Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau en plein essor depuis le début des années 1990 pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique telles que les diodes électroluminescentes (DELs) bleues ou blanches, les diodes lasers (DLs) bleues ou les détecteurs ultra-violets. L'activité épitaxie de GaN par la technique de croissance HVPE (Epitaxie en phase vapeur par la méthode aux hydrures), a vu le jour au LASMEA en 1998. Les premières études expérimentales et de modélisation réalisées sur des échantillons de faibles dimensions (surface d'environ 1 à 3 cm2) ont conduit à la mise en évidence des mécanismes de croissance et à la maîtrise du procédé. Le développement de ce matériau à l'échelle industrielle a nécessité de travailler sur des surfaces de dimension plus grandes de l'ordre de deux pouces. Un nouveau dispositif expérimantal HVPE a été conçu dans ce sens, mis en place au sein du laboratoire et le procédé a été validé. De nouvelles investigations ont été menées sur l'étude de l'épitaxie sélective de GaN pour la réalisation de structures périodiques de faible dimensionnalité à morphologies contrôlées. Des structures de morphologies poutres et pyramidales de GaN de 1 à 2 µm de large ont ainsi pu être épitaxiées par la technique HVPE. Une analyse systématique de la variation des conditions de croissance est effectuée, visant à maîtriser l'ensemble des paramètres qui influent sur les morphologies et les dimensions des structures. Cette étude est couplée à la compréhension des mécanismes de croissance mis en jeu au cours de l'épitaxie sélective de GaN.

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.

Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement au détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et à l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon-polariton est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau. / Abstract: The objectives of this thesis were the fabrication, the measurement and the study of gallium nitride THz detectors. These detectors are working as follows : first the incident THz photon is coupled to a plasmon in the quantum well at the interface AlGaN/GaN. This plasmon is then turned into a continuous measurable current. One of the key-components in this type of detectors is the grating coupling the incident photon and the plasmon. Electromagnetic simulations have been made to determine the dimensions of the grating depending on the detection frequency. Detectors were then fabricated using the precendently calculated grating patterns. Their working frequency depending on their dimensions were measured with a good agreement with the previously led simulations. The grating is not used only as coupling element, but can be used to monitor the electron density in the quatum well as well, what should allow an exaltation of the rectification phenomenon and a frequency tunability. A technological development was needed to achieve grating actually monitoring the electron density over a wide range. It was a real challenge to fabricate such wide grating (36 mm²) with such small periods (about one micrometer) using epitaxies developped for devices with a much smaller area.

Ces travaux de thèse portent sur l'évaluation des propriétés de nanofils InGaN/GaN en vue de la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Deux types d'architecture, obtenus par des techniques de croissance différentes, ont été étudiés. La technique MBE a conduit à la réalisation de LEDs en structure axiale émettant du domaine spectral bleu au rouge. Les émetteurs uniques présentent dans ce cas des diamètres typiquement inférieurs à 100 nm. La technique MOCVD a conduit quant à elle la fabrication de LEDs émettant des longueurs d'onde plus courtes à partir d'hétérostructures InGaN/GaN en Coeur/Coquille présentant des dimensions micrométriques. Dans les deux cas, la croissance est réalisée de manière spontanée sur un substrat Silicium (111) de conductivité élevée permettant l'injection verticale du courant dans les dispositifs intégrés à l'échelle macroscopique. L'ensemble des briques technologiques nécessaires à la fabrication de LEDs a été évalué par un panel important de techniques expérimentales adaptées aux structures à fort rapport de forme. Ainsi, l'effet de l'incorporation d'espèces dopantes de type n (Silicium) et de type p (Magnésium) a été caractérisé par des expériences de spectroscopie optique couplées à des mesures électriques sur fils uniques. De plus, la cathodoluminescence basse température a été largement utilisée afin d'étudier les propriétés optiques de la zone active à base d'InGaN dans les deux architectures considérées. Après intégration technologique, des caractérisations électro-optiques résolues à l'échelle du fil unique ont montré que les performances des LEDs à nanofils restent principalement limitées par la fluctuation des propriétés électriques et optiques entre émetteurs uniques. / This thesis aims at studying the intrinsic properties of InGaN/GaN nanowires (NWs) in order to fabricate efficient light emitting diodes (LEDs). Two active region designs, obtained through different growth techniques, have been extensively investigated. Axial NW-based LEDs emitting from the blue to the red spectral range have been grown by MBE. In this case, single emitters present diameters typically smaller than 100 nm. MOCVD allowed the fabrication of LEDs emitting shorter wavelengths from Core/Shell heterostructures with typical dimensions in the micrometre range. In both cases, the spontaneous growth has been conducted on Silicon (111) highly conductive substrates in order to inject the current vertically into macroscopically contacted devices. Technological building blocks needed to fabricate LEDs have been investigated using a wide range of characterization techniques adapted for high aspect ratio structures. Thus, n-type (Silicon) and p-type (Magnesium) dopings have been assessed thanks to optical spectroscopy techniques, and these results have been confirmed by electrical measurements carried out on single wires. Furthermore, low temperature cathodoluminescence has been widely used to study the optical properties of InGaN-based active regions. After technological integration, electro-optical characterizations with spatial resolution down to the single wire level have revealed that device performances are mainly limited by the fluctuation of electrical and optical properties between single emitters.

