Disertacijoje išanalizuoti gilieji centrai didžiavaržiuose Si, SiC ir GaN dariniuose, sietini su didelės energijos protonų bei neutronų spinduliuote sudarytais defektais, atskleistos radiacinių defektų transformacijos po iškaitinimų, didelių energijų spinduliuotės įtaka krūvio pernašai ir pagavai medžiagose, tinkamose jonizuojančiosios spinduliuotės detektoriams, tiriamiems pagal Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) projektus. 4H-SiC dariniuose, apšvitintuose 24 GeV/c protonais, išanalizuota elektrinių charakteristikų kaita. Iš šiluma skatinamųjų srovių spektrų nustatytos šiluminės aktyvacijos energijų vertės. Taip pat 4H-SiC dariniuose, apšvitintuose protonų įtėkiais, siekiančiais 1016 cm-2, įvertintas skirtingų spinduliuote sukurtų izotopų kiekis. Neapšvitintose GaN dariniuose nustatyta, kad medžiagos elektrinio laidumo parametrų kaitą nulemia krūvininkų judrio kitimas. Apšvitintuose neutronais GaN dariniuose šiluma skatinamųjų srovių spektroskopijos būdu buvo nustatyti dominuojančių defektų lygmenys. Aptikta, kad po apšvitos 24 GeV/c protonų įtėkiais, siekiančiais 1016 cm-2, GaN susidarė 7Be, 22Na ir kiti ilgaamžiai radionuklidai, kurių atominis skaičius A<70, bei žymiai pakito spinduliuotės detektorių krūvio pernašos savybės. Didžiavaržio silicio detektoriuose po apšvitos reaktoriaus neutronais susidarė visa eilė radiacinių defektų, kuriems priskirtinų giliųjų centrų parametrai buvo įvertinti fotojonizacijos spektroskopijos ir tamsinės srovės temperatūrinių kitimų... [toliau žr. visą tekstą] / Investigations made on new materials and their structures for production of particle detectors based on semi-insulating SiC and GaN comprise the technological and applied importance of this study. Innovations in defect control technology, especially, in recognition of extended defects and percolative carrier transport in heavily irradiated detector structures are considered and applied for scientific implementations. These investigations have been performed within a framework of CERN rd50 project. Irradiation by 24 GeV protons varying fluence up to 1016 cm-2 deteriorates rectifying properties of the 4H-SiC particle detectors. Different isotopes produced in 4H-SiC during irradiation by protons have been revealed by gamma spectroscopy. In the non-irradiated GaN material the temperature-dependent variations of leakage current have been unveiled to be caused by the carrier mobility temperature changes. Activation energy values have been extracted for proton radiation induced deep centres in the GaN detectors by thermally stimulated current spectroscopy as well as the isotopes and long-living radio-nuclides have been identified by gamma spectroscopy. In the Si detectors, irradiated by reactor neutrons, the photo-activation energy values have been determined for the deep levels located below the mid-gap by photo-ionisation spectroscopy while isochronal anneals enhance the density of the acceptor-type vacancy-related defects.

Le domaine des écrans est en pleine mutation. De nouvelles technologies d’écrans (principalement LCD et OLED) ont remplacé l’écran à tube cathodique du XXème siècle et ouvrent la voie vers de nouvelles fonctionnalités (écran 3D, flexible, transparent). Depuis quelques années, un genre particulier d’écran fait l’objet de nombreuses recherches, notamment pour adresser de nouveaux marchés tels que la réalité augmentée : les micro-écrans. Pour cela, les contraintes technologiques sont fortes. L’écran doit être miniature (quelques millimètres de diagonale) tout en permettant une qualité d’image semblable aux écrans traditionnels. Il doit aussi être compact, économe en énergie et très lumineux. Une nouvelle technologie d’écran est à l’étude depuis quelques années et doit permettre d’atteindre ses spécifications. Il s’agit des micro-écrans LED, constitués d’un réseau de LED micrométriques, dans lequel chaque diode constitue un pixel de l’image. L’objectif de cette thèse est d’étudier les spécificités des matrices de LED en nitrure de gallium (GaN) en vue de leur utilisation dans des micro-écrans.Les recherches menées au cours de cette thèse portent sur trois axes d’étude. Le premier concerne l’optimisation du rendement à travers l’étude du procédé de matriçage d’une épitaxie LED. L’amélioration de la métallisation P et de l’intégrité électrique du P-GaN a permis d’augmenter le rendement d’un facteur 10 sur les micro-LED. Le deuxième axe de travail concerne l’étude des effets de taille. La réduction de la taille des LED entraine une forte baisse du rendement maximum. Les études menées ont permis l’attribuer principalement à des recombinaisons non-radiatives sur les bords de pixel. Le troisième axe de recherche porte sur l’étude des micro-LED en tant que réseau bidimensionnel permettant la formation d’images. Les principales sources d’inhomogénéité et de dispersion ont été étudiées. Des solutions ont été proposées pour éliminer le cross-talk optique et améliorer l’extraction lumineuse, principal frein au rendement de nos micro-LED. Enfin, des