Les transistors à haute mobilité électronique à base de GaN (HEMTs) constituent une filière prometteuse pour l’amplification de puissance dans la gamme des fréquences micro-ondes et des applications dans le domaine millimétrique. Les propriétés physiques exceptionnelles du GaN, sont à l’origine de performances attrayantes obtenues avec les dispositifs à base de GaN, comparées aux autres technologies III-V, en termes de densité de puissance jusqu’à 94GHz pour des applications en télécommunications ou militaires.Cette thèse traite de la fabrication et de la caractérisation des transistors HEMTs AlGaN/GaN sur substrat de silicium (111) avec une fine épaisseur de barrière d’AlGaN et des longueurs de grilles très courtes. Des transistors à grilles décentrées ont été ainsi fabriqués et optimisés en réduisant l’espacement grille-source. Par conséquent, une amélioration significative de la transconductance et des fréquences de coupure FT et FMAX a été obtenue. De plus, un maximum de transconductance de 435 mS/mm avec une bonne qualité de pincement pour une longueur de grille de 110 nm a été démontré. D’autre part, des transistors HEMTs à grille double chapeaux ont été fabriqués. De bons résultats en termes de fréquence de coupure FMAX=206GHz et FT=100GHz ont été obtenus sur des HEMTs ayant une longueur de grille de 90nm et une distance source-grille de 0.25µm. Le maximum de transconductance associé est de 440mS/mm. Ces résultats attrayants obtenus montrent clairement que la technologie des transistors HEMTs GaN sur substrat silicium est une voie viable et prometteuse pour la réalisation de dispositifs à bas coût dans le domaine millimétrique. / GaN-based High-Electron Mobility Transistors (HEMTs) have emerged as one of the best candidates for solid-state power amplification in the microwave and millimeter-wave ranges. Compared with other III-V semiconductors, the outstanding physical properties of Gallium Nitride, make GaN-based devices suitable in terms of microwave power density up to 94GHz for telecommunication or military applications. This work reports on the fabrication and the characterization of AlGaN/GaN HEMTs on silicon (111) substrate with a thin barrier layer and a short gate length. Devices with non-centered gate were fabricated and optimized by reducing gate-source spacing. Consequently, significant improvement of the transconductance and cut-off frequencies FT and FMAX were achieved. Furthermore, a maximum extrinsic transconductance of 435mS/mm was obtained associated with a good channel pinch-off for 110 nm gate length HEMT devices. Moreover, devices with a record maximum oscillation cutoff frequency were fabricated. These transistors are based on a double-T-shaped gate associated with an optimized technology to enable high efficiency 2DEG control while mitigating the parasitic resistances. Good results of FMAX = 206GHz and FT =100GHz are obtained for 90nm gate-length HEMTs with 0.25µm source-to-gate spacing. The associated maximum transconductance value is as high as 440mS/mm. These high performances obtained on AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate are clearly showing that high-resistive silicon substrate associated with a thin AlGaN barrier layer provide an attractive alternative for the fabrication of low-cost millimeter-wave devices.

