Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2007. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 90-92). Also available on the World Wide Web.

Thesis (Ph. D.)--Oregon Graduate Center, 1988.

Th. doct.-ing.--Génie électrique--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 196.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 591.

Silicon has become the material of choice for fabrication of high circuit density, low defect density and high speed integration devices. CMOS technology has been favoured as an attractive candidate to take advantage of the performance enhancements available through miniturisation. However, hot carrier effects in general, and hot electron currents in particular, are posing as the main obstacle to a new era of sub-micron architecture in semiconductor device technology. Electron transport in modern sub-micron device is often governed by mechanisms that were not relevant to long-channel devices. Many of the classical device models are based upon such convenient assumptions as "thermal equilibrium" and "uniform local electric field". With the downscaling of devices, hot electron currents are becoming increasingly inherent. These currents arise from the fact that electrical fields in small geometry devices can reach very high values and can vary rapidly in space. The large electric field can Impart significant kinetic energies to the carriers. In thermal equilibrium, all elementary excitations in a semiconductor (eg. Electrons, holes, phonons) can be characterised by a temperature that is the same as the lattice temperature. Under the influence of large electric fields, however, the distribution function of these elementally excitations deviate from those in thermal equilibrium. The term "Hot Carriers" is often used to describe these non-equilibrium situations. In this thesis hot electron currents, in particular their physical origins and dependence upon various operational and geometrical parameters, have been discussed and then quantified in a number of models based on the "Lucky Drift" theory of transport. Temperature is then used as a tool to differentiate between the underlying physical processes, and to determine if reliability problems related to hot electron effects would improve under cryogenic operation. It has been the prime objective of this work from the outset to concentrate on the study of N-channel devices. This is primarily due to the fact that N-channel MOSFET's are more prone to hot electron effects, and therefore, studies in the nature of this enhanced susceptibility could prove to be more fruitful.

Bipolar transistors employing an MIS junction for the emitter exhibit the very desirable properties of high operating frequency and/or high common emitter gains. The topic of this thesis is to investigate the usefulness of the MIS bipolar transistor in real applications. The experimental results show two possible limitations of the devices. The principal limitation is the inability of these devices to withstand moderate temperature stressing. The second limitation is the relatively high emitter series resistance. The principal degradation mode of these devices under temperature stressing is suggested to be the reduction of the thin insulating oxide. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

A one-dimensional analytical model in the Ebers-Moll formulation of a graded base double heterojunction bipolar transistor (DHBT) is developed and used to examine the effects of base grading, the emitter-base barrier and the base-collector barrier on the d.c. current gain, offset voltage and the high frequency performance of a N — Al[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As/p — Al[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As/N — Al[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As DHBTs. Recombination processes considered in the space charge regions and the neutral regions are: Shockley-Read-Hall, radiative and Auger. The trade-off between base-grading, which reduces the base current, and the neutral base recombination, which is brought about by varying the aluminium the junctions, results in an optimum aluminium mole fraction profile regarding the d.c. current gain. For high frequency performance, a similar trade-off to that of the d.c. situation exists. In this case, the important manifestation of the increased collector-base barrier height is an increase in the base transit time. The aluminium mole fraction profile which optimises the unity gain cut-off frequency, f[formula omitted], and the unity power gain cut-off frequency, f[formula omitted], is established. DHBTs which are symmetrical, both in aluminium mole fraction and doping concentration profiles, are shown to have low common-emitter offset voltages, V[formula omitted],[formula omitted]. Base-grading reduces V[formula omitted],[formula omitted] in devices in which the difference between the emitter and collector aluminium mole fraction is < 0.1; otherwise, V[formula omitted],[formula omitted] increases as base-grading increases. The model is also used to examine the performance of a N-Al[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As/p-In[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As/N-Al[formula omitted]Ga₁[formula omitted]As DHBT. It is shown that radiative and Auger recombination limit the d.c. current gain in this device. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

Le but de cette thèse est de caractériser des transistors à nanotube de carbone (CNTFETs) par des mesures de transport couplées aux techniques électriques dérivées de la microscopie à force atomique (microscopie à force électrostatique et microscopie à sonde de Kelvin). Ici, les CNTFETs sont utilisés comme détecteur de charges locales injectées directement par une pointe AFM à une centaine de nanomètres du nanotube. La réponse électrique à cette perturbation de charges est relevée par la mesure des caractéristiques de transfert et indique un effet de grille opposé à celui attendu par le signe des charges injectées. L'imagerie des potentiels de surface du dispositif permet l'observation de la délocalisation sur toute la longueur du nanotube de charges de signe opposé à celles de la tâche d'injection. De plus, suite aux injections de charges, un phénomène périodique résonant apparaît dans les caractéristiques de transfert. Nous proposons une explication en termes d'effet tunnel inélastique lors de l'injection des porteurs dans le CNTFET à travers le contact Schottky en présence de charges à l'interface nanotube/SiO2. / The aim of this thesis is to characterize Carbon Nanotube Field Effect Transistors (CNTFETs) with both electronic measurements and electrical scanning probe microscopy (Electrostatic Force Microscopy and Kelvin Force Probe Microscopy). Here, CNTFETs are used as a detector of charges. Theses charges are directly injected from an AFM tip to the silicon dioxide layer in the vicinity of the nanotube (typically 200e at 200 nm). Electrical response to this perturbation shows an opposite gate effect with one expected from the sign of injected charges. Surface potential imaging leads to the observation of a delocalization ail along the nanotube of opposite charges in comparison with those injected. Moreover, after charge injection, periodical resonance phenomena appear in transfer characteristics. An explication is given based on inelastic tunnel effect through the Schottky contact during carriers injection in the CNTFET when charges are stored at the nanotube/SiO2 interface.