micro-écrans LED fonctionnels, bleus et verts, à l’état de l’art mondial ont été obtenus et caractérisés au cours de cette thèse / The display industry is facing a fast transformation. New technologies (mainly LCD and OLED) have faded-out the cathode ray tube of the 20th century and lead to new applications (3D, flexible and transparent displays). A very particular type of display has recently emerged to address new markets, such as augmented reality: micro-displays. They can be defined as having a diagonal of around 1 inch or less. One important goal of these micro-displays is to deliver the same image quality as conventional, larger-size displays. Strong challenges arise in terms of definition, compactness, consumption and brightness. To address these, LED micro-displays are currently being studied. In a LED micro-display, a 2D-array of micro-LEDs is fabricated, where each LED acts as a single pixel of a whole image. The main objective of this thesis work is to study the specifics of Gallium Nitride (GaN) micro-LEDs arrays for micro-display applications.Our investigations have been carried out focusing on three major areas of study. Increasing LED efficiency through the study of our fabrication process was the first goal. By improving P metal and enhancing P-GaN electrical performances, we were able to increase efficiency of micro-LED by a factor of 10.The influence of size-reduction on the performances of LEDs have then been thoroughly investigated. As LED size decreases, its maximum efficiency drops. Non-radiative recombinations occurring at the edges of the LED were found to be the main origin. We have then studied LEDs, not as a single diode, but as a dense 2D array of micro-LEDs allowing image display, and optical and electrical spread have been investigated. Furthermore, optical cross-talk has been studied and fabrication was changed to address this issue. New structures have also been suggested to improve light extraction efficiency, which is one of the main hindrance towards high-efficiency micro-LEDs. Finally, state-of-the-art, blue and green, active matrix micro-LED displays have been obtained and characterized during the course of this thesis work.

L'intérêt porté au domaine Terahertz (THz) ayant beau être en pleine expansion depuis les années 1990, un gros effort de recherche doit encore être effectué pour tirer la quintessence des applications actuelles ou potentielles que représente cette gamme du spectre électromagnétique dans des domaines aussi variés que la spectroscopie, la cosmologie, l'imagerie médicale, la sécurité ou les télécommunications. En effet les sources, les détecteurs mais également les outils qui permettent d'amplifier ou de moduler un signal – dispositifs très présents dans les régions voisines du spectre électromagnétique que sont l'infrarouge et les micro-ondes - sont encore particulièrement limités par des facteurs tels que la compacité, la température de fonctionnement, l'intégrabilité mais également la puissance, la sensibilité ou encore le coût.Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de divers composants en nitrure de gallium (GaN) contenant un puits quantique avec pour objectif de déterminer leurs capacités d'émission, d'amplification ou de détection d'une radiation THz.Pour ce faire, trois différents dispositifs expérimentaux ont été utilisés, améliorés ou même créés dans le but de pouvoir faire varier des paramètres tels que la polarisation électrique, leur température de fonctionnement, les fréquences THz sondées et bien sûr les différentes géométries des échantillons.De plus amples détails sur le monde des THz, sur les dispositifs électroniques GaN utilisés ainsi que sur les montages expérimentaux mis en places sont développés dans ce manuscrit de thèse. Les principaux résultats expérimentaux obtenus montrent :- une émission vers 3 THz avec une fréquence accordable en fonction du champ électrique appliqué au puits quantique GaN,- un coefficient de transmission variable en fonction de la tension appliquée aux contacts en doigts interdigités de différentes structures GaN,- la détection hétérodyne de radiations avec une fréquence RF de 0,3 THz et IF pouvant monter jusqu'à 40 GHz. De plus, chaque type de résultats expérimentaux a été expliqué théoriquement à l'aide de modèles analytiques développés en collaboration avec des équipes internationales au cours de ces trois dernières années. / Even if the interest upon the Terahertz (THz) domain is increasing since the 1990s, a strong research effort still needs to be done to get the most of the current and potential applications that this area of the electromagnetic spectrum has to offer in the various domains of spectroscopy, cosmology, medical imaging, security and telecommunications. Indeed, sources, detectors and even the tools that permits to amplify or modulate a signal – these devices are well developed in the neighboring regions of infrared and microwaves – are still particularly limited by characteristics like compactness, operating