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) à base de nitrure de gallium constituent une filière prometteuse pour l’amplification de puissance hyperfréquence pour les applications en bande millimétrique. Les propriétés remarquables du GaN, tels que le champ de claquage , la vitesse de saturation et la densité des électrons élevés sont à l’origine des performances exceptionnelles obtenues avec les dispositifs à base de GaN. Les travaux de thèse ont été réalisés au sein du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à l’IEMN. Ce travail relate la fabrication et la caractérisation de dispositifs de type HEMT de la filière GaN pour des applications de puissance hyperfréquence. La première partie de ce travail expose les phénomènes physiques mis en jeu dans les hétérostructures à base de GaN. La suite porte sur l’optimisation des procédés technologiques ayant comme point de mire la montée en fréquence ainsi qu’en puissance hyperfréquence. Un travail a été mené en vue de la réduction de la longueur du pied de grille permettant d’atteindre des longueurs minimales de l’ordre de 60nm. De plus, des analyses sont effectuées afin d’étudier les principales limitations inhérentes aux composants HEMTs. Le dernier chapitre présente l’ensemble des caractérisations en régimes statique et hyperfréquence sur des structures HEMTs fabriquées dans le cadre de ce travail. Il en ressort notamment un résultat en terme de densité de puissance à 40GHz, à ce jour à l’état de l’art, relatif à un HEMT de topologie 2x50x0.075µm2. Celui-ci ayant permis d’obtenir une densité de puissance de 2.7W/mm associée à un gain linéaire de 6.5dB et un rendement en puissance ajoutée de 12.5%. / Gallium Nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have emerged as the best candidate for high temperature, high voltage and high power operation in millimeter-wave range. The unique combination of high breakdown field, high electron velocity, and large sheet electron densities of III-N material permits outstanding performance. The work was performed within IEMN laboratory in Microwave Power Devices group. It relates the fabrication and the characterization of GaN HEMT devices for microwave power applications. The first part exposes the physical and electrical properties of gallium nitride as well as a review concerning the state of the art in terms of output power density related to GaN HEMTs. The second chapter deals with the technological processes with a particular attention on the process optimization regarding the ohmic contact and the T-gate technology. Despite outstanding properties, the HEMT performance remains inherently limited by physical and electrical parasitic phenomena. Thus, the third chapter presents the whole studies performed in other to understand these limitation effects (losses, traps, thermal effect). In the last chapter DC, RF, pulsed and large signal measurements are reported for HEMTs based on different heterostructures. In particular, the capability of AlGaN/GaN transistors on Si(111) substrate grown by MBE is demonstrated for high frequency microwave power applications at 40GHz with a continuous wave output power density of 2.7W/mm associated with a power added efficiency of 12.5% and a linear gain of 6.5dB corresponding to the highest saturated power density ever reported on Si(111) substrate to date.

Un système autonome est composé d’une interface capteur, d’un contrôleur numérique, d’une interface de communication et d’une source d’énergie et sa consommation doit être inférieure à environ 100 microW. Pour réduire la consommation de puissance, des nouveaux composants, les Green Transistor ont fait leur apparition sous différentes topologies, modes de fonctionnement et matériaux alternatifs au silicium. L’interface de communication est composée d’un transistor possédant de grandes performances électriques sous faible alimentation. Les topologies retenues sont le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) et le transistor à effet de champ métal/oxyde/semi-conducteur (MOSFET) et seuls les matériaux de la filière III-V à faible énergie de bande interdite, faible masse effective et grande mobilité électronique devraient permettre d’atteindre ces objectifs. Des technologies de HEMTs antimoniés AlSb/InAs ainsi que des MOSFETs InGaAs ont été développées. Les mesures de transistors HEMTs AlSb/InAs ont montré des performances au dessus de 100GHz à 10mW/mm à température ambiante et cryogénique et nous pouvons espérer des transistors où 1mW/mm à 10GHz. Or, les courants de grille importants et la conservation d’un rapport d’aspect élevé dans une structure HEMT limitent la réduction du facteur de mérite puissance-fréquence. Ainsi, la technologie de transistors de type MOS InGaAs a été caractérisée durant ces travaux et les résultats dynamiques sont prometteurs (fT =120GHz, Lg=200nm) même si le processus de fabrication n’est pas complètement optimisé. Une perspective de ce travail est l’utilisation de matériaux antimoines pour la réalisation de MOSFET ultra faible consommation. / An autonomous system is composed of a sensor, a digital controller, a communication interface and an energy source. Its consumption should be less than about 100 microW. To reduce power consumption, new components called the Green transistors have appeared in various topologies, operating modes and alternative materials to silicon. The communication interface consists of a transistor with high performances at low power supply. The topologies used are the high electron mobility transistor (HEMT) and the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and only III-V-based channels with low bandgap energy, low effective mass and high electron mobility should achieve these goals. Antimonide based HEMTs (AlSb/InAs) and InGaAs MOSFETs technologies have been developed. Measurements of transistors AlSb /InAs HEMTs showed performance above 100GHz at 10mW/mm at room and cryogenic temperatures and transistors which 1mW/mm equals to 10GHz can be expected. However, significant gate currents and a high aspect ratio in a HEMT structure limit the reduction the factor of merit between the power and the cut-off frequency. Thus, the technology of InGaAs MOSFET has been characterized during this work and the RF results are promising (fT = 120GHz, Lg = 200nm) even if the process fabrication is not fully optimized. A perspective of this work is the use of antimonide materials for the realization of ultra low power MOSFET.

