Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en nitrure de gallium (GaN) s’affirment comme les candidats prometteurs pour les futurs équipements à micro-ondes - tels que les amplificateurs de puissance à état solide (SSPA), grâce à leurs excellentes performances. Une première démonstration d'émetteur en technologie GaN-MMIC a été développée et embarquée dans la mission spatiale PROBA-V. Mais cette technologie souffre encore des effets de pièges par des défauts présents au sein de la structure. L’objectif de ce travail est donc l'étude d’effets de pièges et des aspects de fiabilité des transistors de puissance GH50 pour des applications en bande C. Un protocole d’investigation des phénomènes de pièges est présenté, qui permet l’étude des dynamiques des effets de pièges du mode de fonctionnement DC au mode de fonctionnement radiofréquence, basé sur la combinaison des mesures IV impulsionnelles, des mesures de transitoires du courant de drain avec des impulsions DC et RF et des mesures de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT AlGaN/GaN non-linéaire électrothermique est présenté, incluant un nouveau modèle thermique de pièges restituant le comportement dynamique de ces pièges et leurs variations en température afin de prédire correctement les performances en conditions réelles de fonctionnement RF. Enfin, une méthodologie temporelle pour l’évaluation de la fiabilité et de limites réelles d'utilisation de transistors dans l'amplificateur de puissance RF en régime d’overdrive (très forte compression), basée sur la mesure monitorée de Formes d'Onde Temporelles (FOT), est proposée. / GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) are promising candidates for future microwave equipment, such as new solid state power amplifiers (SSPAs), thanks to their excellent performance. A first demonstration of GaN-MMIC transmitter has been developed and put on board the PROBA-V mission. But this technology still suffers from the trapping phenomena, principally due to lattice defects. Thus, the aim of this research is to investigate the trapping effects and the reliability aspects of the GH50 power transistors for C-band applications. A new trap investigation protocol to obtain a complete overview of trap behavior from DC to radio-frequency operation modes, based on combined pulsed I/V measurements, DC and RF drain current measurements, and low-frequency dispersion measurements, is proposed. Furthermore, a nonlinear electro-thermal AlGaN/GaN model with a new additive thermal-trap model including the dynamic behavior of these trap states and their associated temperature variations is presented, in order to correctly predict the RF performance during real RF operating conditions. Finally, an advanced time-domain methodology is presented in order to investigate the device’s reliability and to determine its safe operating area. This methodology is based on the continual monitoring of the RF waveforms and DC parameters under overdrive conditions in order to assess the degradation of the transistor characteristics in the RF power amplifier.

L’intégration monolithique hétérogène de composants III-N sur silicium (Si) offre de nombreuses possibilités en termes d’applications. Cependant, gérer l’hétéroépitaxie de matériaux à paramètres de maille et coefficients de dilatation très différents, tout en évitant les contaminations, et concilier des températures optimales de procédé parfois très éloignées requière inévitablement certains compromis. Dans ce contexte, nous avons cherché à intégrer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de Gallium (GaN) sur substrat Si par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) en vue de réaliser des circuits monolithiques GaN sur CMOS Si. / The monolithic integration of heterogeneous devices and materials such as III-N compounds with silicon (Si) CMOS technology paves the way for new circuits applications and capabilities for both technologies. However, the heteroepitaxy of such materials on Si can be challenging due to very different lattice parameters and thermal expansion coefficients. In addition, contamination issues and thermal budget constraints on CMOS technology may prevent the use of standard process parameters and require various manufacturing trade-offs. In this context, we have investigated the integration of GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) on Si substrates in view of the monolithic integration of GaN on CMOS circuits.

