L'hétéro-épitaxie de structures à base de GaN est réalisée, depuis les années 1990, principalement sur trois types de substrat : le carbure de silicium (SiC), le saphir (Al2O3) et le silicium (Si). Ce dernier possède les avantages d'une conductivité thermique identique à celle du GaN, d'une grande disponibilité, de tailles pouvant aller jusqu'à 12'' et de coûts très compétitifs induits par l'activité sans égale de la filière silicium. L'orientation (111) du silicium était préférée jusqu'alors pour l'hétéro-épitaxie de structures à base de GaN de par sa symétrie de surface hexagonale compatible à la phase stable wurtzite du GaN. Néanmoins, en vu d'une intégration monolithique de futurs composants à base de GaN au côté de circuits intégrés de technologie MOS, les orientations de prédilections de la filière silicium (001) et (110), avec leur symétrie de surface carrée et quadratique respectivement, sont préférées. Ce travail de thèse a donc eu pour objectif la mise au point d'un procédé de croissance de structures (Al,Ga)N sur l'orientation (001). Nous montrerons que l'utilisation de substrats désorientés suivant la direction [110] cumulée à une préparation de surface et un procédé de croissance spécifique nous ont permis d'obtenir des couches de GaN wurtzite, malgré la symétrie carrée du plan (001), avec une unique orientation cristalline par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et épitaxie en phase vapeur d'organométallique (EPVOM). Nous développerons également, comment, par l'insertion de plusieurs alternances AlN/GaN, il nous a été possible d'obtenir par EJM des structures HEMTs AlGaN/GaN non fissurées avec des propriétés proches de celles obtenues sur l'orientation (111).

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.

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).