Ce travail se concentre sur l'ingénierie Intersubband (ISB) des nanofils où nous avons conçu des hétérostructures de GaN / (Al, Ga) N intégrées dans un nanofil GaN pour le rendre optiquement actif dans la région spectrale infrarouge (IR), en utilisant un faisceau moléculaire assisté par plasma épitaxie comme méthode de synthèse. Les transitions ISB se réfèrent aux transitions d'énergie entre les niveaux confinés quantiques dans la bande de conduction de la nanostructure.Un contrôle précis des niveaux élevés de dopage est crucial pour les dispositifs ISB. Par conséquent, nous explorons Ge comme un dopant alternatif pour GaN et AlGaN, pour remplacer le Si couramment utilisé. Nous avons cultivé des couches minces de GaN dopé Ge avec des concentrations de porteurs atteignant 6,7 × 1020 cm-3 à 300 K, bien au-delà de la densité de Mott, et nous avons obtenu des couches minces conductrices AlxGa1-xN dopées Ge avec une fraction molaire Al jusqu'à x = 0,64. Dans le cas de GaN, la présence de Ge n'affecte pas la cinétique de croissance ou les propriétés structurales des échantillons. Cependant, dans des échantillons AlxGa1-xN dopés par Ge avec x> 0,4, la formation de grappes riches en Ge a été observée, avec une baisse de la concentration du porteur.Ensuite, nous avons réalisé une étude comparative du dopage Si vs Ge dans des hétérostructures GaN / AlN pour des dispositifs ISB dans la gamme IR à courte longueur d'onde. Nous considérons les architectures planaire et nanofils avec des niveaux de dopage et des dimensions de puits identiques. Sur la base de cette étude, nous pouvons conclure que les deux Si et Ge sont des dopants appropriés pour la fabrication d'hétérostructures GaN / AlN pour l'étude des phénomènes optoélectroniques ISB, à la fois dans les hétérostructures planaires et nanofils. Dans cette étude, nous rapportons la première observation de l'absorption d'ISB dans des puits quantiques GaN / AlN dopés au Ge et dans des hétérostructures de nanofils GaN / AlN dopés au Si. Dans le cas des nanofils, nous avons obtenu une largeur de ligne d'absorption ISB record de l'ordre de 200 meV. Cependant, cette valeur est encore plus grande que celle observée dans les structures planaires, en raison des inhomogénéités associées au processus de croissance auto-assemblé.En essayant de réduire les inhomogénéités tout en gardant les avantages de la géométrie des nanofils, nous présentons également une analyse systématique de l'absorption de l'ISB dans les micro et nanopillars résultant d'un traitement top-down des hétérostructures planaires GaN / AlN. Nous montrons que lorsque l'espacement du réseau de piliers est comparable aux longueurs d'onde sondées, les résonances des cristaux photoniques dominent les spectres d'absorption. Cependant, lorsque ces résonances sont à des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que l'absorption ISB, l'absorption est clairement observée, sans aucune dégradation de son amplitude ou de sa largeur de raie.Nous explorons également la possibilité d'étendre cette technologie de nanofils à des longueurs d'onde plus longues, pour les absorber dans la région IR à mi-longueur d'onde. En utilisant des hétérostructures de nanofils GaN / AlN, nous avons fait varier la largeur du puits GaN de 1,5 à 5,7 nm, ce qui a conduit à un décalage rouge de l'absorption ISB de 1,4 à 3,4 μm. Remplaçant les barrières AlN par Al0.4Ga0.6N, le composé ternaire représente une réduction de la polarisation, ce qui conduit à un nouveau décalage rouge des transitions ISB à 4,5-6,4 um.L'observation de l'absorption de l'ISB dans des ensembles de nanofils nous a motivés pour le développement d'un photodétecteur infrarouge à puits quantiques à base de nanofils. La première démonstration d'un tel dispositif, incorporant une hétérostructure de nanofils GaN / AlN qui absorbe à 1,55 μm, est présentée dans ce manuscrit. / Due to its novel properties nanowires have emerged as promising building blocks for various advanced device applications. This work focuses on Intersubband (ISB) engineering of nanowires where we custom design GaN/(Al,Ga)N heterostructures to be inserted in a GaN nanowire to render it optically active in the infrared (IR) spectral region. ISB transitions refer to energy transitions between quantum confined levels in the conduction band of the nanostructure. All the structures analised in this thesis were synthesized by plasma-assisted molecular beam epitaxy.Precise control of high doping levels is crucial for ISB devices. Therefore, we explored Ge as an