resulted in a nonpolar (1 0 -1 0) orientation while without nitridation caused a semipolar (1 1 -2 2) orientation. Room temperature photoluminescence study showed that nonpolar GaN films have higher value of compressive strain as compared to semipolar GaN films, which was further confirmed by room temperature Raman spectroscopy. The room temperature UV photodetection of both films was investigated by measuring the I-V characteristics under UV light illumination. UV photodetectors fabricated on nonpolar GaN showed better characteristics, including higher external quantum efficiency, compared to photodetectors fabricated on semipolar GaN. Chapter 4 focuses on the optimization and characterisation of nonpolar (1 0 -1 0) m-GaN on m-sapphire by molecular beam epitaxy. A brief introduction to the challenges in growing a pure single phase nonpolar (1 0 -1 0) GaN on (1 0 -1 0) sapphire without any other semipolar GaN growth is followed by our results achieving the same. Effect of the growth temperature and Ga/N ratio on the structural and optical properties of m-GaN epilayers was studied and the best condition was obtained for the growth temperature of 7600C and nitrogen flow of 1 sccm. Strain in the film was quantitatively measured using Raman spectroscopy and qualitatively analyzed by RSM. Au/ nonpolar GaN schottky diode was fabricated and temperature dependent I-V characteristics showed rectifying nature. Chapter 5 demonstrates the growth of (1 0 -1 0) m-InN / (1 0 -1 0) m-GaN / (1 0 -1 0) m-sapphire substrate. Nonpolar InN layer was grown at growth temperature ranging from 3900C to 440C to obtain a good quality film at 4000C. An in-plane relationship was established for the hetrostructures using phi-scan and a perfect alignment was found for the epilayers. RSM images on the asymmetric plane revealed highly strained layers. InN band gap was found to be around 0.8 eV from absorption spectra. The valance band offset value is calculated to be 0.93 eV for nonpolar m-plane InN/GaN heterojunctions. The heterojunctions form in the type-I straddling configuration with a conduction band offsets of 1.82 eV. Chapter 6 focuses on the optimization of nonpolar (1 1 -2 0) a-GaN on (1 -1 0 2) r-sapphire by molecular beam epitaxy. Effect of the growth temperature and Ga/N ratio on the structural and optical properties of a-GaN epilayers was studied and the best condition was obtained for the growth temperature of 7600C and nitrogen flow of 1 sccm. An in-plane orientation relationship is found to be [0 0 0 1] GaN || [-1 1 0 1] sapphire and [-1 1 0 0] GaN || [1 1 -2 0] sapphire for nonpolar GaN on r-sapphire substrate. Strain in the film was quantitatively measured using Raman spectroscopy and qualitatively analyzed by RSM. UV photo response of a-GaN film was measured after fabricating an MSM structure over the film with Au. EQE of the photodetectors fabricated in the (0 0 0 2) polar and (1 1 -2 0) nonpolar growth directions were compared in terms of responsively, nonpolar a-GaN showed the best sensitivity at the cost of comparatively slow response time. Chapter 7 demonstrates the growth of non-polar (1 1 -2 0) a-plane InGaN epilayers on a-plane (1 1 -2 0) GaN/ (1 -1 0 2) r-plane sapphire substrate using PAMBE. The high resolution X-ray diffraction (HRXRD) studies confirmed the orientation of the films and the compositions to be In0.19Ga0.81N, In0.21Ga0.79N and In0.23Ga0.77N. The compositions of the films were controlled by the growth parameters such as growth temperature and indium flux. Effect of variation of Indium composition on the strain of the epilayers was analyzed from the asymmetric RSM images. Further, we report the growth of self-assembled non-polar high indium clusters of In0.55Ga0.45N over non-polar (1 1 -2 0) a-plane In0.17Ga0.83N epilayer grown on a-plane (1 1 -2 0) GaN / (1 -1 0 2) r-plane sapphire substrate. The structure hence grown when investigated for photo-detecting properties, showed sensitivity to both infrared and ultraviolet radiations due to the different composition of InGaN region. Chapter 8 concludes with the summary of present investigations and the scope for future work.

