Les travaux présentés dans ce mémoire d'habilitation portent sur l'impact du bruit de fond électrique sur les technologies des composants actifs, les circuits et les systèmes des hautes fréquences. Durant nos 12 dernières années de recherche, nous nous sommes notamment intéressés à des filières émergentes à fort potentiel d'intégration (BiCMOS Silicium-Germanium) ou encore à forte puissance (GaN) : nous avons ainsi développé des modèles électriques (petit signal et fort signal) et en bruit (basse fréquence et haute fréquence) des composants actifs pour identifier les pistes d'améliorations technologiques, pour localiser les défauts structurels ou pour étudier le comportement de ces mêmes défauts après l'application de contraintes simulant un vieillissement accéléré. Sur la base de la connaissance des composants actifs (transistor bipolaire à hétérojonction et transistors à effet de champ), nous avons développé des circuits intégrés MMIC faible bruit à 10 GHz et 20 GHz (amplificateurs et oscillateurs) dont certains se positionnent à l'état de l'art : des comparaisons de topologies ont notamment été réalisées sur différentes versions intégrées d'oscillateurs contrôlés en tension de type MMIC SiGe. Nous proposons également une discussion sur la pertinence des facteurs de mérite usuellement employés. D'autres études sur des atténuateurs programmables MMIC SiGe ont fait l'objet de brevets. La troisième partie, orientée système, aborde l'étude du bruit d'un récepteur : nous traitons ainsi le cas d'un étage de réception affecté par la chaîne d'émission, en proposant différentes parades permettant de limiter les dégradations de son plancher de bruit ; une technique de filtre compact intégré à l'amplificateur faible bruit a ainsi été brevetée. Enfin, le cas d'un système de liaison hertzienne embarqué sur automobile est abordé. Diverses stratégies sont ainsi proposées pour pallier les évènements conduisant à une rupture de la liaison (diversité temporelle, diversité spatiale et diversité de polarisation). Ces études reposent sur une approche mixte de traitement de mesures par des modèles théoriques, et des simulations électromagnétiques.

Innovative electronic device concepts that use polarization charges to provide improved performance were validated. The strength of the electric fields created by polarization charges (PCs) was suggested to act as an additional design parameter in the creation of devices using III-nitride and other highly polar materials. Results indicated that polarization induced electric fields can replace conventional doping schemes to create the charge separation region of solar cells and would allow for a decoupling of device performance from doping requirements. Additionally, a model for calculating current through polarization induced tunnel diodes was proposed. The model was found to agree well with experimental current values. Several polarization induced tunnel junction (PTJ) designs were analyzed. A novel double-barrier PTJ was conceived that would allow for the creation of a multi-junction solar cell using strained InGaN absorption layers. Future research would include the fabrication of these devices and the inclusion of thermal effects in the model for calculating current through PTJs.

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The unique properties, such as large direct bandgap, excellent thermal stability, high μH × ns, of III-nitrides make them ideal candidates for both optoelectronic and high-speed electronic devices. In the past decades, great success has been achieved in commercialization of GaN based light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). However, due to the lack of native substrates, thin films grown on sapphire or SiC substrates have high defect densities that degrade the device performance and reliability. Conventional epitaxy lateral overgrowth (ELO) can reduce dislocation densities down to ∼10-6 cm-2 in the lateral growth area, but requires ex situ photolithography steps. Hence, an in situ method using a SiNx interlayer (nano-scale ELOG) has emerged as a promising technique. The GaN templates prepared by this method exhibit a very low dislocation density (low-10-7 cm-2) and excellent optical and electrical properties. As a cost, such high quality GaN templates containing SiN, nanonetworks are not suitable for heterojunction field effect transistor (HFET) applications due to degenerate GaN:Si layer which serves as parallel conduction channel. This dissertation discusses the growth of low dislocation density GaN templates, by using the in situ SiNx nanonetwork for conductive templates, and the AIN buffer for semi-insulating templates. On SiN x nanonetwork templates, double-barrier RTD and superlattice (SL) exhibited negative differential resistances. Moreover, the injection current of Blue LEDs (450 nm) was improved ∼30%. On semi-insulating GaN templates, nearly lattice matched AlInN/AIN/GaN HFETs were successfully demonstrated and exhibited ∼ 1600 cm2/Vs and 17 600 cm2/Vs Hall mobilities at 300 K and 10 K, respectively. Those mobility values are much higher than literature reports and indicate that high quality HFETs can be realized in lattice matched AlInN/AIN/GaN, thereby solving the strain related issue. The attempt to use InGaN as the 2DEG channel has also been successfully implemented. A Hall mobility (1230 cm2/Vs) was achieved in a 12 nm InGaN channel HFET with AlInGaN barrier, which demonstrates the viability of InGaN channel HFETs.

