The thesis examines the prospects of using the superconductor NbN as the gatemetal for an InP HEMT. A HEMT or High Electron Mobility Transistor is aheterostructure transistor engineered to reach very high electron mobility. InPHEMTs are used as cryogenic Low Noise Amplifiers (LNAs), which have increasedin demand as quantum computing is scaling up. A superconducting NbN gate isof interest as it has the potential to decrease the amount of noise generated by theHEMT LNAs.A gate width dependence for both the transconductance (gm) and the large-signal HEMT channel resistance (RON ) of the NbN HEMTs at room temperaturehas been observed, and the first goal pf the thesis is to determine the originof the dependence. Moreover, the measured RF characteristics of the NbNdevices tend to deviate from the norm of a standard HEMT, and the secondgoal is to understand why. The third goal is to determine if the NbN gate stayssuperconducting at cryogenic temperatures or if self-heating from the channelduring DC operations will break superconductivity.In the thesis, it was possible to recreate the observed gate width dependence withnew devices, and additionally, a gate width dependence in the threshold voltageis observed. The origin of width dependence is most likely related to the straincreated by the NbN gate. At DC, extremely high peaks in the transconductanceare observed, which is most likely related to impact ionization and a subsequentincrease in hole trapping caused by the introduction of the NbN gate.Using simulations, it was possible to accurately recreate the observed deviantbehaviour, likely associated with the NbN gate’s high capacitance, inductance andresistance at room temperature. The high capacitance is likely partly related tosome NbN gates of the HEMTs being broken. Finally, the HEMT can operatein DC at 2 K with VG = 0.3 V and a maximum VD = 0.1 V before self-heatingfrom the channel will break the NbN superconductivity of the gate. This is oneof the critical conclusions of the work because it shows that a superconductinggate electrode can be implemented and functional in a high-performance HEMTdevice structure and under realistic operating bias conditions. As long as it can bedemonstrated that the superconductivity does not break when operating in RF, aNbN gate is a promising avenue to increase the noise performance of the cryogenicHEMT. / Detta arbete utforskar möjligheterna att använda supraledaren NbN som metallför gaten av en InP HEMT. En HEMT eller High Electron Mobility Transistor är entyp av transistor som är designad för väldigt hög elektron mobilitet. InP HEMTsanvänds som lågbrusförstärkare eller på engelska Low Noise Amplifiers (LNAs),vilket har ökat i efterfrågan när kvantdatorer nu skalar upp. En supraledande gateär av intresse för att den har potentialen att minska mängden brus som skapas ien HEMT LNA.Ett gatebredd beroende för både transkonduktans och RON har observerats och ettmål i arbetet är försöka fastställa dess ursprung. Utöver detta tenderar beteendet,av HEMTs med en NbN gate, att avvika från normen av en standard HEMT närden drivs i RF, och det andra målet är att förstå varför. Det tredje målet äratt fastställa om en NbN gate kommer supraleda i kryogen temperatur eller omsjälvuppvärmning från kanalen i HEMTen kommer bryta supraledningen.I arbetet var det möjligt att återskapa beroendet av gatebredden för nyaHEMTs och ett gatebredd beroende för HEMTens tröskelström observeradesockså. Gatebredd beroendet kommer troligtvis från spänning i HEMTen skapatav introduktionen av NbN gaten. I DC observerades väldigt höga toppar itranskonduktansen, vilket troligt är relaterat till processen ”impact ionization”och en efterföljande ökning i infångningen av hål som skapats på grund av NbNgaten.Genom simulationer är det möjligt att återskapa det observerade avvikandebeteendet i RF, vilket troligtvis är relaterat till NbN gatens höga resistans,kapacitans och induktans i rumstemperatur. Den höga kapacitansen är möjligtvisrelaterad till att vissa gates är trasiga. Slutligen fastställer vi att HEMTen kanvara i funktion under DC med T = 2 K, VG = 0.3 V och en max source-drainpotential av VD = 0.1 V, innan självuppvärmning bryter supraledningen. Dettaär den viktigaste slutsatsen i arbetet, eftersom den visar att en supraledandegateelektrod kan implementeras i en högpresterande HEMT och fungera underrimliga driftförhållanden. Så länge det går att visa att supraledningen inte brytsunder RF, är en HEMT med en supraledande NbN gate en lovande väg framåt föratt förbättra brusprestandan för en kryogenisk HEMT.