L’utilisation de matériaux grand gap, et tout particulièrement l’emploi du nitrure de gallium est une solution pour la génération de puissance aux fréquences microondes. Les HEMTs réalisés à partir du matériau GaN présentent actuellement les meilleures performances mondiales pour la génération de puissance hyperfréquence. Cependant, les concepteurs ont besoin de connaître leurs limitations électriques : Plus précisément, ils ont besoin de connaître leurs caractéristiques électriques dans leurs zones de fonctionnement et d’en avoir des modèles mathématiques intégrables dans des outils de CAO. Dans une première partie, des caractérisations électriques ont été effectuées afin de déterminer l’impact des limitations physiques sur la génération de puissance : tension de claquage, pièges de drain et de grille, résistance thermique d’interface dans l’épitaxie … Dans la deuxième partie de cette thèse, la conception et la réalisation de premières maquettes ont été effectuées en bande S (3 GHz). Ces maquettes permettent une première caractérisation des composants de puissance de plusieurs millimètres de développement de grille réalisés au laboratoire. Ces caractérisations, pour des considérations de connexions mais également thermiques ne sont pas réalisables sous pointes. Ces mesures permettent également la détermination des impédances optimales en puissance et en rendement au plus près des composants afin de les connaitre avec précision. Ces impédances seront utilisées lors de la conception des amplificateurs de puissance présentée dans la dernière partie. Dans un premier temps, une analyse de l’impact des adaptations d’entrée et de sortie sur la largeur de bande d’adaptation a été réalisée. Une attention particulière a été consacrée à l’architecture de l’adaptation d’entrée. Dans un second temps, une présentation de la conception et de caractérisation d’amplificateurs de puissance de classes 25W et 100W en bande S est présentée. Des mesures de ces amplificateurs ont montré des puissances de sortie supérieures à 120W avec un rendement en puissance ajoutée et un gain en puissance associé respectivement de 40% et 22dB. Ces résultats en termes de puissance, de rendement et de température confortent la possibilité de réaliser des amplificateurs en bande-S pour des applications radars en technologie GaN. / The use of wide-gap materials is a solution for the generation of power at microwaves frequencies, and HEMTs processed on Gallium Nitride currently present the best world performances in this domain. However, the designers need to know their electrical limitations. More precisely, they need to know their electric characteristics in their areas of operation, and also to have at their disposal mathematical model for CAD tools. In a first part, electrical characterizations were carried out in order to determine the impact of the physical limitations on the generation of power: breakdown voltage, gate-lag and drain-lag related trapping effects, thermal resistance of interface in the epitaxy…In the second part of this thesis, the design and the realization of first demonstrators were carried out in band S (3 GHz). These demonstrators allow a first characterization of the power devices with several millimeters of gate development processed in the laboratory. These characterizations are not to be done on wafer, for thermal reasons as well as electrical connections issues. They allow determining the optimum impedances for power and/or PAE very close to the DUT terminals, i.e. with a good precision. These impedances will be used for the design of the amplifiers, presented in the first part. First, an analysis of the impact of the input and output loads on the reachable bandwidth has been done. Secondly, a presentation of the design and the characterization of 25W and 100W class HPA is presented. The measurements of these latter amplifiers have shown output power higher than 120W, with a power added efficiency and an associated power gain respectively of 40% and 22 dB. These results, in terms of power, PAE and temperature, make us very confident for the future design of GaN HEMTs based amplifiers in S-band for radar applications.

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 non-destructive 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. / GaN based semi-conductors present numerous advantages linked essentially to their large band gap as compared to traditional Si systems. In addition, it is possible to form hetero-junction III-V HEMTs (High electron Mobility Transistor) like AlGaN/GaN which makes it possible to obtain both a large density of carriers confined at the heterojunction and a high electronic mobility. At the moment these systems are the most promising for high-power hyperfrequency applications. However heating occurs during operation which results in abnormal impacts on the performance of the microelectronic components. Micro-Raman characterization of these components makes it possible to understand the influence of the behaviour of the semi-conductor materials on the performance of the HEMTs in hyperfrequency mode. Micro-Raman spectroscopy being non-destructive and possessing a submicronic spatial resolution is well adapted to such studies. The use of various UV and visible excitation wavelengths (266 and 632.8 nm) makes it possible to probe the heterostructures at different penetration depths. We present results of micro Raman studies for analysis of the heterostructure composition, the stresses between layers, the thermal boundary resistance, the crystalline quality of each layer and the doping and thermal behaviour of each layer. In addition, recent time-resolved UV micro-Raman studies have made it possible to analyse the transient thermal behaviour of AlGaN/GaN HEMTs under voltage and in the active area of the component.