Les problématiques d’économie d’énergie et de diminution des pertes illustrent les limites du Si dans les composants de puissance actuels. Face à ces besoins, le GaN constitue un bon candidat pour la réalisation de nouveaux composants comme les diodes Schottky de puissance. Ainsi, le GREMAN et STMicroelectronics ont entamé une collaboration visant à réaliser une diode Schottky capable de tenir une tension de – 600 V. Or, de nombreux verrous, tels que la forte sensibilité du GaN à la température et les difficultés d’activation de zones localisées dopé de type p (Mg) subsistent encore. Cependant, nous avons mis en évidence l’efficacité de la cap-layer USG/AlN pour la protection du GaN à haute température. Concernant l’activation des dopants de type p par implantation, nous avons démontré que la réduction du « channeling » du Mg nécessite les conditions d’implantation particulière : un tilt de 10° et une épaisseur d’oxyde (USG) de pré-implantation de 200. Parallèlement, nous avons étudié deux procédés d’activation par recuit RTA, mono- et multicycles, et montré leur utilité pour l’activation du dopant. Néanmoins, ce dernier point reste à approfondir. / Energy saving and reduction of losses issues illustrate the current limits of the Si for power devices. To face these needs, GaN is a good candidate for the realization of new components such as Schottky power diodes. GREMAN and STMicroelectronics have worked together to achieve such diodes with 600 V or more breakdown voltages. However, many mandatory milestones, such as GaN temperature sensitivity and the activation problems of localized p-type doped (Mg) zones, must be faced. In this work, we have demonstrated the efficiency of an USG/AlN cap-layer for the protection of GaN facing high-temperature annealing. Concerning the capability to obtain p-type doping by ion implantation, we demonstrate that the reduction of Mg "channeling" effect is achievable using the following conditions: a tilt of 10° and a screening layer (USG) with a thickness of 200 nm. Meanwhile, we have illustrated two activation processes using RTA: single- and multi-cycles annealing. However, activation, after implantation and annealing, has to be investigated in more details.

Les dispositifs DBD se répandent dans un grand nombre d’applications industrielles. Utilisés depuis plus de 150 ans pour la production d’ozone afin de décontaminer l’eau à grande échelle, ils ont depuis la fin du XXème siècle investi les domaines du traitement de surface polymère, du dépôt de couche mince sur substrat et de l’émission lumineuse pour la décontamination ainsi que la médecine. Ces dispositifs sont mis en oeuvre avec un générateur électrique dont les caractéristiques impactent fortement la qualité de la décharge. Ce travail s’inscrit en partie dans le cadre du développement d’une application de traitement de surface à pression atmosphérique. Il aborde la problématique de l’augmentation de la vitesse de dépôt de couche mince au travers des paramètres de l’alimentation électrique. Plus précisément, ce travail s’intéresse aux apports d’une alimentation en courant rectangulaire et aborde également les problématiques liées à la conception et à la fabrication de ce convertisseur. En particulier, une grande attention est portée sur l’étude du transformateur élévateur, car au travers de ses éléments parasites capacitifs, ce dernier peut limiter le transfert de puissance entre la source électrique et le dispositif DBD. Un deuxième aspect de cette étude consiste à entrevoir l’intérêt que revêtent deux convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation de dispositifs DBD. Le premier consiste en une alimentation résonante en régime de conduction discontinue dont la particularité est de posséder trois degrés de liberté (fréquence, tension d’entrée et largeur d’impulsion), ce qui lui confère un intérêt exploratoire. Le second convertisseur consiste en une alimentation résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur élévateur, et mettant en oeuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’atteindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau de pertes. / DBD devices are widely used in industrial applications. 150 years ago, they were only employed in ozoners for water decontamination. In recent decades, the progress of knowledge and technology allowed to use them in many other applications like surface treatment, medical applications and light emission. Actually, these devices are supplied with an electrical source which parameters can strongly impact the discharge behaviour. An important part of this work comes within the framework of the development of an atmospheric pressure surface treatment involving DBDs. The issue of the influence of the generator's electrical parameters on the treatment speed is discussed. In particular, this work focuses on the merits of a rectangular shaped current source concerning the behavior of an atmospheric pressure discharge in nitrogen ; the problems related to the design and the fabrication of such a converter are highlighted. The design of the high voltage transformer is then described in detail since its lumped elements play an important role as they can strongly limit the power transfer between the electrical source and the DBD device. A second aspect of this work is to establish the interests of two particular power converters. The first one is a resonant converter operating in a discontinuous conduction mode ; its merits is to exhibit three degrees of freedom (input voltage, frequency, current pulse width) instead of two, which is a tremendous asset for exploring purposes. The second one is a high-frequency resonant converter where a resonant inductance and the DBD device structural capacitances are used instead of a high voltage transformer to perform the voltage amplification, which circumvents the issue related to the transformer parasitic elements. This converter is based on GaN HEMT switches in order to reach a low semiconductor losses level and a fairly high operating frequency (above the mega-Hertz).