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Microsensor technologies based on nitride semiconductor materials were developed as options for improved exhaust gas sensors in diesel exhaust systems. The main goals were to develop new sensors that can meet the requirements given by Peugeot PSA to meet upcoming EU emissions regulations for NO, NO2, and NH3 detection. Two different sensor technologies were developed based on Schottky junction and high electron mobility transistor (HEMT) devices. Novel materials such as BGaN and BGaN/GaN superlattice structures are explored. For each device, a comprehensive analytical model is developed and simulations are carried out to optimize and design the sensor devices. Materials growth is then conducted for the different semiconductor layers, followed by materials characterizations to ensure high quality materials. Device prototypes are fabricated using various materials and functional layer designs. For device testing, an experimental setup is developed. Our experimental results show excellent sensitivity; we also report selectivity between NO and NO2 for the first time for these types of devices. Finally, we modify our devices for other sensing applications such as the detection of other harmful gases and pollutants in liquid environments.

Es wurde gezeigt, dass durch die Vorpositionierung von Quantenpunkten, diese mit einem gezielten Abstand im Bereich von einigen 100 nm zueinander und daher mit einer definierten Dichte in Speicherbauelemente eingebracht werden können. Es wurde bei tiefen Temperaturen wohldefinierte Coulombblockade demonstriert. Durch die Analyse der Coulomb-Rauten war es möglich, auf die Größe und Ladeenergie von Quantenpunkten im Kanal zu schliessen. Es wurde gezeigt, dass vorpositionierte Quantenpunkte sehr gut als Floating Gate eingesetzt werden können. Die Speichereigenschaften dieser Quantenpunkte wurden im Hinblick auf die Hysteresebreite DeltaVth in Abhängigkeit der Kanalbreite, der Drainspannung und der Temperatur untersucht und diskutiert. Hierbei konnte eine deutliche Abhängigkeit der Thresholdspannung von der Kanalbreite der Struktur ermittelt werden. Für Strukturen mit einem breiten Kanal wurde festgestellt, dass der Stromfluss bereits bei negativen Gatespannungen einsetzt, während für schmale Strukturen positive Gatespannungen nötig sind, um einen Ladungstransport hervorzurufen. Zur Bestimmung der Temperaturstabilität der Ladezustände wurde sowohl die Thresholdspannung als auch die Hysteresebreite als Funktion der Probentemperatur im Bereich von 4.2K bis Raumtemperatur bei verschiedenen Drainspannungen bestimmt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Hysteresebreite bis zu einer kritischen Temperatur stufenförmig abnimmt und danach wieder leicht ansteigt. Bei der Untersuchung der Threshold- Spannung wurde ein Unterschied Vth,zu und Vth,auf festgestellt. Erstmals konnte ein lateral und vertikal positionierter InAs Quantenpunkt als Speicher für den Betrieb bei Raumtemperatur demonstriert werden. Ferner wurde die Wirkung eines Gate-Leckstromes auf den gemessenen Drain- Strom eines monolithischen Drei-Kontakt-Struktur untersucht und diskutiert. Die untersuchten Proben basieren auf einem neuen Parallel-Design, in welchem das Gate nicht wie üblich zwischen Source und Drain positioniert wurde, sondern in serieller Verbindung mit dem Drain- oder Sourcekontakt, d.h. mit einem zentralen Drain zwischen Source und Gate, gesetzt wurde. Hierdurch konnte eine merkliche Reduzierung des Probeninnenwiderstandes erreicht werde. Zu Beginn wurden zur Charakterisierung der Probe Transportmessungen bei Raumtemperatur