Les semi-conducteurs à base de composés III-V de type GaN présentent de nombreux avantages – liés essentiellement à leur grande bande interdite - par rapport aux semi-conducteurs traditionnels Si, ou III-V des filières GaAs. De plus, il est possible de former, comme pour les semi-conducteurs traditionnels III-V des hétérojonctions de type HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN permettant d'obtenir à la fois une forte densité de porteurs confinés à l'hétérojonction et des mobilités électroniques élevées. Ces composants sont à l'heure actuelle les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance. Cependant, l'échauffement observé au cours du fonctionnement et les différentes étapes de réalisation des composants ont un impact anormal sur les performances intrinsèques du composant. La microspectrométrie Raman est une technique nondestructive et sans contact avec une résolution spatiale submicronique, adaptée à l'étude des HEMTs AlGaN/GaN en fonctionnement. L'utilisation de différentes longueurs d'onde excitatrices visible et UV permet de sonder les hétérostructures à différentes profondeurs de pénétration. Les informations obtenues avec cette technique d'analyse sont la composition de l'hétérostructure, les contraintes entre les différentes couches, la résistance thermique aux interfaces, la qualité cristalline des différentes couches, le dopage et le comportement thermique des différentes couches. Le développement d'un système de microspectrométrie Raman UV résolue en temps a permis d'analyser le comportement thermique transitoire des HEMTs AlGaN/GaN en fonctionnement et plus particulièrement dans la zone active du composant.

At present, focus of the SiC crystal growth development is on improving the crystalline quality without polytype inclusions, micropipes and the occurrence of extended defects. The purity of the grown material, as well as intentional doping must be well controlled and the processes understood. High-quality substrates will significantly improve device performance and yield. One of the aims of the thesis is further understanding of polytype inclusion formation as well as impurity control in SiC bulk crystals grown using PVT method also termed seeded sublimation method. Carbonization of the source was identified as a major reason behind the polytype inclusion occurrence during the growth. The aim of this work was further understanding of sublimation growth process of 4H-SiC bulk crystals in vacuum, in absence of an inert gas. For comparison growth in argon atmosphere (at 5 mbar) was performed. The effect of the ambient on the impurity incorporation was studied for different growth temperatures. For better control of the process in vacuum, tantalum as a carbon getter was utilized. The focus of the SiC part of the thesis was put on further understanding of the PVT epitaxy with an emphasis on the high growth rate and purity of grown layers. High resistivity 4H-SiC samples grown by sublimation with high growth rate were studied. The measurements show resistivity values up to high 104 cm. By correlation between the growth conditions and SIMS results, a model was applied in which it is proposed that an isolated carbon vacancy donor-like level is a possible candidate responsible for compensation of the shallow acceptors in p-type 4H-SiC. A relation between cathodoluminescence (CL) and DLTS data is taken into account to support the model. To meet the requirements for high voltage blocking devices such as high voltage Schottky diodes and MOSFETs, 4H-SiC epitaxial layers have to exhibit low doping concentration in order to block reverse voltages up to few keV and at the same time have a low on-state resistance (Ron). High Ron leads to enhanced power consumption in the operation mode of the devices. In growth of thick layers for high voltage blocking devices, the conditions to achieve good on-state characteristics become more challenging due to the low doping and pronounced thicknesses needed, preferably in short growth periods. In case of high-speed epitaxy such as the sublimation, the need to apply higher growth temperature to yield the high growth rate, results in an increased concentration of background impurities in the layers as well as an influence on the intrinsic defects. On-state resistance Ron estimated from current density-voltage characteristics of Schottky diodes on thick sublimation layers exhibits variations from tens of mΩ.cm2 to tens of Ω.cm2 for different doping levels. In order to understand the occurrence of high on-state resistance, Schottky barrier heights were first estimated for both forward and reverse bias with the application of thermionic emission theory and were in agreement with literature reported values. Decrease in mobility with increasing temperature was observed and its dependencies of T–1.3 and T–2.0 for moderately doped and low doped samples, respectively, were estimated. From deep level measurements by Minority Carrier Transient Spectroscopy (MCTS), an influence of shallow boron related levels and D-center on the on-state resistance was observed, being more pronounced in low doped samples. Similar tendency was observed in depth profiling of Ron. This suggests a major role of boron in a compensation mechanism. In the second part of the thesis growth and characterization of GaN is presented. Excellent electron transport properties with high electron saturate drift velocity make GaN an excellent candidate for electronic devices. Especially, AlGaN/GaN based high electron mobility transistors (HEMT) have received an increased attention in last years due to their attractive properties. The presence of strong spontaneous and piezoelectric polarization due to the lattice mismatch between AlGaN and GaN is responsible for high free electrons concentrations present in the vicinity of the interface. Due to the spatial separation of electrons and ionized donors or surface states, 2DEG electron gas formed near the interface of the heterostructure exhibits high sheet carrier density and high mobility of electrons. Al0.23Ga0.77N/GaN based HEMT structures with an AlN exclusion layer on 100 mm semiinsulating 4H-SiC substrates have been grown by hot-wall MOCVD. The electrical properties of the two-dimensional electron gas (2DEG) such as electron mobility, sheet carrier density and sheet resistance were obtained from Hall measurements, capacitance-voltage and contact-less eddy-current techniques. The effect of different scattering mechanisms on the mobility have been taken into account and compared to the experimental data. Hall measurements were performed in the range of 80 to 600 K. Hall electron mobility is equal to 17140 cm2(Vs)-1 at 80 K, 2310 cm2(Vs)-1 at room temperature, and as high as 800 cm2(Vs)-1 at 450 K, while the sheet carrier density is 1.04x1013 cm-2 at room temperature and does not vary very much with temperature. Estimation of different electron scattering mechanisms reveals that at temperatures higher than room temperature, experimental mobility data is mainly limited by optical phonon scattering. At relevant high power device temperature (450 K) there is still an increase of mobility due to the AlN exclusion layer. We have studied the behaviour of Ga-face GaN epilayers after in-situ thermal treatment in different gas mixtures in a hot-wall MOCVD reactor. Influence of N2, N2+NH3 and N2+NH3+H2 ambient on the morphology was investigated in this work. The most stable thermal treatment conditions were obtained in the case of N2+NH3 gas ambients. We have also studied the effect of the increased molar ratio of hydrogen in order to establish proper etching conditions for hot-wall MOCVD growth.