alternative dopant for GaN and AlGaN, to replace commonly-used Si. We grew Ge-doped GaN thin films with carrier concentrations of up to 6.7 × 1020 cm−3 at 300 K, well beyond the Mott density, and we obtained conductive Ge-doped AlxGa1-xN thin films with an Al mole fraction up to x = 0.66. In the case of GaN, the presence of Ge does not affect the growth kinetics or structural properties of the samples. However, in Ge doped AlxGa1-xN samples with x > 0.4 the formation of Ge rich clusters was observed, together with a drop in the carrier concentration.Then, we performed a comparative study of Si vs. Ge doping in GaN/AlN heterostructures for ISB devices in the short-wavelength IR range. We considered both planar and nanowire architectures with identical doping levels and well dimensions. Based on this study, we concluded that both Si and Ge are suitable dopants for the fabrication of GaN/AlN heterostructures for the study of ISB optoelectronic phenomena, both in planar and nanowire heterostructures. Within this study, we reported the first observation of ISB absorption in Ge-doped GaN/AlN quantum wells and in Si-doped GaN/AlN nanowire heterostructures. In the case of nanowires, we obtained a record ISB absorption linewidth in the order of 200 meV. However, this value is still larger than that observed in planar structures, due to the inhomogeneities associated to the self-assembled growth process.Trying to reduce the inhomogeneities while keeping the advantages of the nanowire geometry, we also presented a systematic analysis of ISB absorption in micro- and nanopillars resulting from top-down processing GaN/AlN planar heterostructures. We showed that, when the spacing of the pillar array is comparable to the probed wavelengths, photonic crystal resonances dominate the absorption spectra. However, when these resonances are at much shorter wavelengths than the ISB absorption, the absorption is clearly observed, without any degradation of its magnitude or linewidth.We also explore the possibility to extend this nanowire technology towards longer wavelengths, to absorb in the mid-wavelength IR region. Using GaN/AlN nanowire heterostructures, we varied the GaN well width from 1.5 to 5.7 nm, which led to a red shift of the ISB absorption from 1.4 to 3.4 µm. Replacing the AlN barriers by Al0.4Ga0.6N, the reduction of polarization led to a further red shift of the ISB transitions to 4.5-6.4 µm.The observation of ISB absorption in nanowire ensembles motivated us for the development of a nanowire-based quantum well infrared photodetector (NW-QWIP). The first demonstration of such a device, incorporating a GaN/AlN nanowire heterostructure that absorbs at 1.55 µm, is presented in this manuscript.

Les convertisseurs à base de Si atteignent leurs limites. Face à ces besoins, le GaN, avec sa vitesse de saturation des électrons et le champ électrique de claquage élevés est candidat idéal pour réaliser des redresseurs, surtout s’il est épitaxié sur substrat à bas cout. Ce travail est dédié au développement des diodes Schottky sur AlGaN/GaN. Une couche de SiNx en faible traction a été obtenue. Un contact ohmique de Ti/Al avec une gravure partiel a donné une Rc de 2.8 Ω.mm avec une résistance Rsh de 480 Ω/□. Des diodes Schottky avec les étapes issues de ces études ont été fabriqué. La diode recuite à 400 °C avec 30 nm de profondeur de gravure a montré une hauteur de barrière de 0,82 eV et un facteur d'idéalité de 1,49. La diode a présenté une très faible densité de courant de fuite de 8.45x10-8 A.mm-1 à -400 V avec une tension de claquage entre 480 V et 750 V. / Si-based devices for power conversion applications are reaching their limits. Wide band gap GaN is particularly interesting due to the high electron saturation velocity and high breakdown electric field, especially when epitaxied on low cost substrates such as Si. This work was dedicated to the development and fabrication of the Schottky diode on AlGaN/GaN on Si. SiNx passivation in very low tensile strain is used. Ti (70 nm)/Al (180 nm) partially recessed ohmic contacts annealed at 800 ºC exhibited a 2.8 Ω.mm Rc with a sheet resistance of 480 Ω/sq. Schottky diodes with the previously cited passivation and ohmic contact were fabricated with a fully recessed Schottky contact annealed at 400 ºC. A Schottky barrier height of 0.82 eV and an ideality factor of 1.49 were obtained. These diodes also exhibited a very low leakage current density (up to -400 V) of 8.45x10-8 A.mm-1. The breakdown voltage varied between 480 V and 750 V.

Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V. / Performance, weight, volume, cost and reliability are key criteria to compare converters. Environment and economical context and the development of mobile applications lead electronics to have a wider field of application. Improving performances and tradeoff between conflicting characteristics (high efficiency and reduced weight for example) is thus constantly needed to impose this technology, which calls for design and optimization methods and tools. The specific case of aeronautics is no exception and there is in this field a high demand. Mass and volume reduction, efficiency and reliability improvement is one of the most important challenges, and the change from hydraulic and pneumatic systems to electric systems is expected to allow a global improvement of aircraft performances. Converter’s topology is a good candidate to improve and reduce the size of converters because it can reduce stress while improving the input and/or output waveforms. Meanwhile, conventional silicon components have taken advantage of wide advances in recent decades and are now close to their theoretical limits. To hope for a significant improvement, breaking technologies are now needed. In recent years, GaN and SiC Wide Band Gap semiconductors have seen significant development and are already often better than Si power devices. Lowvoltage semiconductors are generally better than higher voltage ones. Thus, we consider here cumulating advantages with a serial arrangement of low voltage GaN semi-conductors to improve power converter’s integration. First, a basic multilevel Flying Capacitor GaN-based converter is implemented. The integration of power capacitors is proposed to evaluate this technology, which could reduce the footprint of these components and could allow a common heatsink dissipation through the top of the components. Very fast turn-on and turn-off of GaN devices is critical for safe operation due to parasitic inductances. A study of physical parameters of the electrical circuit on parasitic inductances of power and control loop is conducted to lay down design rules in order to improve the reliability of converters. Secondly, dynamic balancing of Flying Capacitor which is critical for the waveforms and reliability is studied. Semi-conductor’s losses are considered to improve the estimation of dynamic balancing. A method for the design of a passive balancer is also proposed to optimize the balancing and associated losses. An experimental prototype with 5 switching cells is presented to achieve an input voltage of 270 V with 100 V rated voltage devices.

Le nitrure de gallium (GaN) et ses alliages ternaires et quaternaires suscitent de plus en plus d’intérêt dans les communautés scientifiques et industrielles pour leur potentiel d’utilisation dans des dispositifs électroniques haute fréquence, dans les transistors à forte mobilité électroniques, dans la photo-détection UV et les cellules solaires de nouvelles générations. L’aboutissement de ces nouveaux composants reste entravé à l’heure actuelle, entre autre, par la non maîtrise des techniques d’établissement de contacts électriques. C’est dans ce cadre général que s’inscrivent les travaux de cette thèse. Même si l’objectif principal de cette thèse concerne l’étude des défauts électriquement actifs dans les alliages de semiconducteurs à grand gap B(AlGa)N et de leur rôle dans les propriétés de transport, la réalisation des contacts ohmiques et des contacts Schottky constitue une étape essentielle dans la réalisation des dispositifs à étudier. Pour les contacts ohmiques, nous avons déposé des couches de type Ti/Al/Ti/Au (15/200/15/200) par évaporation thermique. Des résistances spécifiques des contacts de l’ordre de 3x10-4Wcm2 ont été déterminées par les méthodes des TLM linéaires et confirmées par les TLM circulaires. Une modélisation théorique a été entreprise dans ce sens pour analyser les mesures expérimentales. Ensuite on a réalisé des diodes Schottky en déposant des contacts métalliques de Platine (Pt) d’épaisseur 150 nm. Des facteurs d’idéalité de 1.3 et une hauteur de barrière de 0.76 eV ont été obtenus et d’une manière reproductible. Une fois ces dispositifs réalisés, une étude des mécanismes de transport a été entreprise et nous a permis de