Les transistors HEMTs (High Electron Mobility Transistors) de la filière GaN sont destinés à des applications dans les domaines militaire et spatial. C’est pourquoi nous avons étudié l’influence de trois types de stress électriques : à canal ouvert, à canal pincé et NGB (Negative Gate Bias), ainsi que l’influence de neutrons thermalisés avec une fluence pouvant aller jusqu’à 1,7.1012 neutrons.cm-2, sur leurs performances électriques dc.Dans un premier temps, nous avons étudié des HEMTs AlInN/GaN de laboratoire. Pour les trois stress, nous avons observé une dégradation due à la création de pièges accepteurs et donneurs au cours des différents stress et à la présence de pièges préexistants. Nous avons ensuite irradié ces composants par des neutrons thermalisés et avons observé une légère dégradation des performances électriques des transistors non stressés et stressés à canal ouvert ou pincé. En revanche, nous avons mis en lumière une légère amélioration pour les transistors ayant subi un stress NGB. Nous avons également irradié des MOS-HEMTs AlInN/GaN et conclu que ceux-ci étaient plus sensibles vis à vis des irradiations.Dans un deuxième temps, nous avons stressé de manière analogue des HEMTs AlGaN/GaN du commerce. Dans le cas du stress à canal ouvert, nous avons observé une diminution importante du courant de drain tandis que pour les stress à canal pincé et NGB le courant de drain augmente légèrement à cause d’une libération de pièges préexistants sous l’action du champ électrique vertical. Lors des irradiations avec des neutrons thermalisés, ces transistors, stressés ou non, subissent là encore des dégradations. / The GaN based HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are excellent candidates for military and spatial applications. That’s why we have analysed the influence of three different types of bias stress: on-state stress, off-state stress and NGB (Negative Gate Bias), and the influence of thermalized neutrons with a fluence up to 1.7x1012 neutrons.cm-2, on their dc electrical performances.First, we have studied laboratory AlInN/GaN HEMTs. For the three conditions of stress, we have observed a degradation due to pre-existing traps and to the creation of acceptor and donor traps during the stress. Then, we have irradiated these components with thermalized neutrons and we have found a small degradation of the electrical performances of unstressed and on-state stressed and off-state stressed transistors. On the other hand, we have highlighted a slight improvement for NGB stressed components. We have also irradiated AlInN/GaN MOS-HEMTs and we have concluded that they are more sensible to irradiation.In a second time we have stressed in the same way commercial AlGaN/GaN HEMTs. For the on-state stress, we have observed an important increase in the drain current. However, the drain current increases for the on-state and NGB stressed components due to a release of electrons from pre-existing traps under vertical electrical field. During the irradiation with thermalized neutrons, the unstressed and stressed transistors are degraded and a small decrease in the drain current is visible.