In dieser Dissertation wird zum einen die ultraschnelle Ladungsträgerkinetik in einem Galliumnitrid (GaN)-basierten Übergitter, zum anderen die piezoelektrische Elektron-Phonon-Wechselwirkung kohärenter zonengefalteter Phononen in Galliumarsenid (GaAs)-basierten Übergittern behandelt. Mittels spektral- und zeitaufgelöster Photolumineszenzmessungen an einem n-dotierten GaN/Al0,18Ga0,82N Übergitter mit Parametern ähnlich derer in optoelektronischen Bauelementen wurde die defektbedingte Ladungsträgerkinetik untersucht, die innerhalb von ca. 150 ps durch den Einfang in tiefe, nichtstrahlende Rekombinationszentren beeinflusst wird. Die Untersuchung einer Passivierung mit Siliziumnitrid zur Verhinderung von Degradationseffekten zeigte ein stabiles optisches Langzeitverhalten bei gleichzeitiger Zunahme nichtstrahlender Defekte. Ferner wurde mit spektral aufgelöster Anrege-Abfrage-Spektroskopie eine Einfangkinetik auf einer Zeitskala von 150 - 200 fs in Defektzustände nahe der Übergitterbandkante gemessen, gefolgt von der Abkühlung der Ladungsträger durch Phononemission innerhalb weniger Pikosekunden bei Raumtemperatur und 35 ps bei 5 K. Kohärente zonengefaltete Phononen wurden mit Anrege-Abfrage-Spektroskopie an zwei AlAs/GaAs-Übergittern untersucht, die in [100]-, bzw. [111]-Richtung gewachsen wurden. Dies ermöglicht die (gezielte) Untersuchung der piezoelektrischen Elektron-Phonon-Kopplung, da diese für longitudinal-akustischen Phononen nur in der [111]-Probe existiert. Die Amplitude kohärenter Phononen mit einem Wellenvektor von q=0 in der [111]-Probe fällt verglichen mit denen in der [100]- und der [111]-Probe mit q≠0 signifikant schneller ab. Kohärente Phononen verursachen in der [111]-Probe bei q=0 ein makroskopisches piezoelektrisches Feld, welches Ladungsträger beschleunigt, die durch Reibung kohärente Phononen dämpfen. Bei hohen Ladungsträgerdichten unterdrückt die Abschirmung der induzierten piezoelektrischen Felder diese zusätzliche Dämpfung. / In this dissertation, the ultrafast carrier dynamics in a gallium nitride (GaN)-based superlattice as well as the piezoelectric electron-phonon-coupling of coherent zone-folded phonons in gallium arsenide (GaAs)-based superlattices are addressed. Using spectrally and time-resolved photoluminescence experiments on an exemplary n-doped GaN/Al0.18Ga0.82N superlattice with parameters similar to those in optoelectronic devices, we investigated the defect-related carrier kinetics, that are affected by trapping in saturable nonradiative recombination centers on time scales of ~150 ps. The investigation of a passivation with silicon nitride to prevent degradation effects show a long-term optical stability with a concomitant increase in non-radiative defect densities. Furthermore, spectrally resolved pump-probe spectroscopy was used to measure trapping kinetics into defect states near the conduction band minimum on a time scale of 150 – 200 fs. These kinetics are followed by carrier cooling through phonon emission within a few picoseconds at room temperature and within 35 ps at 5 K. Coherent zone-folded phonons were studied with pump-probe spectroscopy on two AlAs/GaAs superlattices grown in [100] and [111] direction, respectively. This allows the specific investigation of the piezoelectric electron-phonon interaction, since this exists for longitudinal acoustic phonons only in the [111] sample. The amplitude of coherent phonons with a wave vector of q=0 in the [111] sample decays significantly faster than in the [100] and the [111] samples with q≠0. Coherent phonons in the [111] sample cause a macroscopic piezoelectric field to which the photogenerated electron-hole plasma couples. Friction of the accelerated carriers provides the additional damping mechanism. High carrier densities screen the induced piezoelectric field, thus reducing the damping mechanism via the piezoelectric interaction.

The change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments / Die Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments

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Hybride anorganisch/organischen Systeme können die individuellen Vorteile, etwa eine hohe elektronische Mobilität in anorganischen und starke Licht-Materie-Wechselwirkung in organischen Halbleitern, kombinieren. Ein sinnvoller Nutzen dieser Heterostrukturen benötigt ein umfassendes Verständnis der Grenzfläche. Zwei Grenzflächenprozesse werden in dieser Arbeit behandelt. Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) wird zwischen einem InGaN/GaN Quantengraben und dem Polymer Cn-ether PPV untersucht. Trotz des hohen internen elektrischen Feldes im Quantengraben, ist effizienter Energietransfer möglich, solange andere nicht-strahlende Zerfallsprozesse unterdrückt werden. Dies wird mittels temperaturabhängiger PL und PLE Spektroskopie gezeigt. PLE demonstriert eine eindeutige Erhöhung der Emission des Akzeptors. Bei höheren Temperaturen dominieren nicht-strahlende Zerfallskanäle. Ladungstransfer wird zwischen MoS2 und dem Molekül H2Pc untersucht. Die Kombination mit organischen Molekülen kann die Funktionalität von MoS2 erweitern. Photoelektronenspektroskopie (PES) zeigt einen Typ-II Heteroübergang an der MoS2/H2Pc Grenzfläche. Angeregte Elektronen gehen von den H2Pc Molekülen in die MoS2 Monolage über, wie mittels einer Verkürzung der PL Lebenszeit von H2Pc gezeigt wird. Photostrommessungen demonstrieren zudem, dass die transferierten Elektronen zu einer erhöhten Photoleitfähigkeit beitragen. Zusätzlich werden auch einzelne 2D Übergangsmetall Dichalkogenide (TMDCs) untersucht. Um TMDCs von hoher Qualität herzustellen, wurde intern eine Wachstumsmethode entwickelt. Mittels PL Spektroskopie werden die so hergestellten Schichten charakterisiert. Die Vielseitigkeit der Methode wird anhand des Wachstums von Mischkristallen und Heterostrukturen gezeigt. Der Einfluss der dielektrischen Funktion des Substrates wird erforscht. Durch die Kombination von PES und Reflexionsmessungen kann eine gleichzeitige Abnahme sowohl der Bandlücke als auch der Exzitonen Bindungsenergie gezeigt werden. / Hybrid inorganic/organic systems can combine the advantages of both materials such as high carrier mobilities in inorganic semiconductors and large light-matter interaction in organic ones. In order to benefit from these heterostructures, a thorough understanding of the interface is needed. Two processes occurring at the interface are looked at in this thesis. Förster resonance energy transfer (FRET) is studied between a single InGaN/GaN quantum well and the polymer Cn-ether PPV. Despite the large internal electric fields in the quantum well, efficient FRET is possible as long as other non-radiative decay channels are suppressed. This is shown by temperature dependent PL and PLE spectroscopy. PLE spectra clearly demonstrate an enhanced light emission from the acceptor. At elevated temperatures, non-radiative decay pathways become dominant. Excited-state charge transfer is studied on MoS2 in combination with the molecule H2Pc. The combination with molecules can extend the functionality of MoS2. Photoelectron spectroscopy (PES) reveals a type II energy level alignment at the MoS2/H2Pc interface. Excited electrons are transferred from H2Pc to MoS2, deduced from a shortening of the H2Pc PL decay time. Photocurrent spectra further show that the transferred electrons contribute to an enhanced photoconductivity. Additionally, bare 2D transition-metal dichalcogenides (TMDCs) are studied. In order to fabricate high-quality TMDC monolayers, a growth method was developed in-house. The grown monolayers are characterised by optical spectroscopy. The versatility of the method is demonstrated by the growth of alloys and heterostructures. The influence of the substrate dielectric function is investigated by comparing band-gaps measured by PES with the exciton transition energies obtained by reflectance measurements. An almost equal reduction in both energies with the substrate dielectric constant is seen.

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Verbindungshalbleiter mit einer großen Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) sind aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen Eigenschaften für die Halbleiterindustrie von großem Interesse. Die Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie, die auf dem physikalischen Gasphasentransport von Gallium basiert, ist eine alternative Methode der Gasphasenepitaxie von GaN. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen die Weiterentwicklung der Methode hinsichtlich der Verringerung der Kontamination und die Reduzierung der Versetzungsdichte in den GaN-Schichten. Dazu wurde eine neue Verdampfungszelle entwickelt und die komplexen, mehrstufigen Nukleations- und Wachstumsprozesse systematisch untersucht. Insgesamt wurden zu kommerziell verfügbaren GaN-Schichten vergleichbare Defektdichten erreicht. Zusätzlich wurde die Methode zur Abscheidung auf Saphir-Substraten mit einem Durchmesser von bis zu 2 Zoll aufskaliert.