mettre en évidence l’existence des effets tunnel direct et assisté par le champ, en plus de l’effet thermoïonique classique. Ceci a été mis en évidence par des mesures de courant et de capacité en fonction de la température. Pour les photodétecteurs, nous avons réalisés les mêmes mesures de courant et de capacité à l’obscurité et sous illumination à des longueurs d’ondes adaptées. Ces mesures nous ont permis de comprendre les phénomènes de gain qu’on a observés sur ces échantillons et aussi de mettre en évidence des mécanismes thermiquement actifs, dont les énergies d’activation ont été déterminées par la technique de l’Arrhenius. L’étude des défauts électriquement actifs a été menée par la technique transitoire de capacité de niveaux profonds, la (DLTS). Cette technique a été récemment mise en oeuvre au laboratoire et nous a permis d’effectuer des mesures sous différentes conditions incluant diverses polarisations de repos, différentes fréquences, et différentes hauteurs et largeurs d’impulsion de polarisation. Un des résultats importants est la possibilité de caractérisation à la fois des pièges à majoritaires et des pièges à minoritaire en changeant simplement les conditions de polarisation et contrairement aux procédures habituelles où une excitation optique supplémentaire est souvent nécessaire pour augmenter la concentration des porteurs minoritaires. Il a ainsi été mis en évidence, en accord avec la plupart des résultats de la littérature, l’existence de 6 pièges à électrons, tous situés en dessous de 0.9 eV de la bande de conduction, de trois pièges à trous dans l’intervalle 0.6 - 0 .7 eV au dessus de la bande de valence et un piège à trous distribué à l’interface. Une procédure rigoureuse de fit a été mise au point et a permis de confirmer nos résultats obtenus par la procédure classique de l’Arrhenius / Gallium nitride (GaN) and its ternary and quaternary alloys are attracting more and more interest in the scientific and industrial communities for their potential for use in high frequency electronic devices, for transistors with high electronic mobility, for UV photo-detection and new-generation solar cells. The outcome of these new components is still be seen to be limited in many areas, mainly due to the lack of control of electrical contacts implementation techniques. It is in this context that this thesis takes place.Although the main objective of this thesis deals with the study of the electrically active defects in high band gap B(AlGa)N semiconductor alloys and their role in the transport properties, the production of ohmic and Schottky contacts is an essential step in the realization of the devices under study. For the Ohmic contacts, we have deposited Ti/Al/Ti/Au (15/200/15/200) layers by thermal evaporation. Using the Transfer Length Method (TLM), we obtained specific contact resistances in the order of 3x10-4Wcm2. The Circular TLM has also confirmed this result. Besides, a theoretical modelling has been carried out to analyse the experimental measurements. Schottky diodes were then produced by depositing 150 nm platinum (Pt) metal contacts. An ideality factor of 1.3 and a barrier height of 0.76 eV were obtained. On the other hand, a study of transport mechanisms has been performed. It allowed us to demonstrate the existence of the direct tunnelling and the Thermionic Field Emission, in addition to the conventional thermionic effect. This result was underpinned by current and capacity measurements as a function of temperature. For photo detectors, we performed the same measurements of current and capacity in darkness and under illumination at suitable wavelengths. These measurements allowed understanding the internal gain that was observed on the samples. Furthermore, they show the effect of the thermally active mechanisms whose activation energies were determined by the Arrhenius technique. Using the Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) technique followed up the study of the electrically active defects. This technique has recently been implemented in the laboratory. It allowed us to perform measurements under different conditions including various reverse bias, different frequencies, and different voltage pulse amplitudes and durations. One of the important results is the possibility of characterizing both majority and minority traps by simply changing the polarization conditions, as opposed to the usual procedures where an additional optical excitation is often necessary to increase the concentration of the minority carriers. In accordance with most of the encountered literature results, we found 6 electron traps all located below 0.9 eV of the conduction band, 3 hole traps in the 0.6-0.7 eV range above the valence band and one hole trap distributed at the interface. A rigorous procedure was developed and confirmed our results obtained by the standard Arrhenius technique