Background: Generative Adversarial Networks (Goodfellow et al., 2014) (GANs)are the current state of the art machine learning data generating systems. Designed with two neural networks in the initial architecture proposal, generator and discriminator. These neural networks compete in a zero-sum game technique, to generate data having realistic properties inseparable to that of original datasets. GANs have interesting applications in various domains like Image synthesis, 3D object generation in gaming industry, fake music generation(Dong et al.), text to image synthesis and many more. Despite having a widespread application domains, GANs are popular for image data synthesis. Various architectures have been developed for image synthesis evolving from fuzzy images of digits to photorealistic images. Objectives: In this research work, we study various literature on different GAN architectures. To understand significant works done essentially to improve the GAN architectures. The primary objective of this research work is synthesis of plant images using Style GAN (Karras, Laine and Aila, 2018) variant of GAN using style transfer. The research also focuses on identifying various machine learning performance evaluation metrics that can be used to measure Style GAN model for the generated image datasets. Methods: A mixed method approach is used in this research. We review various literature work on GANs and elaborate in detail how each GAN networks are designed and how they evolved over the base architecture. We then study the style GAN (Karras, Laine and Aila, 2018a) design details. We then study related literature works on GAN model performance evaluation and measure the quality of generated image datasets. We conduct an experiment to implement the Style based GAN on leaf dataset(Kumar et al., 2012) to generate leaf images that are similar to the ground truth. We describe in detail various steps in the experiment like data collection, preprocessing, training and configuration. Also, we evaluate the performance of Style GAN training model on the leaf dataset. Results: We present the results of literature review and the conducted experiment to address the research questions. We review and elaborate various GAN architecture and their key contributions. We also review numerous qualitative and quantitative evaluation metrics to measure the performance of a GAN architecture. We then present the generated synthetic data samples from the Style based GAN learning model at various training GPU hours and the latest synthetic data sample after training for around ~8 GPU days on leafsnap dataset (Kumar et al., 2012). The results we present have a decent quality to expand the dataset for most of the tested samples. We then visualize the model performance by tensorboard graphs and an overall computational graph for the learning model. We calculate the Fréchet Inception Distance score for our leaf Style GAN and is observed to be 26.4268 (the lower the better). Conclusion: We conclude the research work with an overall review of sections in the paper. The generated fake samples are much similar to the input ground truth and appear to be convincingly realistic for a human visual judgement. However, the calculated FID score to measure the performance of the leaf StyleGAN accumulates a large value compared to that of Style GANs original celebrity HD faces image data set. We attempted to analyze the reasons for this large score.