temperature, integrability but also power, sensitivity or cost.This thesis focuses on the experimental study of different gallium nitride (GaN) devices containing a quantum well. The main objective was to determine their capacities in emission, amplification or detection of a THz radiation.To do so, three different experimental setups where used, improved or even created in order to be able to change parameters like the electric bias, their working temperature, the probed THz frequencies and of course the different geometries of the samples.More details about the THz domain, the studied GaN electronic devices and the used experimental setups are developed in this PhD thesis.The main obtained experimental results show:- an emission of radiation near 3 THz with a tunable frequency versus electric field applied to the GaN quantum well,- a transmission coefficient variable as a function of the voltage applied to the contacts of different GaN interdigitated fingers structures,- heterodyne detection of radiation with a RF frequency of 0.3 THz and an IF that can reach up 40 GHz.In addition, each type of experimental results has been investigated theoretically using analytical models developed in collaboration with international teams during the past three years.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des excitons dans des puitsquantiques polaires fabriqués à partir de semi-conducteurs à large bande interdite. En raison de la structure de ces matériaux à cristaux wurtzite, les électrons et les trous sont séparés le long de l'axe de croissance du puits quantique, de sorte que les excitons peuvent être considérés comme des excitons indirects (IX) : ils forment une famille de quasi-particules bosoniques à longue durée de vie, dont le moment dipolaire est orienté selon l'axe de croissance du puits. Les IX sont considérés comme un système modéle pour l'étude des états collectifs dans les gaz quantiques bosoniques. Ils sont aussi prometteurs pour le développement de dispositifs excitoniques. Leur longue durée de vie, leur répulsion dipolaire, permettent aux IXs de se déplacer sur de grandes distances avant de se recombiner, ce qui offre la possibilité d'étudier le transport d'exciton par imagerie optique. Dans cette thèse, nous abordons le transport des IXs dans des puits quantiques de GaN/(Al,Ga)N et de ZnO/(Mg,Zn)O. Ce choix de matériau est motivé par l'énergie de liaison élevée des IXs ainsi obtenue. Elle est suffisamment élevée pour, en thèorie, stabiliser les IXs jusqu'à la température ambiante. Mais ce choix poseaussi un certain nombre de défis expérimentaux, car (i) le temps de vie radiatifdépend fortement de la densité d'excitons, ce qui rend la mesure de la densitéexcitonique très complexe ; (ii) la recombinaison non radiative activée thermiquement supprime le signal de photoluminescence excitonique à température ambiante ; (iii) la propagation excitonique coexiste avec une propagation photonique le long du plan du puit quantique, ce qui complique l'analyse ; (iv) il existe un fort champ électrique le long de l'axe de croissance, et aussi desuctuations dans l'épaisseur du puits quantique, ce qui crée un fort élargissement inhomogène de l'émission excitonique. Nous avons abordé toutes ces questions et nous démontrons dans ce travail que les excitons se propagent effectivement dans le plan du puits quantique. Nous arrivons à cette conclusion en combinant des expériences de micro-photoluminescence en régime continu avec des mesures de spectroscopie résolues en temps, et en comparant nos données expérimentales avec divers modèles numériques basés sur les équations dedérive et de diffusion. Dans du matériau de qualité, des puits GaN/(Al,Ga)N obtenus sur substrats GaN, nous avons observé une propagation à temprature ambiante sur plus de 10 µm, et sur plus de 20 µm à 4 K. Nos résultats suggérent que la propagation des excitons sous excitation à onde continue est facilitée par l'écrantage du désordre par les excitons. Néanmoins, la propagation excitonique est encore limitée par la diffusion des excitons sur les défautsiii plutôt que par la diffusion exciton-exciton. Ainsi, l'amélioration de la qualité des interfaces du puits quantique pourrait encore permettre une propagation excitonique sur de plus grandes distances. / This thesis is devoted to experimental study of excitons in polar quantum wells(QWs) based on wide band-gap semiconductors. Due to wurtzite crystal structureof these materials, electron and hole are separated in the QW growth axis, sothat excitons can be considered as indirect excitons (IX), a family of long-living bosonic quasi-particles with dipole moment oriented along the QW growth axis. IX are considered as a model system for studies of collective states in quantum gases of bosons, and are also promising for the development of excitonic circuit devices. Long lifetimes and dipole repulsion allow IXs to travel over large distances before recombination providing the opportunity to study exciton transport by optical imaging. In this