durchführt. Hierbei konnte verglichen mit herkömmlichen Quantendrahttranistoren realisiert auf demselbenWafer, zum einen eine deutlich höhere Transconductance durch das parallele Design erreicht werden. Zum anderen zeigte die ermittelte Transconductance nicht den erwarteten linearen Verlauf in Abhängigkeit der Drainspannung, sondern einen quadratischen. Die Messungen zeigten außerdem einen Abfall des Drain-Stromes ab einer kritischen Größe des Gate-Leckstromwertes, welcher auf ein dynamisches Gate, hervorgerufen durch die Ladungsträger aus dem Gate, zurückgeführt wird. Diese zusätzliche virtuelle Kapazität addiert sich in paralleler Anordnung zum geometrischen Gate-Kondensator und verbessert die Transistoreigenschaften. Zum Abschluss der Arbeit wurden Hochfrequenzmessungen zur Ermittlung einer Leistungsverstärkung von Drei-Kontakt-Strukturen bei Raumtemperatur für unterschiedliche Gate- und Drainspannungen durchgeführt. Um die Hochfrequenzeigenschaften der untersuchten Probe zu erhöhen, wurde hierfür ein Design gewählt, in welchem die Goldkontakte zur Kontaktierung sehr nahe an die aktive Region heranragen. Für diese Spannungskombination konnte für eine Frequenz im Gigaherz-Bereich eine positive Spannungsverstärkung > 1 dB gemessen werden. Höhere Spannungen führen zu einem Sättigungswert in der Leistungsverstärkung. Dies wird zurückgeführt auf den maximal zur Verfügung stehenden Strom in der aktiven Region zwischen den nahen Goldkontakten. Zudem wurde eine Lösung vorgestellt, um das fundamentale Problem der Impedanzfehlanpassung für Hochfrequenzmessungen von nanoelektronischen Bauelementen mit einem hohen Innerwiderstand zu lösen. Eine Anpassung der unterschiedlichen Impedanzen zwischen Bauelement und Messapparatur ist unbedingt notwendig, um Reflexionen bei der Übertragung zu vermeiden und somit die Gewinnoptimierung zu erhöhen. Zur Behebung der Fehlanpassung wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Impedanz-Anpassungs-Netzwerk auf einer PCB-Platine realisiert, welches mit der Probe verbunden wurde. Die Anpassung wurde durch eingebaute Strichleitungen in das Layout des Anpassungsboards vorgenommen. Durchgeführte Simulationen der Probe in Verbindung mit dem Anpassungs-Netzwerk bestätigten die experimentellen Ergebnisse. Durch die Anpassung konnte der simulierte Reflexionskoeffizient deutlich reduziert werden, bei gleichzeitiger Erhöhung des Transmissionskoeffizienten. Ebenfalls zeigten die Messungen an einer Drei-Kontakt-Struktur mit Anpassungs-Board eine signifikante Verbesserung der Leistungsverstärkung. / Dynamical Charging and Discharging of laterally aligned quantum dot structures We can demonstrate that the direct positioning enables us to embed quantum dots with given periods to each other of only a few 100 nm and therefore with a defined density into the memory-structures. For low temperatures, well defined Coulombblockade can be observed. The analysis of the measured diamond patterns allows the determination of the dimension and the charging energy of the embedded quantum dots in the channel. The memory properties of these quantum dots were analyzed and discussed in terms of the hysteresis width DeltaVth which depends on the channel width, the applied drain voltage and the device temperature. The measurements reveal a dependence of the threshold voltage on the channel width of the structure. For devices with a wide channel the current transport sets in with negative applied gate voltages, in contrast to structures with narrow channels, requiring positive gate voltages to cause a current flow through the channel. To explain these results we assume that in large channels