L’évolution des systèmes de télécommunications, liée à une demande sans cesse croissante en termes de débit et de volume de données, se concrétise par le développement de systèmes proposant des bandes passantes très larges, des modulations à très hautes efficacités spectrales, de la flexibilité en puissance et en fréquence d’émission. Par ailleurs, la mise en œuvre de ces dispositifs doit se faire avec un souci permanent d’économie d’énergie d’où la problématique récurrente de l’amplification de puissance RF qui consiste à allier au mieux rendement, linéarité et bande passante. L’architecture conventionnelle d’une chaine d’émission RF consiste dans une première étape à réaliser l’opération de modulation-conversion de fréquence (Modulateur IQ) puis dans une deuxième étape l’opération de conversion d’énergie DC-RF (Amplificateur de Puissance), ces deux étapes étant traditionnellement traitées de manière indépendante. L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer une approche alternative qui consiste à combiner ces deux opérations dans une seule et même fonction : le modulateur vectoriel de puissance à haute efficacité énergétique. Le cœur du dispositif, conçu en technologie GaN, repose sur un circuit à deux étages de transistors HEMT permettant d’obtenir un gain en puissance variable en régime de saturation. Il est associé à un modulateur de polarisation multi-niveaux spécifique également en technologie GaN. Le dispositif réalisé a permis de générer directement, à une fréquence de 2.5 GHz, une modulation vectorielle 16QAM (100Msymb/s) de puissance moyenne 13 W, de puissance crête 25W avec un rendement global de 40% et une linéarité mesurée par un EVM à 5%. / The evolution of telecommunications systems, linked to a constantly increasing demand in terms of data rate and volume, leads to the development of systems offering very wide bandwidths, modulations with very high spectral efficiencies, increased power and frequency flexibilities in transmitters. Moreover, the implementation of such systems must be done with a permanent concern for energy saving, hence the recurring goal of the RF power amplification which is to combine the best efficiency, linearity and bandwidth. Conventional architectures of RF emitter front-ends consist in a first step in performing the frequency modulation-conversion operation (IQ Modulator) and then in a second step the DC-RF energy conversion operation (Power Amplifier), these two steps being usually managed independently. The aim of this thesis is to propose an alternative approach that consists in combining these two operations in only one function: a high efficiency vector power modulator. The core of the proposed system is based on a two-stage GaN HEMT circuit to obtain a variable power gain operating at saturation. It is associated with a specific multi-level bias modulator also design using GaN technology. The fabricated device generates, at a frequency of 2.5 GHz, a 16QAM modulation (100Msymb/s) with 13W average power, 25W peak power, with an overall efficiency of 40% and 5% EVM.