Dans le domaine des semi-conducteurs, la technologie silicium (principalement l’architecture CMOS) répond à la majorité des besoins du marché et, de ce fait, elle est abondamment utilisée. Ce semi-conducteur profite d’une part, de son abondance dans la nature et par conséquent de son faible coût, et d’autre part de la grande maturité de sa technologie qui est étudiée depuis un demi-siècle. Cependant, le silicium (Si) souffre de plus en plus de ses propriétés électriques limitées qui l’excluent de certains domaines dans lesquels les technologies à base de matériaux III-V sont les plus utilisées. Bien que la technologie à base de matériaux III-V, notamment les hétérostructures à base de nitrure de gallium (GaN), soit très performante par rapport à celle à base du matériau historique (le silicium), cette nouvelle technologie est toujours limitée aux applications utilisant des circuits de moyennes voire faibles densités d’intégration. Ceci limite l’utilisation de cette technologie pour la réalisation de produits à très grande valeur ajoutée. Pour s’affranchir de cette limitation, plusieurs sujets de recherche ont été entrepris ces dernières années pour intégrer au sein du même circuit des composants à base de silicium et de matériaux III-V. En effet, la possibilité d’allier les bonnes performances dynamiques de la filière GaN/III-V et la grande densité d’intégration de la technologie Si dans le même circuit constitue une avancée importante avec un potentiel d’impact majeur pour ces deux filières technologiques. L’objectif ciblé par cette nouvelle technologie est la réalisation, sur substrat Si, d’un circuit à base d’hétérostructures GaN de haute performance assurant entre autres, la détection ou l’amplification du signal via des composants III-V tandis que la partie traitement du signal sera réalisée par les circuits CMOS Si. Ce projet de recherche de doctorat s’inscrit directement dans le cadre de l’intégration monolithique d’une technologie HEMT (High Electron Mobility Transistor) à base de matériaux GaN sur CMOS. L’objectif est de développer des architectures compatibles avec la stratégie d’intégration monolithique de transistors HEMTs GaN sur Si, en prenant en compte les exigences des différentes filières, circuits CMOS et croissance/fabrication de structures HEMTs GaN.

Cette thèse a pour but d’étudier le transport de porteur de charge au sein de polymères conjugués, avec comme finalité d’identifier les propriétés des appareils d’électronique organique appropriées pour des applications dans la spintronique organique. Nous avons analysé des échantillons planaires, de géométries latérales, qui offrent la possibilité d’étudier les propriétés de transport sous l’application de différents stimulus et la détection le transport de longue distance du moment angulaire (spin), au sein de semi-conducteurs organiques (OSC). Dans cette configuration, des critères bien établis doivent être satisfait pour réaliser le transport diffusif d’un courant de spin polarisé au travers d’un matériel organique. Nous avons analysé ces diffèrent critères et trouvé des matériaux dont les propriétés physiques fournissent une solution satisfaisante. Le résultat de ce travail fut la création de transistors à effet de champ organiques dont les propriétés répondent au besoin des applications de spintronique. / In this thesis, charge carrier transport in conjugated polymers is studied with the aim to identify organic electronics devices properties suitable for applications in organic spintronics. We investigate planar samples, in a lateral geometry, which offer the possibility to study transport properties under the application of different stimuli and to detect long-range spin transport in OSCs. In this configuration, well-established criteria must be satisfied to realize diffusive-like transport of a spin-polarized current through an organic material. We analyse these criteria and find possible materials properties solutions. The outcome is the realization of organic field-effect transistors with properties ad hoc for spintronics applications.