Les transistors HEMTs (High Electron Mobility Transistors) de la filière GaN sont destinés à des applications dans les domaines militaire et spatial. C’est pourquoi nous avons étudié l’influence de trois types de stress électriques : à canal ouvert, à canal pincé et NGB (Negative Gate Bias), ainsi que l’influence de neutrons thermalisés avec une fluence pouvant aller jusqu’à 1,7.1012 neutrons.cm-2, sur leurs performances électriques dc.Dans un premier temps, nous avons étudié des HEMTs AlInN/GaN de laboratoire. Pour les trois stress, nous avons observé une dégradation due à la création de pièges accepteurs et donneurs au cours des différents stress et à la présence de pièges préexistants. Nous avons ensuite irradié ces composants par des neutrons thermalisés et avons observé une légère dégradation des performances électriques des transistors non stressés et stressés à canal ouvert ou pincé. En revanche, nous avons mis en lumière une légère amélioration pour les transistors ayant subi un stress NGB. Nous avons également irradié des MOS-HEMTs AlInN/GaN et conclu que ceux-ci étaient plus sensibles vis à vis des irradiations.Dans un deuxième temps, nous avons stressé de manière analogue des HEMTs AlGaN/GaN du commerce. Dans le cas du stress à canal ouvert, nous avons observé une diminution importante du courant de drain tandis que pour les stress à canal pincé et NGB le courant de drain augmente légèrement à cause d’une libération de pièges préexistants sous l’action du champ électrique vertical. Lors des irradiations avec des neutrons thermalisés, ces transistors, stressés ou non, subissent là encore des dégradations. / The GaN based HEMTs (High Electron Mobility Transistors) are excellent candidates for military and spatial applications. That’s why we have analysed the influence of three different types of bias stress: on-state stress, off-state stress and NGB (Negative Gate Bias), and the influence of thermalized neutrons with a fluence up to 1.7x1012 neutrons.cm-2, on their dc electrical performances.First, we have studied laboratory AlInN/GaN HEMTs. For the three conditions of stress, we have observed a degradation due to pre-existing traps and to the creation of acceptor and donor traps during the stress. Then, we have irradiated these components with thermalized neutrons and we have found a small degradation of the electrical performances of unstressed and on-state stressed and off-state stressed transistors. On the other hand, we have highlighted a slight improvement for NGB stressed components. We have also irradiated AlInN/GaN MOS-HEMTs and we have concluded that they are more sensible to irradiation.In a second time we have stressed in the same way commercial AlGaN/GaN HEMTs. For the on-state stress, we have observed an important increase in the drain current. However, the drain current increases for the on-state and NGB stressed components due to a release of electrons from pre-existing traps under vertical electrical field. During the irradiation with thermalized neutrons, the unstressed and stressed transistors are degraded and a small decrease in the drain current is visible.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur le développement et la caractérisation de modules technologiques sur semiconducteurs à large bande interdite à base de nitrure de gallium (GaN), pour la réalisation de transistors et de cathodes froides. Ils ont été réalisés au sein du laboratoire III-V lab, commun aux entités : Alcatel - Thales - CEA Leti. Notre projet de recherche a bénéficié d'un soutien financier assuré par Thales Electron Devices (TED) et l'Agence Nationale de la Recherche ( ANR ). Concernant les transistors HEMT III-N, nos investigations se sont focalisées sur le développement des parties actives des transistors, incluant principalement la structuration des électrodes de grilles, l'étude de la passivation des grilles métalliques, ainsi que l'étude de diélectriques de grille pour la réalisation de structures MIS-HEMT.Les transistors MOS-HEMT « Normally-off » réalisés présentent des performances comparables à l'état de l'art, avec une densité de courant de drain maximum comprise entre 270 mA et 400 mA / mm, un ratio ION / IOFF > 1100, et des tensions de claquage > 200V. Les tensions de seuil sont comprises entre + 1,8 V et + 4 V. Nos contributions au développement des cathodes froides ont permis de démontrer une première émission dans le vide à partir de cathodes GaN, avec une densité de courant maximale de 300 µA / cm2 pour une tension de polarisation de 40 V / The results presented in this manuscript relate to technological developments and device processing on wide bandgap III-N semiconductor materials. They have been focused on III-N HEMT transistors and GaN cold cathodes. They have been realised within the III-V lab, which is a common entity between: Alcatel - Thales - CEA Leti. They have been financially supported by Thales Electron Devices company (TED) and the French National Research Agency ( ANR ). Regarding III-N HEMTs, our investigations have been focused on the development of device gate processing, which includes : the structuration of gate electrodes, the study of device passivation, and the realization of Metal-Insulator-Semiconductor High Mobility Electron Transistors ( MIS-HEMTs ). The “ Normally-off ” MOS-HEMT structures we have realized exhibit performances comparable to the state of the art, with a maximum drain current density between 270 and 400 mA / mm, a ION / IOFF ratio > 1.100, and a breakdown voltage > 200V. The threshold voltage values range between + 1,8 V and + 4V. We have also been able to demonstrate prototype GaN cold cathodes providing a maximum current density of 300 µA / cm2, emitted in vacuum for a bias voltage around 40 V

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.

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