thesis we address IX transport in a set of GaN/(Al,Ga)N and ZnO/(Mg,Zn)O QWs. This choice of IX is motivated by high binding energy, and potential stability up to room temperature, but present a number of experimental challenges, including (i) dramatic dependence of the exciton radiative lifetime on the exciton density that makes exciton density measurement very complex, (ii) thermally activated nonradiative recombination that quenches exciton PL at room temperature,(iii) coexistence of photon propagation with exciton propagation along the QW plane, and strong inhomogeneous broadening of the exciton emission due to strong built-in electric field and the presence of both monolayeructuations of the QW thickness and the fluctuations of alloy composition in the barriers. We have addressed all these issues and demonstrated exciton propagation by combining continuous wave µ-photoluminescence and time-resolved spectroscopy measurements, supplemented by modelling of the exciton transport within drift-diffusion formalism. In the best quality GaN/(Al,Ga)N QWs grown on free-standing GaN substrates we achieved room-temperature propagation over ~10 µm and up to 20 µm at 4 K. Our results suggest that propagation of excitons under continuous-wave excitation is assisted by effcient screening of the in-plane disorder. Nevertheless, exciton propagation is still limited by the exciton scattering on defects rather than by exciton-exciton scatteringso that improving interface quality can boost exciton transport further.

Les nanofils nitrures présentent des propriétés optoélectroniques extraordinaires et sont considérés comme des matériaux prometteurs pour des diodes électroluminescentes (LEDs), grâce à leur haute qualité cristalline, leurs surfaces non-polaires, leur bonne flexibilité mécanique, leur rapport d’aspect élevé, etc.Cette thèse adresse la croissance, la fabrication, les caractérisations optiques et électriques et la simulation optique des dispositifs à base de nanofils nitrures, avec un accent particulier sur les LEDs à nanofils.Premièrement, cette thèse présente la croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques de nanofils nitrures cœur-coquille auto-assemblés contenant des puits quantiques InGaN/GaN sur les facettes plan m avec différentes concentrations d’In. Puis est décrite la fabrication de LEDs utilisant ces nanofils suivant deux différentes stratégies d’intégration (intégrations planaires et verticales).L’intégration planaire est basée sur des nanofils uniques dispersés horizontalement. J’ai proposé une plateforme photonique intégrée composée d’une LED à nanofil, d’un guide d’onde optimisé et d’un photodétecteur à nanofil. J’ai également développé un système d’alignement des nanofils.L’intégration verticale a pour objectif la réalisation de LEDs flexibles reposant sur une assemblée de nanofils verticaux encapsulées dans des polymères. Je montre que ceci permet la fabrication de LEDs flexibles monochromatiques, bi-couleurs ou blanches.Les nanofils épitaxiés sur des matériaux 2D par épitaxie de van de Waals sont faciles à décoller de leur substrat natif. Avec cette motivation, dans la dernière partie de cette thèse, j’ai étudié la croissance organisée des nanofils GaN sur du graphène micro et nano-structuré utilisant l’épitaxie par jets moléculaires. / Nitride nanowires exhibit outstanding opto-electronic and mechanical properties and are considered as promising materials for light-emitting diodes (LEDs), thanks to their high crystalline quality, non-polar facets, good mechanical flexibility, high aspect ratio, etc.This Ph.D. thesis addresses the growth, the device fabrication, the optical and electrical characterizations and the optical simulations of III-nitride NW devices, with a special emphasis on the LED applications.First, this thesis presents the growth of m-plane InGaN/GaN quantum wells with different In concentrations in self-assembled core-shell nanowires by metal-organic chemical vapor deposition. Then, by using these nanowires, LED devices based on two different integration strategies (namely, in-plane and vertical integration) are demonstrated.The in-plane integration is based on the horizontally dispersed single nanowires. I have proposed a basic integrated photonic platform consisting of a nanowire LED, an optimized waveguide and a nanowire photodetector. I have also developed a nanowire alignment system using dielectrophoresis.The vertical integration targets the fabrication of flexible LEDs based on vertical nanowire arrays embedded in polymer membranes. Flexible monochromatic, bi-color, white LEDs have been demonstrated. Their thermal properties have been analyzed.The nanowires grown on 2D materials by van der Waals epitaxy are easy to be lifted-off from their native substrate, which should facilitate the fabrication of flexible nanowire devices. With this motivation, in the last part of this thesis, I have investigated the selective area growth of GaN NWs on micro- and nano- scale graphene by molecular beam epitaxy.

