Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement "normally off". La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l'étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation - gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L'origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille - drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L'effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN "normally off" par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D'autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III.

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.

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.

<p>During the last decade, AlGaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have been intensively studied because their fundamental electrical properties make them attractive for highpower microwave device applications. Despite much progress, AlGaN HEMTs are far from fully understood and judged by the number of published papers the understanding of advanced structures is even poorer. This work is an exploration of the electrical and structural properties of advanced HEMT structure containing AlN exclusionlayer and double heterojunctions. These small modifications had great impact on the electrical properties.</p><p>In this work, AlGaN HEMT structures grown on SiC substrates by a hot-wall MOCVD have been characterized for their properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, capacitance/voltage, eddy-current resistivity, and by homebuilt epi-thickness mapping equipment.</p><p>A high electron mobility of 1700 [cm2/Vs] was achieved in an AlN exclusion-layer HEMT. A similar electron mobility of 1650 [cm2/Vs] was achieved in a combination of a double heterojunction and exclusion-layer structure. The samples had approximately the same electron mobility but with a great difference: the exclusion-layer version gave a sheet carrier density of 1.58*1013 [electrons/cm2] while the combination of double heterojunction and exclusion-layer gave 1.07*1013 [electrons/cm2]. A second 2DEG was observed in most structures, but not all, but was not stable with time.</p><p>The structures we grew during this work were also simulated using a one-dimensional Poisson-Schrödinger solver and the simulated electron densities were in fairly good agreement with the experimentally obtained. III-nitride materials, the CVD concept, and the onedimensional solver are shortly explained.</p>

During the last decade, AlGaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have been intensively studied because their fundamental electrical properties make them attractive for highpower microwave device applications. Despite much progress, AlGaN HEMTs are far from fully understood and judged by the number of published papers the understanding of advanced structures is even poorer. This work is an exploration of the electrical and structural properties of advanced HEMT structure containing AlN exclusionlayer and double heterojunctions. These small modifications had great impact on the electrical properties. In this work, AlGaN HEMT structures grown on SiC substrates by a hot-wall MOCVD have been characterized for their properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, capacitance/voltage, eddy-current resistivity, and by homebuilt epi-thickness mapping equipment. A high electron mobility of 1700 [cm2/Vs] was achieved in an AlN exclusion-layer HEMT. A similar electron mobility of 1650 [cm2/Vs] was achieved in a combination of a double heterojunction and exclusion-layer structure. The samples had approximately the same electron mobility but with a great difference: the exclusion-layer version gave a sheet carrier density of 1.58*1013 [electrons/cm2] while the combination of double heterojunction and exclusion-layer gave 1.07*1013 [electrons/cm2]. A second 2DEG was observed in most structures, but not all, but was not stable with time. The structures we grew during this work were also simulated using a one-dimensional Poisson-Schrödinger solver and the simulated electron densities were in fairly good agreement with the experimentally obtained. III-nitride materials, the CVD concept, and the onedimensional solver are shortly explained.

L'objectif de ce travail est d'étudier les transistors à effet de champ à haute mobilité électronique (HEMT) réalisés en Nitrure de Gallium par des mesures en bruit basse fréquence et de réaliser un oscillateur à faible bruit de phase en bande-X. Dans la première partie, nous décrivons succinctement les propriétés du matériau, le transistor ainsi que les sources de bruit basses susceptibles d'êtres présentes dans une structure de type HEMT. La méthodologie de mesure et le banc de bruit basse fréquence sont présentés. Une étude comparative est réalisée sur les comportements en bruit basse fréquence des composants épitaxiés sur différents substrats (Si, SiC, Al2O3). Enfin, une les variations de l'index de fréquence g du bruit en 1/fg relevées sur certains composants sont corrélées au mécanisme de transport des électrons dans la structure : pour cela, nous avons confronté les mesures en bruit basse fréquence avec des simulations physiques. La seconde partie s'intéresse aux composants épitaxiés sur un substrat de Carbure de Silicium. Une méthodologie d'extraction de composantes mathématiques du spectre de bruit basse fréquence est présentée puis validée. Des études en fonction de la polarisation et de la température ont permis de découvrir l'origine des pièges et de les localiser. Enfin, une corrélation avec une étude physique (SIMS) est présentée. Dans la troisième partie, nous développons un modèle large signal afin de réaliser un démonstrateur en bande X. Les performances à l'état de l'art de l'oscillateur sont ensuite présentées (POUT=20dBm, Lf(100kHz)=-105 dBc/Hz à 10 GHz).

The recent application of semiconductor materials, such as GaN, to power electronics has led to the development of a new generation of devices, which promise lower losses, higher operating frequencies and reductions in equipment size. The aim of this research is to study the capabilities of emerging GaN power devices, to understand their advantages, drawbacks, the challenges of their implementation and their potential impact on the performance of power converters. The thesis starts by presenting the development of a simple model for the switching transients of a GaN cascode device under inductive load conditions. The model enables accurate predictions to be made of the switching losses and provides an understanding of the switching process and associated energy flows within the device. The model predictions are validated through experimental measurements. The model reveals the suitability of the cascode device to soft-switching converter topologies. Two GaN cascode transistors are characterised through experimental measurement of their switching parameters (switching speed and switching loss). The study confirms the limited effect of the driver voltage and gate resistance on the turn-off switching process of a cascode device. The performance of the GaN cascode devices is compared against state-of-the-art super junction Si transistors. The results confirm the feasibility of applying the GaN cascode devices in half and full-bridge circuits. Finally, GaN cascode transistors are used to implement a 270V - 28V, 1.5kW, 1 MHz phase-shifted full-bridge isolated converter demonstrating the use of the devices in soft-switching converters. Compared with a 100 kHz silicon counterpart, the magnetic component weight is reduced by 69% whilst achieving a similar efficiency of 91%.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

Bauelemente auf Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen bieten vielversprechende Eigenschaften für Hochfrequenz- und leistungselektronische Anwendungen. Dazu zählen die hohe Elektronenmobilität im zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) und eine hervorragende Durchbruchsfeldstärke. Die effiziente ohmsche Kontaktierung der Source- und Drain-Gebiete von Hetero-Feldeffekttransistoren mit Gate-Dielektrikum (MISHFETs) stellt jedoch eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Kontaktstapel auf Basis von Ti/Al/Ni/Au und V/Al/Ni/Au hinsichtlich ihrer Eignung als ohmsche Kontaktierung verglichen. Mit Hilfe von elektrischen und mikrostrukturellen Methoden werden die Vorgänge bei der Ausbildung des elektrischen Kontakts untersucht. Während der etablierte Ti-haltige Kontaktstapel einen Hochtemperaturschritt bei mindestens 800°C benötig, um einen hinreichend guten Kontaktwiderstand zu erzielen, lässt sich mit der V-basierten Metallisierung eine Reduzierung der notwendigen Temperatur um bis zu 150 K erreichen. Die so optimierten Kontakte werden als Source- und Drain-Metallisierung für MISHFETs genutzt. Es wird gezeigt, dass die Reduzierung der Formierungstemperatur bei V-haltigen Kontakten einen positiven Effekt auf die Eigenschaften der Bauelemente hat. So wird die Schädigung des 2DEGs minimiert und es können Transistoren mit geringerem Leckstrom und höherem An/Aus-Verhältnis des Drain-Stroms hergestellt werden.