a higher negative voltage is necessary to deplete the charges out of the channel due to the higher charge density. To analyze the temperature stability of the charge states the threshold voltage as well as the hysteresis width is detected as a function of the temperature for different drain voltages in the range of 4.2K up to room temperature. It is determined that the hysteresis width decreases to a critical temperature before it rises again. For the investigation of the threshold voltage a difference between Vth,up and Vth,down is demonstrated. We assume that this difference is caused by the different charging behavior for increasing charge energies. In this work, lateral and vertical positioned InAs quantum dots could be demonstrated as a memory device operated at room temperature for the first time. Improved transistor functionality caused by gate leakage currents in nanoscaled Three Terminal Structures Further we investigate the role of gate leakage on the drain current in a monolithic, unipolar GaAs/AlGaAs heterostructure based on three leaky coupled contacts. Two in-plane barriers, defined by rows of etched holes in a two-dimensional electron gas, separate the leaky gate from the central drain and the drain from the source. Because of this the internal resistance of the structure can be appreciably decreased. It should be noted that the observed differential voltage amplification in the gate leakage regime of the studied structure is by far larger compared to the voltage amplification of any in-plane wire transistor fabricated from the same wafer, which were controlled by two non-leaking in-plane gates. The calculated transconductance increases quadratically and not in a non-linear manner, as expected. A pronounced reduction of the drain current sets in when the gate starts to leak, pointing at a large parallel gate capacitor. We associate the gate-leakage current induced gating with a virtual floating gate induced by the space charge injected from the gate. The space charge can hereby be described by a parallel gate capacitor that can control a low dimensional channel lying nearby. High frequency measurements on Three Terminal Structures High frequency measurements for determination of the power gain in Three Terminal Structures are carried out at room temperature. To improve the high frequency properties of the investigated structures a special design was chosen, where the gold contacts for contacting the sample approach very closely the active switching region. The measurements show that negative gate voltages are much more efficient to the power gain than positive ones. For these voltage combinations a power gain > 1 dB for frequencies in the GHz range is detected, whereas the power gain saturates for higher voltages. This is interpreted in terms of the maximum number of charges in the active region between the gold contacts. Furthermore an answer to the fundamental obstacle of the impedance mismatch for high frequency measurements on nanoelectronic structures with high internal resistance is given. Such a matching between the device and the measurement setup is necessary to reduce signal reflections and therefore increase the gain. To match the impedances, an impedancematching- network on a PCB-plate (printed circuit board) via integrated stubs was realized. Simulation data of the sample in connection with the matching-network is in very good agreement with the experimental data. Using the network reduces the simulated reflection coefficient and simultaneously raises the transmission coefficient. The measurements also show a significant improvement of the power gain behaviour.