Grâce aux propriétés physiques du matériau et à l'avancement de l'ingénierie et de la fabrication, les dispositifs semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) sont des candidats prometteurs pour la conception des modules de puissance à haute fréquence, à haut rendement et donc à haute densité de puissance. Cependant, la commutation rapide des appareils GaN entraîne une vitesse de rotation élevée dans la tension de commutation (dV / dt) et le courant (dI / dt), combiné avec des éléments parasites inductifs (L) et capacitifs (C) dans le module de puissance, donne lieu à des tensions électromagnétiques le bruit d'interférence (EMI) dans une large gamme de fréquences. Cette thèse est axée sur l'influence sur les performances EMI de la conception des modules de puissance basés sur GaN et les approches d'optimisation. Afin d'étudier les problèmes susmentionnés, un module de puissance complet comprenant les appareils de puissance GaN et l'emballage du module doit être caractérisé et modélisé afin que les performances EMI puissent être reconstruites par simulation avec ces modèles. Les méthodes de modélisation d'un transistor de mobilité à haute électron (HEMT) et d'un module de puissance conçu par un laboratoire sont décrites respectivement aux chapitres I et II, La modélisation de l'appareil implique la partie statique et la partie dynamique, où le premier est modélisé pour représenter les caractéristiques IV avant et les conducteurs inverses en diodes inverses et ce dernier est modélisé pour représenter les capacités intrinsèques non linéairement dépendantes de la tension entre chaque paire de bornes . La méthode de modélisation est basée sur les caractéristiques extraites de la fiche technique et peut être mise à l'échelle de tous les e-mode GaN HEMT. La modélisation de l'emballage implique principalement l'extraction des capacités parasites entre le module et le radiateur et les inductances parasites entre le condensateur de liaison CC et les dispositifs d'alimentation. Les extractions sont traitées à la fois par calcul numérique avec logiciel ANSYS Q3D et mesure d'impédance avec un analyseur de réseau vectoriel E5061B. Les résultats de ces deux approches correspondent bien de l'un à l'autre. Une fois que le modèle complet du module de puissance basé sur GaN est construit, il est validé avec un test de commutation expérimental où les signaux de commutation simulés et les bruits EMI sont comparés aux mesurés respectivement aux chapitres III et IV. Le banc d'essai en dehors du module de puissance GaN est modélisé pour compléter le modèle de simulation complet. Les précautions de mesure sont également présentées. Les formes d'onde de commutation sont obtenues en double impulsion et en tests de commutation permanente et sont comparées aux simulations où elles sont correctement adaptées. La minimisation du dépassement de la tension de commutation en utilisant entre DC + et DC - les condensateurs dans le module CX est analysée et enfin la valeur du condensateur CX est recommandée dans différentes situations. Les bruits EMI sont mesurés en termes de courants de mode commun (CM) et de mode différentiel (DM) dans le réseau linéaire à impédance stabilisée (LISN) et sont comparés avec ceux simulés où ils sont correctement adaptés de 100 kHz à 30MHz. On analyse les chemins de propagation du bruit CM du module d'alimentation et de la charge de l'inducteur de résistance. Les effets des condensateurs dans le module CX et du CM filter ones CY sont étudiés. Enfin, la répartition des condensateurs de filtre dans différents endroits est étudiée par simulation. / Thanks to the material’s physical properties and the advancement in the engineering and manufacturing, power semiconductor devices based on Gallium Nitride (GaN) are promising candidates for high frequency, high efficiency and thus high power density power module design. However, GaN devices’ fast switching results in high slew rate in switching voltage (dV/dt) and current (dI/dt), combined with parasitic inductive (L) and capacitive (C) elements within the power module, gives rise to electromagnetic interference (EMI) noise in a wide frequency range. This dissertation is focused on the influence on EMI performance of the GaN based power module design and the optimization approaches.In order to study the aforementioned issues, an entire power module including the GaN power devices and the module’s packaging are to be characterized and modeled so that the EMI performances can be reconstructed by simulation with these models. The modeling methods of a commercial enhancement-mode (e-mode) GaN High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT) and a lab-designed power module are discussed respectively in chapter I and II,• The device modeling involves the static part and the dynamic part, where the former is modeled to represent the forward I-V characteristics and the reverse diode-like conducting ones and the latter is modeled to represent the nonlinearly voltage dependent intrinsic capacitances between each pair of terminals. The modeling method is based on the characteristics extracted from datasheet and can be scaled to all e-mode GaN HEMT.