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.

[Truncated abstract] Over the past decade, the group III-nitride semiconducting compounds (GaN, AlN, InN, and their alloys) have attracted tremendous research efforts due to their unique electronic and optical properties. Their low thermal carrier generation rates and large breakdown fields make them attractive for the development of robust electronic devices capable of reliable operation in extreme conditions, i.e. at high power/voltage levels, high temperatures and in radiation environments. For device applications in radiation environments, such as space electronics, GaN-based devices are expected to manifest superior radiation hardness and reliability without the need for cumber- some and expensive cooling systems and/or radiation shielding. The principle aim of this Thesis is to ascertain the level of susceptibility of current GaN-based elec- tron devices to radiation-induced degradation, by undertaking a detailed study of 60Co gamma-irradiation-induced defects and defect-related effects on the electrical characteristics of n-type GaN-based materials and devices . . . While the irradiation-induced effects on device threshold voltage could be regarded as relatively benign (taking into account that the irradiation levels employed in this study are equivalent to more than 60 years exposure at the average ionising dose rate levels present in space missions), the observed device instabilities and the degradation of gate current characteristics are deleterious effects which will have a significant impact on the performance of AlGaN/GaN HEMTs operating in radiation environments at low temperatures, a combination of conditions which are found in spaceborne electronic systems.

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.

Il y a actuellement un intérêt croissant pour la construction des dispositifs électroniques à semiconducteur pour les applications domotiques. La technologie des semiconducteurs de puissance a été essentiellement limitée au silicium. Récemment, de nouveaux matériaux ayant des propriétés supérieures sont étudiés en tant que remplaçants potentiels, en particulier : le nitrure de gallium et le carbure de silicium. L'état actuel de développement de la technologie 4H-SiC est beaucoup plus mature que pour le GaN. Cependant, l'utilisation de 4H-SiC n’est pas une solution économiquement rentable pour la réalisation des redresseurs Schottky 600 V. Les progrès récents dans le développement des couches épitaxiées de GaN de type n sur substrat Si offrent de nouvelles perspectives pour le développement des dispositifs de puissance à faible coût. C’est dans ce cadre que ma thèse s’inscrit pour réaliser avec ce type de substrat, un redresseur Schottky de puissance avec un calibre en tension de l’ordre de 600V. Deux architectures de redresseurs sont exposées. La première est une architecture pseudo-verticale proposée dans le cadre du projet G2ReC et la deuxième est une architecture latérale à base d’hétérojonction AlGaN/GaN obtenue à partir d'une structure de transistor HEMT. L’optimisation de ces deux dispositifs en GaN est issue de simulation par la méthode des éléments finis. Dans ce cadre, une adaptation des modèles de simulation à partir des paramètres physiques du GaN extraits depuis la littérature a été effectuée. Ensuite, une étude d’influence des paramètres géométriques et technologiques sur les propriétés statiques en direct et en inverse des redresseurs a été réalisée. Enfin, des structures de tests ont été fabriquées et caractérisées afin d’évaluer et d’optimiser le caractère prédictif des simulations par éléments finis. Ces études nous ont conduit à identifier l'origine des limites des structures de première génération et de définir de nouvelles structures plus performantes. / There is increasing interest in the fabrication of power semiconductor devices in home automation applications. Power semiconductor technology has been essentially confined to Si. Recently, new materials with superior properties are being investigated as potential replacements, in particular silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). The current state of development of SiC technology is much more mature than for GaN. However, the use of 4H-SiC is not a cost effective solution for realizing a medium and high voltage Schottky diode. Recent advances on the development of thick n-type GaN epilayers on Si substrate offer new prospects for the development of a low-cost Schottky rectifiers for at least medium voltage range 600 V. In the context of our thesis, two types of GaN based rectifier architectures have been studied. The first one is a pseudo-vertical architecture proposed during previous G2ReC project. The second one has a lateral structure with AlGaN/GaN heterojunction, derived from a HEMT structure. The optimization of the Schottky rectifiers has been achieved by finite element simulations. As a first step, the models are implemented in the software and adjusted with the parameters described in the literature. The influence of the geometrical and physical parameters on the specific on-resistance and on the breakdown voltage has been analysed. Finally, the test devices have been realized and characterized to optimize and to validate the parameters of these models. These studies lead to identify the limits of the structures and create a new generation of powerful structures.

