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.

Visible-blind and solar-blind ultraviolet photodetectors based on GaN/AlGaN were designed, fabricated, and characterized for commercial and military applications. High performance back-illuminated solar-blind MSM achieved external quantum efficiency of ~48%. The dark current of 40x40μm MSM was less than the instrument measurement limitation of 20fA for a bias <100V. No photoconductive gain was observed. With an n-type doped high-Al ratio "window" Al₀.₆Ga₀.₄N layer, back-illuminated solar-blind p-i-n photodiode achieved a quantum efficiency of ~55% at zero-bias. Absorption edge study of both MSM and p-i-n photodetectors, based on device spectral responses, resulted in a performance comparison of MSMs and p-i-ns, as the solar-blind photodetection requires a sharp solar-blind rejection. Photoconductive detectors and avalanche photodetectors, with the internal gain advantage, have been discussed as well. A 30μm diameter GaN avalanche photodiode achieved a gain >23, with a dark current less than 100pA. The breakdown showed a positive temperature coefficient of 0.03 V/K that is characteristic of avalanche breakdown. SiC APDs, as candidates for visible-blind applications, have been designed, fabricated and characterized. An avalanche gain higher than 10⁵, with a dark current less than 1nA, showed the potential of SiC APD replacing PMTs for high sensitivity visible-blind UV detection. A silicon-based optical receiver has been presented in the Appendix. With the photodiode internal avalanche gain ~4, a sensitivity ~-6.9dBm at 10Gbps has been achieved. / text

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21270号 / 工博第4498号 / 新制||工||1700(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 野田 進, 教授 藤田 静雄, 教授 川上 養一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Bauelementen sind eine Reihe von Testverfahren etabliert. In Lastwechseltests ist die Temperatur der dominierende Parameter für bekannte Lebensdauermodelle. Aufgrund des Aufbaus und der Eigenschaften von AlGaN/GaN-Bauelementen ist es notwendig, neue Methoden zur Temperaturbestimmung zu etablieren. Die Untersuchungen berücksichtigen dabei verschiedene Bauteilkonzepte. Dazu gehören High Electron Mobility Transistors (HEMT) mit Schottky/p-Gate, für die eine Verwendung des Gateleckstromes als temperatursensitiver elektrischer Parameter (TSEP) untersucht und zur Temperaturbestimmung empfohlen wird. Für Gate Injection Transistors (GIT) wird ein ähnlicher Ansatz verfolgt. Aufgrund der Gatestruktur dieser stromgesteuerten Bauelemente wird vorgeschlagen, den vorhandenen pn-Übergang am Gate des GIT HEMT unter Verwendung der Gate-Source-Spannung als TSEP zu nutzen. In beiden Fällen erreichen die temperatursensitiven Parameter eine Messauflösung, die mindestens der des pn-Übergangs bei Si-Bauelementen entspricht. Im Lastwechseltest bestimmt im Wesentlichen die verwendete Aufbau- und Verbindungstechnik außerhalb des diskreten Packages die mögliche Zyklenzahl. Werden SMD-Bauelemente auf PCB gelötet, dominiert die Lotverbindung zwischen Bauteil und PCB den Ausfall. Durch ein neues Aufbaukonzept mit in Module gesinterten AlGaN/GaN Packages sind Zyklenzahlen möglich, die bis Faktor 10 über dem Erwartungswert für vergleichbare Si-Bauelemente mit Standard AVT liegen.

High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.

High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.