• The packaging modeling involves mainly the extraction of the stray capacitances between the module and the heatsink and the parasitic inductances between the DC link capacitor and the power devices. The extractions are processed by both numerical calculation with software ANSYS Q3D and impedance measurement with a vector network analyzer E5061B. The results from these two approaches match well from one to the other.Once the full model of the GaN based power module is built, it is validated with experimental switching test where the simulated switching waveforms and the EMI noises are compared with the measured ones respectively in chapter III and IV. The test bench apart from the GaN power module is modeled to complete the full simulation model. The measurement precautions are presented as well.• The switching waveforms are obtained in double pulse and permanent switching tests and are compared to the simulated ones where they are correctly matched. The minimization of the switching voltage’s overshoot by using between DC+ and DC- the in-module capacitors CX is analyzed and finally the capacitor CX’s value is recommended in different situations.• The EMI noises are measured in terms of common mode (CM) and differential mode (DM) currents in the Line-Impedance-Stabilized-Network (LISN) and are compared with the simulated ones where they are correctly matched from 100 kHz up to 30MHz. The CM noise propagation paths from the power module and from the resistor-inductor load are analyzed. The effects of the in-module capacitors CX and the CM filter ones CY are studied. Finally the distribution of filter capacitors in different locations is studied by simulation.

Les besoins de villes durables, la réduction de l'effet de serre et la recherche d'un substitut aux énergies fossiles sont autant de raisons qui poussent la recherche et l'industrie à trouver d'autres alternatives. Une de ces solutions est une utilisation plus large de l'énergie électrique. Au fil des années, ce vecteur d'énergie a été largement répandu en utilisant l'électronique de puissance dans des applications dans de nombreux domaines tels que l'automobile, l'aéronautique, ferroviaire, militaire…etc. Les systèmes électroniques de puissance sont composés en partie de composants actifs de puissance tels que des diodes et des transistors. Les applications nécessitant des profils de missions sévères en termes de températures ambiantes, de variations de températures de fortes amplitudes ou de fortes tensions requièrent des composants avec des caractéristiques spécifiques. Pour certaines des applications pour lesquelles les contraintes sont élevées, les composants doivent être à base de matériaux grands gaps comme le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de galium (GaN), le silicium quant à lui présentant certaines limitations. Les atouts et avantages liés à un composant ne sont malgré tout pas suffisants pour sa diffusion dans les applications. Les problèmes de fiabilité sont important et représentent une phase inévitable avant de valider son utilisation. Bien que les composants GaN aient montré de nombreux avantages, la question de leur fiabilité reste posée pour leur utilisation dans des applications. De nombreuses recherches sont en cours pour répondre à cette question. Les travaux menés dans cette thèse participent à cette réponse. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier certains éléments de la fiabilité des transistors GaN à haute mobilité électronique (HEMT) pour les applications de puissance. L'étude de la fiabilité des dispositifs à semi-conducteurs nécessite des approches théoriques et expérimentales. Les composants doivent être conformes aux environnements sévères (correspondant à des applications réelles), et doivent également fonctionner de manière cohérente pendant de longues périodes. Parmi ces domaines, côté théorique, on peut citer la physique des semi-conducteurs, la modélisation mathématique et les simulations numériques multi physiques. En revanche, côté expérimental, cela débute par des caractérisations électriques, thermiques et physiques ainsi que des tests expérimentaux de vieillissement. Enfin, il est à noter l'importance de l'analyse des défaillances dans ce processus. Ces champs fournissent les éléments nécessaires pour étudier les modes de dégradation des dispositifs de puissance et réaliser une étude de fiabilité. Dans l'état actuel de la technologie, les transistors GaN souffrent encore d'un phénomène physique réversible appelé "piégeage", ce phénomène représente une source d'instabilité des caractéristiques physiques et électriques du dispositif. Il est un des éléments de fiabilité qu'il reste à résoudre pour les transistors HEMTs à base de GaN dans le domaine de la puissance. La pleine compréhension des effets de ces mécanismes et de leurs évolutions avec le vieillissement n'est pas encore complètement accomplie. Dans cette thèse, nous présentons des travaux théoriques et expérimentaux pour mieux comprendre la fiabilité liée à ce phénomène et l'interaction possible avec le vieillissement dans des conditions de cyclage de puissance. / Seeking green cities, reducing the greenhouse effect and finding a substitute to oil uses are all strong reasons that attract research and industry to find other alternatives. One of these solutions is a broader use of electrical energy. Over the years, this energy vector has been widespread by using power electronics in many automotive, aeronautical and military applications. A power electronics system is mainly composed of power components such as diodes and transistors. Depending on the applications, these components may have specific characteristics to withstand severe operating conditions such as high temperature, high power and high-frequency operations. In order to reach these characteristics, the power devices must be made of specific semiconductor materials. Initially, the most common semiconductor material (Silicon) is used, but it shows some performance limitations for power electronics applications. Over the last two decades, with research and development, there has been new materials that have demonstrated better characteristics than Silicon. Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) have shown many advantages for use in power electronics. They represent the materials estimated to be widely used for power electronics shortly; they have attracted significant interest benefiting from their excellent semiconductor properties. Power components based on these materials have recently attracted much attention. They have presented the fashion in which the scientific community has not ceased to work on it.The presence of advantages for a device is not sufficient before its emergence in real applications. The reliability issue is essential and represents an inevitable phase before validating its use. Although GaN components have shown many advantages, users are wondering: “Are we ready to use these components in real applications?” Much current research is underway to answer this question. In this thesis, we will participate in the answer. The main objective of this thesis is to study some elements of the GaN High Electron Mobility Transistors (HEMT) reliability for power applications. The power transistors reliability study is carried out by a lot of theoretical and experimental works. It can be performed at the semiconductor, packaging or system level. In this thesis, we present theoretical and experimental works carried out only at the semiconductor level.GaN transistors suffer from a reversible physical phenomenon called “trapping”, this phenomenon represents a source of instability of the device physical and electrical characteristics. It has presented an essential element for the reliability works of GaN HEMTs. The full understanding of the effect of this phenomenon and its evolution with ageing is not yet fully accomplished. In this thesis, we present theoretical and experimental works to understand better the reliability linked to this phenomenon and the possible interaction with ageing in power cycling conditions. This work was carried out within the framework of the French MEGaN project, founded by the public investment bank (bpi France). These studies were carried out on two different components; the first one is manufactured and supplied by a project partner CEA-LET, the second one is a commercial power device fabricated by GaN-Systems Inc.

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With the growth of smart phones, the demand for more broadband, data centric technologies are being driven higher. As mobile operators worldwide plan and deploy 4th generation (4G) networks such as LTE to support the relentless growth in mobile data demand, the need for strategically positioned pico-sized cellular base stations known as ‘pico-cells’ are gaining traction. In addition to having to design a transceiver in a much compact footprint, pico-cells must still face the technical challenges presented by the new 4G systems, such as reduced power consumptions and linear amplification of the signals. The RF power amplifier (PA) that amplifies the output signals of 4G pico-cell systems face challenges to minimize size, achieve high average efficiencies and broader bandwidths while maintaining linearity and operating at higher frequencies. 4G standards as LTE use non-constant envelope modulation techniques with high peak to average ratios. Power amplifiers implemented in such applications are forced to operate at a backed off region from saturation. Therefore, in order to reduce power consumption, a design of a high efficiency PA that can maintain the efficiency for a wider range of radio frequency signals is required. The primary focus of this thesis is to enhance the efficiency of a compact RF amplifier suitable for a 4G pico-cell base station. For this aim, an integrated two way Doherty amplifier design in a compact 10mm x 11.5mm monolithic microwave integrated circuit using GaN device technology is presented. Using non-linear GaN HFETs models, the design achieves high effi-ciencies of over 50% at both back-off and peak power regions without compromising on the stringent linearity requirements of 4G LTE standards. This demonstrates a 17% increase in power added efficiency at 6 dB back off from peak power compared to conventional Class AB amplifier performance. Performance optimization techniques to select between high efficiency and high linearity operation are also presented. Overall, this thesis demonstrates the feasibility of an integrated HFET Doherty amplifier for LTE band 7 which entails the frequencies from 2.62-2.69GHz. The realization of the layout and various issues related to the PA design is discussed and attempted to be solved.