Le projet de cette thèse est de réaliser un convertisseur DC/DC isolé à haute fréquence de découpage basé sur la mise en œuvre de composants en GaN. Le but est d'augmenter très fortement les densité de puissance commutées par rapport aux solutions actuelles. Cette thèse mets en oeuvre les composants GaN afin de déterminer les meilleurs conditions de fonctionnement possible. Une fois les points critiques mis en avant, on étudie les structures de circuit de commande adapté pour les HEMT GaN d'EPC et un circuit intégré pour la commande est étudié et mis en oeuvre. Le layout global de la carte a un rôle important en termes d'intégration et d'optimisation CEM, il est donc discuté et des règles de routage sont proposées. Enfin, on étudie plusieurs structures de puissance et on les met en oeuvre pour vérifier le bon fonctionnement et le respect du cahier des charges. / This study consist in the development of a high frequency insulated DC/DC converter based on GaN power devices. The goal is to increase significantly the power density in comparison with actual converter solutions. This thesis evaluate the GaN components performances to determine the best working conditions. Once the critical points highlighted, gate circuit topologies suitable for EPC GaN HEMT are studied and an integrated IC is designed and implemented. The overall layout of the card has an important role in terms of integration and EMC optimization, so it is discussed and routing rules are proposed. Finally, we study several power structures and implement them to verify proper operation and their compliance with specifications.

Cette thèse est une contribution à l'étude de composés semiconducteurs InX Al1-X N à forte teneur en Indium. Ces composés présentent des propriétés très intéressantes pour des applications dans le domaine de l'amplification des hyperfréquences. L'objectif principal de la thèse est de définir des hétéro-structures de type AlGaInN / GaN, pour transistors à Effet de Champ Piézoélectrique (HEMT), épitaxiées sur substrats de saphir, silicium, et SiC, optimisées en vue de l'amplification hyperfréquence. Dans la première partie, nous étudions la croissance épitaxiale de couches minces du composé binaire GaN, en phase vapeur, à partir de précurseurs organométalliques (MOVPE), dans des conditions optimisées pour obtenir des couches fortement résistives. La deuxième partie est consacrée à l'étude de structures HEMT AlGaN/GaN sur SiC et sur silicium. Sur SiC, nous montrons la forte influence des propriétés du substrat sur les propriétés électriques des structures HEMT. Nous avons étudié une structure nouvelle incluant une fine couche de AlN entre les couches AlGaN et GaN et évalué les performances de transistors HEMT AlGaN/GaN et AlGaN/AlN/GaN sur SiC et sur Silicium (111). La partie suivante est consacrée à la croissance de composés ternaires InAlN. Nous avons étudié l'influence de la température de croissance et du rapport V/III sur les propriétés structurales de InAlN. Les conditions optimales ont été utilisées pour la réalisation de structures HEMT InAlN/AlN/GaN. Nous démontrons l'influence considérable de la couche AlN sur les propriétés électriques de ces structures. Enfin, nous discutons les performances obtenues sur des transistors à effet de champ InAlN/AlN/GaN sur SiC / This work reports on the metal-organic vapor phase epitaxy and on the characterisation of III-N GaInAlN heterostructures for High Electron Mobility Transistors. In a first part, the heteroepitaxy of semiinsulating GaN layers on sapphire, SiC and silicon is presented as the basis for the subsequent growth of III-N HEMT structures. The influence of suitable nucleation layers on the properties of GaN is presented and discussed. A second