Ces travaux de thèse portent sur l‟étude de filtres « multi-fonctions » dont l‟objectif serait de réduire les dimensions des circuits réalisant les fonctions de filtrage dans les systèmes aéroportés. Ces travaux ont donc conduit à la réalisation de filtres large bande (2 – 18 GHz) réjecteurs développés en technologie MMIC utilisant la filière GaN, ainsi que des filtres large bande développés suivant la filière AsGa en technologie MMIC. Les différents filtres réjecteurs ont été conçus suivant deux principes :- Le premier basé sur une structure à résonateurs à lignes couplées. Les différents prototypes réalisés ont permis de montrer l‟accordabilité en fréquence grâce à une charge variable placée à l‟extrémité non court-circuité de la ligne couplée. Celle-ci peut être réalisée par une diode varactor ou par un transistor froid. Ces prototypes ont également permis de montrer la possibilité de fonctionner suivant un mode passe-tout ou un mode réjecteur par simple polarisation de transistors chargés à l‟extrémité de la ligne couplée.- Le second est basé sur l‟accordabilité de filtres actifs par commutation entre plusieurs canaux à l‟aide d‟une structure distribuée. Un prototype a été développé et réalisé en technologie AsGa. Cette structure permet à la fois une accordabilité en fréquences, ainsi qu‟en largeur de bande passante (par activation de plusieurs canaux de bandes passantes adjacentes), et une adaptation large bande. Cette structure réunit à la fois des fonctions d‟accordabilité en fréquences (entre 8,7 et 15,6 GHz) par polarisation d‟éléments actifs, ceux-ci permettant même d‟obtenir du gain (de l‟ordre de 10 dB). / The aim of this work is to study “multi-functions” filters with an objective to reduce the dimensions of the circuits used for filtering functions in airborne systems. This work allows to obtain wide band notch filters (from 2 to 18 GHz) developed in MMIC technology using theEtude de Filtres MMIC Hyperfréquences en Technologies GaN et AsGa. 152GaN process and wide band filters developed in GaAs technology. The notch filters have been realized with two principles:- The first one based on coupled lines resonators structure. The prototype manufactured allow to validate the frequency tunability thanks to a variable load placed at the end of the coupled line. This can be realized with a varactor diode or with a cold transistor. These prototypes allow also validating the possibility for the circuit to work as an “allpass” filter or as a notch filter by applying a bias voltage on the transistors placed at the end of the coupled line.- The second one is based on the tenability of active filters by commuting between several channels thanks to a distributed structure. A prototype has been developed and manufactured in GaAs technology. This structure allow a frequency tunability with also the possibility to tune the bandwidth (by activating seeral channels with edge bandwidth), and a wide band matching. This structure allows to obtain frequency tunability (between 8.7 and 15.6 GHz) by applying a bias voltage on the active elements which brin gain (around 10 dB).

Les systèmes radar nécessitent d’être de plus en plus performants et doivent émettre des impulsions les plus identiques possibles. Un critère permet de quantifier la bonne régularité des impulsions radar au cours du temps : la stabilité pulse à pulse. L’amplificateur de puissance est un élément essentiel du système radar. Dans ce sens, ce travail présente une analyse du critère de stabilité pulse à pulse dans le cas d’un amplificateur HEMT GaN. Les formules mathématiques permettant d’extraire la valeur de la stabilité pulse à pulse des mesures temporelles d’enveloppe sont présentées. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF connectorisé 50 Ω sont décrites. Divers cas de rafales radar ont été étudiés au travers des mesures temporelles d’enveloppe pour en quantifier l’impact sur les valeurs de stabilité pulse à pulse. Un banc de mesure hétérodyne de la stabilité pulse à pulse a été spécialement développé pendant ces travaux de thèse. Finalement, ces résultats de stabilité pulse à pulse ont été utilisés pour optimiser le modèle électrique non linéaire du transistor HEMT GaN afin de prendre en compte lors des simulations temporelles d’enveloppe les effets de la thermique et des pièges. / Radar-oriented applications require stringent performances. Among them, emitting pulse train with uniform envelope characteristics in term of amplitude and phase. The criterion to quantify the self-consistency of radar signals over the pulse train is the pulse to pulse stability. The power amplifier is the most critical element in the RF radar chain because it has a strong impact on the overall pulse to pulse stability performances. In this context, this work is focused on the study of the impact of a HEMT GaN power amplifier on the pulse to pulse stability. Mathematical approach is presented to derive the pulse to pulse stability from time domain envelope measurements. Design and implementation of a 50Ω matched RF power amplifier are presented. Different radar bursts scenario are investigated and their impact on the pulse to pulse stability are quantified through extensive time domain envelope measurements. For that purpose, a dedicated experimental heterodyne time domain envelope test bench has been developed. These pulse to pulse stability measurements are finally used to optimize and fully validate a nonlinear electrical model of a HEMT GaN, allowing to quantify the relative impact of thermal and trapping effects during circuit envelope simulation in radar-oriented applications.