No description available.

Cette thèse vise à améliorer la méthode d'analyse du fond continu inélastique afin de l'appliquer à des cas qui présentent un intérêt technologique. En effet, ces améliorations sont cruciales car elles portent sur des critères de précision et de gain de temps, plus particulièrement pour l’étude de dispositifs présentant plusieurs couches profondément enterrées de matériaux bien distincts. Ainsi, l'analyse du fond continu inélastique associée à la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) présente un grand intérêt car l’HAXPES permet de sonder plus profondément dans un échantillon qu'avec la spectroscopie de photoélectrons à rayons X classique (XPS). Ce présent travail porte sur des échantillons technologiquement pertinents, principalement des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMTs), à certaines étapes cruciales de leur processus de fabrication, tels que des recuits. Il est donc très important que ces analyses soient effectuées de manière non destructive afin de préserver les interfaces enterrées. Ce sont souvent l'emplacement de phénomènes complexes qui sont critiques pour les performances du dispositif et une meilleure compréhension est une condition préalable à l’amélioration des dispositifs. Dans ce travail, les phénomènes de diffusion en profondeur sont étudiés grâce à l’analyse du fond continu inélastique associée à l’HAXPES (en utilisant le logiciel QUASES) pour des profondeurs allant jusqu'à 60 nm. Les résultats de distribution en profondeur présentent des écarts par rapport aux mesures TEM inférieures à 5%. Le choix des paramètres d'entrée de la méthode est discuté pour une large gamme d'échantillons et des règles simples en sont issues qui rendent l'analyse réelle plus facile et plus rapide à effectuer. Enfin, il a été montré que la spectromicroscopie faite avec la technique HAXPEEM peut fournir des spectres à chaque pixel utilisables pour l’analyse du fond continu inélastique. Cela peut fournir une cartographie 3D de la distribution en profondeur des éléments de manière non-destructive. / This thesis aims at improving the inelastic background analysis method in order to apply it to technologically relevant samples. Actually, these improvements are utterly needed as they concern criteria of accuracy and time saving particularly for analysis of devices presenting deeply buried layers with different materials. For this purpose, the interest of the inelastic background analysis method is at its best when combined with hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) because HAXPES allows to probe deeper in the sample than with conventional X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The present work deals with technologically relevant samples, mainly the high-electron mobility transistor (HEMT), at some crucial steps of their fabrication process as annealing. Actually, it is very important that these analyses shall be performed non-destructively in order to preserve the buried interfaces. These are often the location of complex phenomena that are critical for device performances and a better understanding is often a prerequisite for any improvement. In this thesis, the in-depth diffusion phenomena are studied with the inelastic background analysis technique (using the QUASES software) combined with HAXPES for depth up to 60 nm. The depth distribution results are determined with deviations from TEM measurements smaller than a typical value of 5%. The choice of the input parameters of the method is discussed over a large range of samples and simple rules are derived which make the actual analysis easier and faster to perform. Finally, it was shown that spectromicroscopy obtained with the HAXPEEM technique can provide spectra at each pixel usable for inelastic background analysis. This is a proof of principle that it can provide a 3D mapping of the elemental depth distribution with a nondestructive method. / Denne afhandling har til formål at forbedre den uelastiske baggrundsanalysemetode til anvendelser i den til teknologiske industri. Faktisk er disse forbedringer absolut nødvendige, for at opnå nøjagtighed og tidsbesparelse, især for analyse af prøver med dybt begravede lag af forskellige materialer. Til det formål er interessen for den uelastiske baggrundsanalysemetode bedst i kombination med hård røntgenfotoelektron-spektroskopi (HAXPES), fordi HAXPES gør det muligt at probe dybere i prøven end med konventionel røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS). Dette arbejde beskæftiger sig med teknologisk relevante prøver, hovedsagelig høj-elektron mobilitetstransistor (HEMT), på nogle afgørende trin i deres fremstillingsproces som fx annealing. Faktisk er det meget vigtigt, at disse analyser udføres på en ikke-destruktiv måde for at bevare de begravede grænseflader. Det er ofte her de komplekse fysiske fænomener opstår, som er kritiske for fuktionaliteten, og en bedre forståelse af grænsefladerne er ofte en forudsætning for at kunne forbedre denne. I denne afhandling studeres de dybdegående diffusionsfænomener med den uelastiske baggrundsanalyse teknik (ved hjælp af QUASES software) kombineret med HAXPES for dybder op til 60 nm. Dybdestributionsresultaterne har afvigelser fra TEM-målinger mindre end en typisk værdi på 5%. Valget af input parametre for metoden er diskuteret på bagground af et stort udvalg af prøver samt omfattende simuleringer og enkle regler er udledt, hvilket gør den praktiske analyse nemmere og hurtigere at udføre. Endelig blev det vist, at spektromikroskopi opnået med HAXPEEM-teknikken kan tilvejebringe spektre ved hver enkelt pixel som kan anvendes til uelastisk baggrundsanalyse. Dette viser at i princippet kan en 3D-billeddannelse af den elementære dybdefordeling bestemmes ikke destruktivt.