part deals with AlGaN/GaN HEMT structures grown on SiC and on Si (111) wafers. The influence of SiC substrate properties on the electrical performances of AlGaN/GaN HEMT is presented. A novel structure, including a thin AlN interlayer between the GaN buffer layer and the AlGaN barrier layer has also been introduced. The section is completed by device results obtained on selected heterostructures. A study of the impact of selected growth parameter (i.e. growth temperature, V/III ratio) on the structural and surface properties of InAlN layers is then presented. The optimized conditions have been used for the growth InAlN/AlN/GaN HEMT structures which have been thoroughly characterized. The electrical properties of the structures were found to be strongly dependent on the growth conditions of the AlN interlayer (e.g. deposition time, V/III ratio). Finally, state of the art device results obtained with InAlN/AlN/GaN heterostructures are presented

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

Ces travaux de recherche se rapportent à l’évaluation des potentialités des transistors à base de graphène ainsi que la mise en évidence des effets dispersifs sur les transistors HEMTs en technologie Nitrure de Gallium. Les principaux résultats issus de ces travaux sont obtenus suite au développement d’un banc de caractérisation spécifique. L’objectif principal pour la caractérisation des transistors en technologie AlGaN/GaN a été de développer des techniques innovantes de caractérisation. Des mesures IV et RF impulsionnelles ont été réalisées afin de caractériser et modéliser les phénomènes de pièges. Cette méthode fournit un moyen efficace d’évaluer les constantes de temps thermiques et de pièges pour la modélisation non linéaire. Ces mesures illustrent ainsi l’impact des effets de pièges sur le comportement dynamique grand signal des transistors GaN. Le second aspect de ces travaux de recherche est axé sur la caractérisation de différents composants à base de graphène afin d’extraire un modèle non linéaire. Des caractérisations DC et HF ont été réalisées. Des structures spécifiques de test ont été fabriquées pour la technique de « de-embedding » permettant l’extraction du modèle non linéaire. La cohérence du modèle électrique a été vérifiée via une comparaison des paramètres S mesurés et simulés. Il est primordial de construire des modèles performants prenant en compte les nouvelles caractéristiques de ces dispositifs dans le but d’établir un lien fort entre les aspects technologiques et systèmes afin d’améliorer les performances HF des transistors à base de graphène. / The aim of this work is to assess the potentialities of Graphene Field Effect Transistors (G-FET) as well as to put in evidence dispersive effects of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs). The main experimental results of this study have been obtained through the development of an advanced characterization set-up. The main objective for characterization of AlGaN/GaN HEMTs was to develop innovative characterization techniques such as very short pulses and electrical history measurements. Dedicated time-domain pulsed I-V measurements have been performed in order to characterize and model the time dependent trapping phenomena in such devices. The current collapse (Kink effect) and drain lag are directly related to quiescent and instantaneous bias points as well as thermal effects which play a prominent role. This method provides an efficient way to assess the different thermal and trapping time constants for the nonlinear modeling. The second aspect of this research work was the characterization of several graphene-based devices in order to assess the potentialities of such transistors and to derive a nonlinear device model. DC and high frequency characterization were performed. Specific test structures fabricated for accurate de-embedding at high frequencies along with the nonlinear model extraction were detailed in this work. This electrical model consistency has been checked through the comparison of measured and simulated multi-bias S-parameters. For this new material with outstanding electrical properties and promising capabilities, material and technological process are still subject to intensive research activities to improve high frequency graphene FET performances.