Les travaux décrits dans cette thèse permettent d’apporter une contribution à quelques dispositifs existants à base de matériaux semiconducteurs à large bande interdite. Le premier concerne les oscillateurs de puissance HF et le second les amplificateurs de puissance en hyperfréquence. Les composants retenus pour réaliser ces deux dispositifs sont les diodes à effets tunnel résonant et les transistors à haute mobilité électronique. Ce travail de thèse est donc scindé en deux parties distinctes : - Les diodes à effet tunnel résonant AlGaN/GaN: les outils de simulations rigoureux du transport électronique vertical dans les hétérostructures de nitrures n’existent pas ou ne sont pas accessibles en Europe. Ceci a nécessité la conception d’un nouvel outil de simulation pour analyser et optimiser les dispositifs et aider à la conception. Le modèle développé dans ce manuscrit de thèse est basée sur la résolution auto-cohérente des équations de Schrödinger-Poisson dans l’approche des fonctions de Green hors équilibre. Coté technologique, la stratégie employée pour obtenir un certain nombre d’hétérostructures libres de dislocations reposait sur la réalisation de nano-diodes en suivant les deux approches suivantes. La première dite « ascendante » met en œuvre la technique d’épitaxie sélective sur des ouvertures de masque diélectrique et sur des piliers GaN avec des diamètres compris entre 100 nm et 5 µm. La seconde approche dite « descendante » repose sur la réduction de taille des dispositifs et par voie de conséquence du nombre de dislocations présentes en leur sein. Les caractéristiques électriques de ces nano-diodes ont pu être mesurées sous micro-pointes au FIB, au nano-probe et analyseur de réseau. Le phénomène de NDR est étudié en fonction du sens de la polarisation, du traitement électrique, de la température et du taux d’aluminium dans les couches barrières AlGaN. - Les transistors à haute mobilité mobilité AlGaN/GaN: la première étape de cette seconde partie a consisté à réaliser une structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN à l’état de l’art. La seconde étape a porté sur l’amélioration de la résistivité de la couche buffer GaN soit en y incorporant de l’aluminium ou du bore. Plusieurs épaisseurs et positions de la couche BGaN dans la structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN ont été testées en vue de déterminer la structure optimale. Les études comparatives entre les structures HEMT AlGaN/GaN avec et sans couche BGaN, ont permis de montrer que l’utilisation de cette dernière comme couche contre-barrière permettait d’améliorer drastiquement le confinement des porteurs dans le canal 2DEG et de réduire nettement le dopage résiduel de la zone active. / The work described in this thesis contributes to the improvement on some circuit based on wide band gap semiconductors. The first concerns the oscillators and the second RF amplifiers at microwave frequencies. Components selected to build these two devices are resonant tunneling diodes and high electron mobility transistors. This thesis is divided into two distinct parts:-The resonant tunneling diodes AlGaN/GaN: a software that provides a rigorous description of vertical transport in nitride heterostructures does not exist or are not available in Europe. In this thesis, we developed a model based on the self-consistent resolution of the Schrödinger and Poisson equation using the non-equilibrium Green functions. The strategy employed to obtain some heterostructures free from dislocations is based on the realization of nano-diodes in the following two approaches. The first approach "bottom-up" implements the technique of selective epitaxy on nano-patterned GaN template. The second approach called "top down" is based on the reduction of device size and consequently the number of dislocations. The electrical characteristics of these nano-diodes have been measured by FIB, Nanoprobe and vector network analyzer. The negative differential resistance is studied depending in both direction of bias, electrical treatment, temperature and aluminum incorporation in the AlGaN barriers layers.- The high electron mobility transistors AlGaN/GaN: the second part was aimed to perform a conventional AlGaN/GaN HEMT structure exhibiting in the state of the art performance. To do that, we focused on improving the resistivity of the GaN buffer layer by incorporating either of aluminum or boron. Several positions and thicknesses of BGaN layer in the conventional AlGaN /GaN HEMT structure were tested to determine the optimal structure. Comparative studies between AlGaN/GaN HEMT structures with and without BGaN layer have shown that the use of BGaN layer as a back-barrier drastically improves the carrier confinement in the 2DEG channel and significantly reduces the residual doping of the active area.