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante...) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L'enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l'influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l'objet d'une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d'identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante…) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l’influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l’objet d’une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d’identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz). / Nitride based materials are present in everyday life for optoelectronic applications (light emitting diodes, lasers). GaN remarkable properties (like large energy band gap, high breakdown electric field, high polarization field, high electronic saturation velocity…) make it a promising candidate for low frequency power electronic applications, but also for high frequency like microwaves range for example. The aim of this work is to increase the transistors working frequency by keeping a high power. To do this, high electron mobility transistor heterostructures are developed, and cap and barrier thicknesses have to be reduced, although it is detrimental for a high power. A first study deals with the influence of cap and barrier thicknesses as well as the type of barrier (AlGaN, AlN and InAlN), in order to isolate heterostructures offering the best compromise in terms of power and frequency. Moreover, the means implemented to increase the working frequency lead to electron channel confinement degradation. In order limit this effect, a back-barrier is added underneath the channel. It will be the subject of the second study. Finally, a transistor surface passivation study will be led. The combination of those three parts will allow identifying the optimum structure to deliver the highest power at high frequency (here at 40 GHz).

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d'intégrer ces composants dans un système électronique, l'analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L'objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d'hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d'analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L'étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L'étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés.

Les matériaux III-N ont apporté un gain considérable au niveau des performances des composants pour les applications en électronique de puissance. Les potentialités majeures du GaN pour ces applications résident dans son grand champ de claquage qui résulte de sa large bande interdite, son champ de polarisation élevé et sa vitesse de saturation importante. Les hétérostructures AlGaN/GaN ont été jusqu’à maintenant le système de choix pour l’électronique de puissance. Les limites sont connues et des alternatives sont étudiées pour les surmonter. Ainsi, les hétérostructures InAlN/GaN en accord de maille ont suscité beaucoup d’intérêts, notamment pour des applications en électronique de puissance à haute fréquence. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à élaborer et caractériser des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) afin d’établir des corrélations entre défauts structuraux, électriques et procédés de fabrication. Une étude sera donc menée sur la caractérisation de composants AlGaN/GaN afin de cerner les paramètres de croissance susceptibles d’avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure, notamment sur l’isolation électrique des couches tampons et le transport des porteurs dans le canal. En ce qui concerne les HEMTs InAlN/GaN, l’objectif est d’évaluer la qualité de la couche barrière. Pour cela, une étude de l’influence des épaisseurs ainsi que la composition de la barrière sera menée. La combinaison de ces études permettra d’identifier la structure optimale. Ensuite, l’analyse des contacts Schottky par des mesures de courant et de capacité à différentes températures nous permettra d’identifier les différents modes de conduction à travers la barrière. Enfin, les effets de pièges qui constituent l’une des limites fondamentales inhérentes aux matériaux étudiés seront caractérisés par différentes méthodes de spectroscopie de défauts. / III-N materials have made a significant gain in component performance for power electronics applications. The major potential of GaN for these applications lies in its large breakdown field resulting from its wide bandgap, high polarization field and high electronic saturation velocity. AlGaN/GaN heterostructures have been, until recently, the system of choice for power electronics. The limits are known and alternatives are studied to overcome them. Thus, lattice matched InAlN/GaN heterostructures have attracted a great deal of research interest, especially for high frequency power electronic applications. The aim in this work of thesis consists in developing and in characterizing High Electron Mobility Transistors (HEMTs) to establish correlations between structural, electrical defects and technologic processes. A study will therefore be conducted on the characterization of AlGaN/GaN components to enhance the parameters of growth susceptible to have a notable impact on the structural and electrical quality of the structure, in particular on the electrical isolation of the buffer layers and the transport properties. For InAlN/GaN HEMTs, the objective is to evaluate the quality of the barrier layer. For this, a study of the influence of the thickness as well as the composition of the barrier will be conducted. The combination of these studies will allow identifying the optimum structure. Then, the analysis of Schottky contacts by measurements of current and capacity at different temperatures will allow us to identify the several conduction modes through the barrier. Finally, the effects of traps which constitute one of the fundamental limits inherent to the studied materials will be characterized by various defects spectroscopy methods.

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.