Les systèmes de transmission de l’information sans fil connaissent un essor considérable et sont intégrés dans la plupart des systèmes électroniques modernes. De manière plus spécifique, la consommation énergétique de la fonction amplification de puissance RF, qui constitue le cœur de ce travail de recherche, est un enjeu économique et écologique de premier plan. Dans ce sens, ce travail présente une architecture de polarisation de drain dynamique permettant de maintenir un rendement énergétique élevé sur une large dynamique de puissance de sortie. La conception et la réalisation d’un amplificateur de puissance RF large bande, d’un modulateur de polarisation de drain haute fréquence et d’un pilote de grille en technologie GaN sont présentés. L’architecture proposée démontre une amélioration du rendement énergétique global. Une focalisation sur la problématique de couplage non-linéaire entre l’amplificateur de puissance RF et le module d’alimentation agile met en évidence les répercussions de cette méthode sur l’intégrité du signal. Une étroite impulsion de polarisation de grille est appliquée afin d'atténuer l’impact de la polarisation dynamique de drain sur les formes d'onde de l'enveloppe du signal RF amplifié. Une validation expérimentale du démonstrateur proposée est effectuée pour un signal impulsionnel RF multi-niveaux de test. Cette méthode permet de maintenir un facteur de forme de l’enveloppe du signal de sortie RF quasi-rectangulaire sans impact majeur sur les performances globales énergétiques. / Wireless communications are experiencing tremendous growth and are integrated into most modern electronic systems. More precisely, saving energy consumption of RF power amplifier is the core of this thesis work. This work presents a dynamic drain bias architecture used to keep a high efficiency over a large output power range. Design and implementation of a wideband RF power amplifier, a drain supply modulator and a gate driver circuit in GaN technology are presented. The built-in prototype demonstrates an overall efficiency improvement. A specific focus on non-linear interaction between the RF power amplifier and the drain supply modulator highlights the effects of this technique on the output envelope signal shape. A narrow pulse gate bias peaking preceding drain bias voltage variations is applied in order to mitigate drain bias current, voltage overshoot and power droop, thus improving pulse envelope waveforms of the RF output signal. An experimental validation of the proposed demonstrator is performed for a RF pulsed test sequence having different power levels. This way enables to keep rectangular pulse envelope shape at the RF output signal without any major impact on overall efficiency performances.

Cette thèse démontre la faisabilité de l'utilisation de la technologie Nitrure de Gallium (GaN) dans les systèmes RF / micro-ondes reconfigurables. Les principales caractéristiques de ce type de technologie des semi-conducteurs se résident dans ses capacités de supporter des puissances élevées avec un rendement aussi élevé. En outre, la technologie GaN est un candidat très prometteur pour la réalisation des applications haute puissance/haute fréquence. Le travail de cette thèse est divisé en deux parties principales. La première est consacrée au développement, à l’analyse et à la caractérisation en DC et en RF jusqu'à 20 GHz des circuits actifs réalisés à base de la technologie GaN, tels que les diodes varicap et les commutateurs. Les diodes varicap fabriquées ont été modélisées en petit et grand signal par des équations analytiques contenant des coefficients empiriques ainsi un modèle en circuit a été développé, tandis aux commutateurs, un modèle de circuit en petit signal a été proposé. Ces composants actifs ont été réalisés en utilisant les processus GaN HEMTs de fabrication offerts par le Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). La deuxième partie aborde les aspects de l'intégration de ces dispositif actifs GaN et de la conception des circuits reconfigurables proposés, tels que déphaseur reconfigurable, -3dB 90° coupleur hybride reconfigurable, oscillateur accordable en fréquence, commutation de faisceau et accordabilité en fréquence d’un réseau d'antennes patch tout en utilisant ces diodes varicap et commutateur GaN développées au fil de cette thèse. A travers cette thèse, l'utilisation de la technologie GaN pour la conception des designs RF reconfigurables en fréquence pour les applications fonctionnant au-dessous de 10 GHz a été démontrée. / This thesis demonstrates the feasibility of using the Gallium Nitride (GaN) technology in reconfigurable RF/microwave systems. The main features of this type of semiconductor technology being its high power with high efficiency. In addition, GaN technology is a very promising candidate for realizing high power/high frequency applications. The thesis work is divided in two main parts. The first one is devoted to active GaN devices, such as varactor diodes and switches, development, analyze and characterization via DC and RF up to 20 GHz. The fabricated varactor were modeled by analytic equations containing empirical coefficients and also a physic circuit model was developed, while for the switches only a small signal physic circuit model was proposed. These GaN devices was manufactured by using the Canadian National Research Council (NRC) GaN HEMTs processes. The second part addresses the integration and design aspects of the reconfigurable proposed circuits, such as tunable phase shifter, reconfigurable 3-dB 90° hybrid coupler, tunable frequency oscillator, beam switching antenna array and matching reconfigurable patch antenna based on these developed GaN varactors and switches devices. The use of GaN on highly efficient reconfigurable designs for broadband RF/microwave applications operating below 10 GHz was demonstrated.