Les transitions intersousbandes dans les hétérostructures de nitrure d’éléments III ont été intensément étudiées dans le proche infrarouge pour des applications télécoms. L’accordabilité dans le proche infrarouge est rendu possible grâce à la discontinuité de potentiel en bande de conduction qui peut atteindre 1.75 eV pour le système GaN/AlN. Les matériaux nitrures suscitent actuellement un grand intérêt à plus grande longueur d'onde infrarouge. C'est par exemple le développement de détecteurs et d'imageurs rapides à cascade quantique dans la gamme 2-5 µm. C'est aussi l'extension des dispositifs intersousbandes dans le domaine de fréquences THz. Ce travail de thèse porte sur l’étude des transitions intersousbandes dans les puits quantiques GaN/Al(Ga)N épitaxiés par jets moléculaires. Le but est d’accorder ces transitions dans une gamme spectrale très large allant du proche au lointain infrarouge. Je montre que les transitions ISB peuvent être accordées dans la gamme 1-12 µm dans les puits quantiques GaN/AlGaN en phase hexagonale synthétisés selon l'axe polaire c [0001]. Ceci impose l'ingénierie du champ électrique interne, dont la valeur peut atteindre dans le GaN 10 MV/cm. Une solution alternative consiste à utiliser une orientation particulière, dite semipolaire, qui conduit à une réduction du champ électrique interne le long de l'axe de croissance [11-22]. J’ai montré que cette réduction du champ interne permet d’accorder les résonances intersousbandes des puits quantiques GaN/AlN dans le proche infrarouge et j’ai pu estimer le champ en comparant les résultats de spectroscopie et simulations. J’ai d’autre part étudié les propriétés interbandes et intersousbandes des puits quantiques de symétrie cubique, qui par raison de symétrie, ne présentent pas de champ électrique interne. Finalement j’ai mis en évidence les premières transitions intersousbandes aux fréquences THz dans les puits quantiques GaN/AlGaN polaires mais aussi cubiques. / Most of the research on GaN-based intersubband transitions has been focused on near-infrared applications, benefiting from the large conduction band offset between GaN and AlN1.75 eV. Devices such as all-optical switches, electro-optical modulators, quantum cascadedetectors, or light emitters have been demonstrated at short infrared wavelengths. Nitridematerials are currently attracting a great interest at longer infrared wavelengths, for example, forthe development of high-speed quantum cascade detectors and imagers in the range 2-5 µm. Inaddition, there is a great interest to extend the operation of nitride intersubband devices to theTHz frequency range especially for the development of quantum cascade lasers operating at non-cryogenic temperature.This work is focused on the study of intersubband transitions in GaN/Al(Ga)N quantumwells grown by molecular beam epitaxy. The goal is to tune these transitions in a broad spectralrange, from near to far infrared. I show that intersubband transitions may be tuned withinthe range 1-12 µm in the polar GaN/AlGaN quantum wells. This requires the engineering of theinternal electric fields, which can be as high as 10 MV/cm in GaN/AlN quantum wells. Analternative approach is to use a particular orientation, known as semipolar, which leads toa reduction of the internal electric field along the growth axis [11-22]. I show that this reductionof the internal field induces a redshift of the intersubband energy allowing to reach the mid-infrared domain. I was able to estimate the electric field in semi-polar structures by comparingthe results of spectroscopy and simulations. I also investigate interband andintersubband optical properties of cubic GaN/AlN quantum wells, for which the internal field isabsent due to the high symmetry of the cubic crystal. Finally, I report the first observation of theintersubband absorption at terahertz frequencies in polar GaN/AlGaN step quantum wells andin cubic quantum wells.

La nano-structuration de matériaux semiconducteurs à grand gap à base de GaN fait l'objet d'un très grand intérêt de par son potentiel pour l'élaboration de composants optoélectroniques innovants émettant dans la gamme spectrale de l'ultraviolet (190-340nm). Le contrôle de la croissance à l'échelle nanométrique doit être ainsi démontré. L'épitaxie sélective ou SAG (Selective Area Growth) étendue au domaine nanométrique (NSAG pour NanoSAG) est un excellent choix pour l'élaboration de nanostructures de semiconducteur. Cette technique consiste en la croissance localisée du matériau sur un substrat partiellement recouvert d'un masque en diélectrique. La NSAG permet l'élaboration d'hétéro-structures en fort désaccord de maille grâce aux mécanismes singuliers de relaxation des contraintes à l'intérieur des nanostructures qui réduisent considérablement la densité de dislocations créées. La première partie de la thèse porte sur la mise en œuvre de l'épitaxie sélective du GaN sur pseudo-substrat de GaN à l'échelle micrométrique puis nanométrique par la technique d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans un deuxième temps, la NSAG est utilisée pour l'épitaxie de nanostructures de GaN sur substrats de SiC-6H et pseudo-substrat d'AlN. Les nanostructures sont définies par des facettes cristallographiques lisses et présentent une bonne homogénéité dimensionnelle. L'influence des conditions de croissances et des motifs définis dans le masque sur la croissance des nanostructures est étudiée. La microscopie électronique en transmission et la nano-diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron sont utilisées pour l'analyse structurale approfondie des nanostructures.