La systématisation de la conversion analogique/numérique a eu pour effet d'uniformiser le mode de transmission de données aux transmissions numériques ; et notamment sur fibre optique. Dans ce cadre, cette thèse traite des méthodologies de conception et faisabilité de circuits amplificateurs de signaux rapides. Après l'étude de l'effet des éléments parasites sur les structures amplificatrices de base (spécifiquement, les problèmes de chemins de masse, et de référencement de signaux d'entrée), la théorie de distribution est appliquée à la technologie coplanaire InP ; où via une méthodologie que nous avons cherché à systématiser (notamment pour les conditions d'égalité et de faible variation des délais de groupe), sont réalisés des amplificateurs large bande avec Fc=92GHz et entre autres, un produit gain-bande à l'état de l'art de 410 GHz. Au delà des problèmes posés par la technologie coplanaire tels que les discontinuités de masse et la nécessité de préserver le mode de propagation coplanaire, elle ouvre de nouvelles possibilités telles que des lignes artificielles d'entrée/sortie à longueurs identiques, et permet une compacité plus élevée que celle des techniques micro-ruban. Les limites de l'amplification différentielle sont ensuite investies et repoussées, en proposant une structure innovante : la paire différentielle distribuée ; alliant ainsi le fonctionnement à courant constant du mode différentiel (donc avec un degré de liberté supplémentaire, pour le potentiel DC en sortie), à l'aspect large bande du distribué. Des amplificateurs avec 4 Vpp en sortie à 40 Gbit/s ont ainsi été réalisés en pHEMT GaAs. Ce résultat, permettrait à terme, l'élimination des capacités de passage dans les modules driver et la conception de drivers de modulateur mono-puce.

Group III-A nitrides (GaN, AlN, InN and alloys) are materials of considerable contemporary interest and currently enable a wide variety of optoelectronic and high-power, high-frequency electronic applications. All of these applications utilize device structures that employ a single or multiple hetero-junctions, with material compositions varying across the interface. For example, the workhorse of GaN based electronic devices is the high electron mobility transistor (HEMT) which is usually composed of an AlGaN/GaN hetero-junction, where a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed due to differences in polarization between the two layers. In addition to such hetero-junctions in the same material family, formation of hetero-interfaces in nitrides begins right from the epitaxy of the very first layer due to the lack of native substrates for their growth. The consequences of such "dissimilar" hetero-junctions typically manifest as large defect densities at this interface which in turn gives rise to defective films. Additionally, if the substrate is also a semiconductor, the electrical properties at such dissimilar semiconductor-nitride hetero-junctions are particularly important in terms of their influence on the performance of nitride devices. Nevertheless, the large defect densities at such dissimilar 3D-3D semiconductor interfaces, which translate into more trap states, also prevents them from being used as active device layers to say nothing of reliability considerations arising because of these defects. Recently, the advent of 2D materials such as graphene and MoS2 has opened up avenues for Van der Waal’s epitaxy of these layered films with practically any other material. Such defect-free integration enables dissimilar semiconductor hetero-junctions to be used as active device layers with carrier transport across the 2D-3D hetero-interface. This thesis deals with hetero-epitaxial growth platforms for reducing defect densities, and the material and electrical properties of dissimilar hetero-junctions with the group III-A nitride material system.