L’amplificateur haute puissance d’un radar, qui est l’un des éléments définissant les performances du système, est un sujet constant de rechecherche afin d’améliorer sa puissance et son rendement. Des améliorations des performances peuvent être apportées par la combinaison d’une technologie relativement nouvelle, le HEMT GaN et de classes de fonctionnement d’amplificateur à haut rendement telles les classes de commutation. Ces dernières faisant usage des harmoniques du signal complexe émis par l’amplificateur en compression, une caracterisation non linéaire est requise. Ce type de caractérisation existe déjà en mode CW et pulsé périodique. Cependant, le mode pulsé périodique n’apporte qu’une approximation du train d’impulsions radar réel excitant l’amplificateur, négligeant les effets causés par le train de pulse. Cela concerne particulièrement la technologie HEMT GaN qui est susceptible à des effets thermique et de mémoire. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure reposant sur un prototype de NVNA basé sur des mélangeurs capable de mesurer trois fréquences simultanément, permettant la caractérisation non linéaire d’un amplificateur en condition radar réelle en terme de train d’impulsions. Cet instrument a été validé par des mesures CW et pulsée périodique en utilisant un appareil type LSNA et un VNA disponible sur le marché. La technique mesure, optimisée dans ce travail jusqu’à 12GHz, permet de visualiser des effets causés par le train d’impulsions sur l’amplificateur de puissance tout en mesurant les trois premiers tons du signal complexe au meilleur rapport signal à bruit disponible grâce à l’architecture de l’instrument. / Radar high power amplifier, that is one of the performance defining elements of a radar system, is under constant investigation to improve its power and efficiency. Improvement can be provided through the combination of relatively new transistor technology such as HEMT GaN and the use of high efficiency functioning class such as commutation classes. Commutation classes making use of harmonic tones of the complex signal of the amplifier at compression, non- linear characterization is required. Such characterization already available for CW and periodic pulse signal. However periodic pulse only provide an approximation of the actual radar pulse train the amplifier will be submitted to, overlooking effects cause by the pulse train. This affect especially on HEMT GaN which is prone to thermal and memory effects. This work propose a new measurement technique relying on a developed mixer based NVNA prototype able to measure three frequencies simultaneously, allowing the non linear characterization of a power amplifier in actual non periodic radar pulse train. The instrument was validated in CW and periodic pulse condition using commercially available NVNA and a LSNA. The measurement technique, optimized in this work to be performed up to 12GHz, allowed to see effects caused by the radar pulse train on a power amplifier performance while recording all three tones at best signal to noise ratio available thanks to the instrument architecture.

Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Dans ce sens, l’alternative de l’exploitation de bande de plus haute fréquence et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de production et d’encombrement des dispositifs. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vue de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisées et des premiers produits commerciaux disponibles.L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d’une modélisation de transistors fabriqués expérimentalement à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail sera portée sur la caractérisation thermique du dispositif ainsi que sur la modélisation d’éléments passifs pour la conception d’un circuit hyperfréquence de puissance.. / Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of passive elements suited for the design of hyperfrequency power circuits.

Ce travail de thèse a consisté à faire une étude théorique et expérimentale des transistors HEMTs Al(In,Ga)N/GaN . Il a été réalisé au sein du groupe Composants et Dispositifs Micro-ondes de Puissance à L’IEMN. Il s’articule autour de quatre chapitres qui permettent d’abord d’évoquer les principales propriétés physiques des matériaux nitrurés, de présenter les principes de fonctionnement des HEMTs Al(In,Ga)N/GaN et d’exposer à travers l’état de l’art, leurs performances en termes de puissances hyperfréquences. Ensuite l’analyse des contacts de type Schottky et ohmique a été réalisée notamment à températures cryogéniques dans le but d’identifier les différents modes de conduction qui s’opèrent en leur sein. Puis les caractéristiques statique et hyperfréquence de transistors HEMTs Al(In, Ga)N/GaN fabriqués pour les besoins de cette thèse ont été étudiées et présentées. Celles-ci ont permis d’étudier les performances fréquentielles de ces transistors au travers d’une étude originale basée sur le temps de transit. Enfin les effets de pièges d’interfaces qui constituent l’une des limites fondamentales inhérentes à ce type de composants ont été caractérisés et quantifiés par différentes méthodes de spectroscopies de défauts (méthode de la pente sous le seuil, de la conductance, haute fréquence - basse fréquence …). / This PhD work consisted in a theoretical and experimental study of Al(In, Ga)N/GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistor). It was carried out in Microwave Power Devices group at IEMN (Institut d’électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie). The manuscript is shared in four chapters: The first chapter deals with the main physical properties of nitride materials. It presents the main specificities of Al(In,Ga)N/GaN HEMTs and exposes through the state of art, their performance in terms of microwave power. The second part describes Schottky and Ohmic contacts analysis based in particular to cryogenic temperatures measurement in order to identify the different conduction modes occurring within. In the third chapters, we studied static and microwave characteristics of Al(In,Ga)N/GaN HEMTs manufactured for the purposes of this thesis. They are used to examine the frequency performance of these transistors through an original study based on transit time. And finally, the last chapter explains the effects of traps interfaces that constitute one of the fundamental limitations inherent to this type of components. They are characterized and quantified by several defects spectroscopy methods such as subthreshold slope method, conductance method, high frequency - low frequency method...