Depuis plusieurs années, la technologie de transistors à effet de champ à haute mobilité (HEMT) sur Nitrure de Gallium (GaN) a démontré un potentiel très important pour la montée en puissance et en fréquence des dispositifs. Malheureusement, la présence des effets parasites dégrade les performances dynamiques des composants ainsi que leur fiabilité à long-terme. En outre, l'origine de ces pièges et leur emplacement physique restent incertains jusqu'à aujourd'hui. Une partie du travail de recherche menée dans cette thèse est axée sur la caractérisation des pièges existant dans les dispositifs HEMTs GaN à partir de mesures de paramètre S basse fréquence (BF), les mesures du bruit BF et les mesures I(V) impulsionnelles. Parallèlement, nous avons effectué des simulations physiques basées sur TCAD afin d'identifier la localisation des pièges dans le transistor. De plus, notre étude expérimentale de caractérisation et de simulation montre que les mesures BF pourraient constituer un outil efficace pour caractériser les pièges existant dans le buffer GaN, alors que la caractérisation de Gate-lag pourrait être plus utile pour identifier les pièges de barrière des dispositifs GaN HEMT. La deuxième partie de ce travail de recherche est axée sur la caractérisation des dispositifs AlN/GaN HEMT sur substrat Si et SiC. Une méthode d’extraction simple et efficace de la résistance canal et de la résistance de contact a été mise au point en utilisant conjointement la simulation physique et les techniques de caractérisation. Le principe de l’extraction de la résistance canal est basée sur la mesure de la résistance RON. Celle-ci est calculée à partir des mesures de courant de drain IDS et de la tension VDS pour différentes valeurs de températures En outre, nous avons procédé à une évaluation complète du comportement thermique de ces composants en utilisant conjointement les mesures et les simulations thermiques tridimensionnelles (3D) sur TCAD. La résistance thermique (RTH) a été extraite pour les transistors de différentes géométries à l'aide des mesures et ensuite validée par les simulations thermiques sur TCAD. / GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have demonstrated their capabilities to be an excellent candidate for high power microwave and mm-wave applications. However, the presence of traps in the device structure significantly degrades the device performance and also detriments the device reliability. Moreover, the origin of these traps and their physical location remains unclear till today. A part of the research work carried out in this thesis is focused on characterizing the traps existing in the GaN/AlGaN/GaN HEMT devices using LF S-parameter measurements, LF noise measurements and drain-lag characterization. Furthermore, we have used TCAD-based physical device simulations in order to identify the physically confirm the location of traps in the device. Moreover, our experimental characterization and simulation study suggest that LF measurements could be an effective tool for characterizing the traps existing in the GaN buffer whereas gate-lag characterization could be more useful to characterize the AlGaN barrier traps of GaN HEMT devices. The second aspect of this research work is focused on characterizing the AlN/GaN/AlGaN HEMT devices grown on Si and SiC substrate. We attempt to characterize the temperature-dependent on-resistance (RON) extraction of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based physical simulations. Furthermore, we have proposed a simplified methodology to extract the temperature and bias-dependent channel sheet resistance (Rsh) and parasitic series contact resistance (Rse) of AlN/GaN HEMT devices. Further, we have made a comprehensive evaluation of thermal behavior of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based three-dimensional (3D) thermal simulations. The thermal resistance (RTH) has been extracted for various geometries of the device using measurements and validated using TCAD-thermal simulations.