De par ses propriétés physiques remarquables, le GaN est un matériau très attrayant pour la fabrication de composants photoniques. Sa synthèse est en revanche très complexe et reste un obstacle à son utilisation. L’hétéroépitaxie est, pour l’heure, la technique de synthèse la plus employée mais l’absence de substrats cristallins aux propriétés proches de celles du GaN conduit à l’élaboration de couches minces épitaxiées très défectueuses. Bien que les dispositifs à base de GaN soient d’ores et déjà fonctionnels, une augmentation de la qualité cristalline du matériau permettra une amélioration de leurs performances.L’épitaxie Van der Waals (VdW) est une alternative qui se différencie de l’épitaxie classique par la nature de l’interaction à l’interface entre substrat et matériau déposé. Cette dernière n’est alors plus régie par des forces fortes (liaisons covalente, ionique, etc) mais par des forces faibles, de type VdW. L’hétéroépitaxie VdW qui prône une interface de croissance compliante, apparait ainsi comme une méthode de synthèse alternative judicieuse pour l’amélioration de la qualité cristalline des couches épitaxiées. Ces travaux de thèse proposent d’explorer, en détail, la faisabilité de l’épitaxie VdW dans le cas particulier de la croissance de GaN sur graphène par EPVOM.L’utilisation d’un nouveau type de surface de très basse énergie pour supporter l’épitaxie du GaN nécessite le développement d’une nouvelle stratégie de croissance. Dans ce travail, un procédé en trois étapes a été mis en place pour la germination du GaN sur le graphène. Les cristaux microniques qui en résultent présentent une qualité cristalline remarquable, sont entièrement relaxés et adoptent une orientation cristallographique commune. Une relation d’épitaxie peut ainsi être mise en place à travers une interface faible qui est alors une interface d’épitaxie compliante. La faisabilité et les atouts de l’épitaxie VdW de GaN sur graphène sont donc démontrés expérimentalement. Plus précisément, nous avons démontré le rôle du substrat sous-jacent au graphène dans larelation d’épitaxie. Son caractère polaire, en particulier, semble indispensable pour qu’une relation d’épitaxie à distance puisse exister à travers le graphène.Cette étude exploratoire a à la fois permis d’illustrer tout le potentiel de l’épitaxie VdW de matériaux 3D sur 2D, d’en identifier certaines limites mais aussi de démontrer les possibilités liées à la création de nouvelles interfaces d’épitaxie 3D / 2D. / Due to its outstanding physical properties, GaN is a very attractive material to conceive photonic devices. However its synthesis is very complex and remains an obstacle to its use. For now, heteroepitaxy is the most used technique but the lack of crystalline substrates with properties close to those of GaN leads to the growth of highly defective epitaxial thin films. Although GaN based devices are already functional, an increase in the crystalline quality of the material will improve their performances.Van derWaals (VdW) epitaxy is an alternative that differs from classical epitaxy by the nature of the interaction at the interface between the substrate and the deposited material. The former is then no longer governed by strong forces (covalent bonds, ionic bonds, etc) but by weak forces of VdW type. VdW heteroepitaxy, which might allow a compliant growth interface, thus appears as a beneficial alternative to improve the cristalline quality of the epitaxial layers. This thesis proposes to explore in detail the feasability of the VdW epitaxy in the particular case of the growth of GaN on graphene by MOVPE.The use of a new type of surface with a very low surface energy, to support the GaN epitaxy requires the developpement of a new growth strategy. In this work, a three step process was set up for the nucleation of GaN on graphene. The resultant micronic GaN crystals exhibit high crystalline quality, being free of stress and having a unique cristallographic orientation. An epitaxial relationship can thus be implemented through a weak interface that turns out to be compliant. The feasibility of the VdW epitaxy as well as its advantages is demonstrated experimentally. Specifically, we have highlighted the role of the substrate underlying graphene in the epitaxial relationship - in particular its polar character seems required for a remote epitaxial relationship to exist through the graphene.This study allowed to highlight the full potential of the VdW epitaxy of 3D materials on 2D, to identify some limitations and also to demonstrate the possibilities opened by the formation of new 3D / 2D interfaces.