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques et thermiques intéressantes. Grâce à sa large bande interdite, son fort champ de claquage et sa forte vitesse de saturation, il est très convoité pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance et de hautes fréquences pouvant fonctionner à haute température. De plus, grâce au caractère direct de sa bande interdite et son pouvoir d’émission à faible longueur d’onde, il est aussi avantageux pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection tels que les DELs, les lasers ou les photo-détecteurs. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d’inefficacités du dopage p et les densités élevées de défauts cristallins dans les couches épitaxiées ont constitué pendant longtemps des handicaps majeurs au développement des technologies GaN. Il a fallu attendre le début des années 1990 pour voir apparaître des couches épitaxiales de meilleures qualités et surtout pour obtenir un dopage p plus efficace [I. Akasaki, 2002]. Cet événement a été l’une des étapes clés qui a révolutionnée cette technologie et a permis d’amorcer son intégration dans le milieu industriel. Malgré l’avancé rapide qu’a connu le GaN et son potentiel pour la réalisation de sources optoélectroniques de haute efficacité, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques avec une faible résistivité, ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont généralement caractérisées par la présence d’une forte densité d’états de surface (D[indice inférieur it]). Cette forte D[indice inférieur it], aussi rapportée sur GaAs et sur d’autres matériaux III-V, détériore considérablement les performances des dispositifs réalisés et peut induire l’ancrage (‘pinning’) du niveau de Fermi. Elle constitue l’un des freins majeurs au développement d’une technologie MIS-GaN fiable et performante. Le but principal de ce projet de recherche est l’élaboration et l’optimisation d’un procédé de passivation du GaN afin de neutraliser ou minimiser l’effet de ses pièges. Les conditions de préparation de la surface du GaN avant le dépôt de la couche isolante (prétraitement chimique, gravure, prétraitement plasma etc.), les paramètres de dépôt de la couche diélectrique par PECVD (pression, température, flux de gaz, etc.) et le traitement post dépôt (tel que le recuit thermique) sont des étapes clés à investiguer pour la mise au point d’un procédé de passivation de surface efficace et pour la réalisation d’une interface isolant/GaN de bonne qualité (faible densité d’états de surface, faible densité de charges fixes, bonne modulation du potentiel de surface, etc.). Ceci permettra de lever l’un des verrous majeurs au développement de la technologie MIS-GaN et d’améliorer les performances des dispositifs micro- et optoélectroniques à base de ce matériau. Le but ultime de ce projet est la réalisation de transistors MISFETs ou MIS-HEMTs de hautes performances sur GaN.

Le projet de cette thèse est de réaliser un convertisseur DC/DC isolé à haute fréquence de découpage basé sur la mise en œuvre de composants en GaN. Le but est d'augmenter très fortement les densité de puissance commutées par rapport aux solutions actuelles. Cette thèse mets en oeuvre les composants GaN afin de déterminer les meilleurs conditions de fonctionnement possible. Une fois les points critiques mis en avant, on étudie les structures de circuit de commande adapté pour les HEMT GaN d'EPC et un circuit intégré pour la commande est étudié et mis en oeuvre. Le layout global de la carte a un rôle important en termes d'intégration et d'optimisation CEM, il est donc discuté et des règles de routage sont proposées. Enfin, on étudie plusieurs structures de puissance et on les met en oeuvre pour vérifier le bon fonctionnement et le respect du cahier des charges. / This study consist in the development of a high frequency insulated DC/DC converter based on GaN power devices. The goal is to increase significantly the power density in comparison with actual converter solutions. This thesis evaluate the GaN components performances to determine the best working conditions. Once the critical points highlighted, gate circuit topologies suitable for EPC GaN HEMT are studied and an integrated IC is designed and implemented. The overall layout of the card has an important role in terms of integration and EMC optimization, so it is discussed and routing rules are proposed. Finally, we study several power structures and implement them to verify proper operation and their compliance with specifications.

Face aux enjeux énergétiques d'aujourd'hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l'éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s'affranchir du caractère discontinu de la production d'électricité et de l'inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l'énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d'énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l'électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d'énergie renouvelable, la batterie produit de l'énergie électrique non carbonée, c'est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L'intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l'énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de l'électricité, l'énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est envisagée ici, la présence d'un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l'optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé 'miroir' obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d'efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants.

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.

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.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l'influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d'envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n'étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s'inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l'échelle nanométrique.