Ces travaux de recherche se rapportent à l'étude de transistors HEMTs en Nitrure de Gallium pour l'amplification de puissance micro-onde. Une étude des caractéristique des matériaux grand gap et plus particulièrement du GaN est réaliséé afin de mettre en exergue l'adéquation de leurs propriétés pour les applications de puissance hyperfréquence telle que l'amplification large bande. Dans ce contexte, des résultats de caractérisations et modélisations électriques de composants passifs et actifs sont présentés. Les composants passifs dédiés aux conceptions de circuits MMIC sont décrits et différentes méthodes d'optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique sont explicitées. Les modèles non linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions sont de même détaillés. Le fruit de ces travaux concerne la conception d'amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, l'un étant reportés en flip-chip sur un substrat d'AlN, le second en technologie MMIC. La version MMIC permet d'atteindre 6.3W sur la bande 4-18GHz à 2dB de compression. Ces résultats révèlent les fortes potetialités attendues des composants HEMTs GaN.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la croissance et des propriétés structurales et optiques des hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m, déposées sur 6H-SiC plan m par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'azote.<br /><br />Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.<br />Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.<br />Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.

Les nanostructures de puits ou boîtes quantiques de GaN/AlN présentent des potentialités très intéressantes pour les applications aux composants optoélectroniques télécoms. Ceci tient à la forte discontinuité en bande de conduction qui permet d'observer des absorptions intrabandes entre niveaux électroniques confinés dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,55 µm. Les échantillons étudiés durant la thèse ont été fabriqués par épitaxie par jets moléculaires avec pour source d'azote soit de l'ammoniac (CRHEA) soit un plasma d'azote (CEA). Les échantillons ont été caractérisés par différentes techniques structurales (RBS, TEM, diffraction de rayons-X) ainsi que par des mesures optiques: spectroscopie de transmission à transformée de Fourier, d'absorption photo-induite et de photoluminescence. Nous montrons que les puits quantiques GaN/AlN présentent une absorption intersousbandes intenses à température ambiante et que celle-ci est ajustable entre 1,3 et 2,1 µm en fonction de l'épaisseur du puits GaN (4 à 10 monocouches). Nous observons aussi que le champ interne conjugué aux rugosités d'interfaces conduit à une forte localisation des porteurs dans le plan des couches à température ambiante. L'absorption des puits dopés est systématiquement décalée à haute énergie par rapport aux puits non dopés. Nous interprétons ce décalage comme la conséquence des effets à N-corps dominés par l'interaction d'échange. Nous discutons enfin les résultats sur un premier dispositif de photo-détection intersousbandes à puits quantiques GaN. Nous rapportons aussi les résultats originaux que nous avons obtenus sur la spectroscopie intrabande du confinement électronique dans les boîtes quantiques auto-organisées de GaN/AlN. Nos résultats montrent la présence d'absorption intrabandes liés au confinement vertical des électrons aux longueurs d'onde dans la gamme 2,4-1,2 µm. Les transitions fondamentales s-px régies par le confinement dans le plan sont observées à plus grande longueur d'onde. Nous montrons enfin qu'en jouant sur le champ interne et en réduisant la taille des îlots, l'absorption intrabande s-pz est aux longueurs d'onde télécoms pour des boîtes de hauteur 1,5 à 2 nm.