Les transistors à haute mobilité électronique à base de Nitrure de Gallium sur substrat de silicium (GaN-sur-Si) sont des candidats prometteurs pour les futures générations de convertisseur de puissance. Aujourd’hui, plusieurs verrous techniques ralentissent la commercialisation de cette technologie au niveau industriel, en particulier pour les applications requérant de haute tension (≥ 600 V). Dans ce contexte, ces travaux constituent une contribution au développement de composants innovants à base de GaN-sur-Si fonctionnant au-delà de 1kV. Nous nous sommes principalement focalisés sur l’amélioration de la tenue en tension de ce type de transistors au travers du développement d’un procédé de gravure localisée du substrat en face arrière permettant de supprimer le phénomène de conduction parasite localisé entre les couches tampons et le substrat. Ce procédé ainsi que l’utilisation de structures d’épitaxie innovantes nous ont permis d’observer une amélioration drastique des performances électriques des transistors à haute tension. Nous avons pu notamment démontrer pour la première fois la possibilité de délivrer des tenues en tension de plus de 3 kV sur cette filière émergente. Ces résultats obtenus, supérieurs à l’état de l’art, laissent envisager l’utilisation des technologies GaN-sur-Si pour les moyennes et hautes gammes de tension (>1000V). / GaN-based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) on Silicon substrate (GaN-on-Si) are promising candidates for future generations of power converters. Today, technical limitations need to be overcome in order to allow the industrial commercialization of this technology, particularly for high-voltage applications (≥ 600 V). In this frame, this work constitutes a contribution to the development of innovative GaN-on-Si devices operating above 1kV. We mainly focused on the improvement of the blocking voltage of the transistors with the realization of a local substrate removal process with the aim of suppressing the parasitic conduction phenomena between the buffer layer and the substrate. Owing to an improved technological process and innovative epitaxial structures, we observed a drastic improvement of the electrical performances of the transistor under high voltages. In particular, we have been able to demonstrate for the first time a blocking voltage above 3kV for this emerging technology. These results, well beyond the state of the art, pave the way for higher voltage operation GaN-on-Si power devices.

This research effort advances millimeter-wave transistor modeling in a current RF/Microwave circuit simulator (Agilent's Advanced Design System-ADS) for small-signal noise and large signal simulations. The device modeled is a metamorphic High Electron Mobility Transistor (mHEMT) supplied by Raytheon RF components. Because of their structure, these new low noise devices are used in this work to test the abilities to accurately model in the sub 0.5dB noise figure territory and to study model prediction into W-band (75-110 GHz). New modeling issues discussed in this thesis involve the effects of noise modeling in relation to the small-signal model parameters. The noise modeling identifies two methods of extraction and how to determine good noise data. Other modeling topics addressed are the use of an advanced nonlinear model, and the ability to optimize for gain compression in the nonlinear model. Several measurement systems were used in the extraction and validation of this modeling effort. They consist of the ATN NP5 noise system, Maury Automated Tuner System, Agilent's IC-CAP, and Gateway's Special. The concept behind using these systems was to construct a complete modeling reference for a transistor and validate it against noise parameter and nonlinear measured data. Since the modeling work for this thesis is built on previous work, one goal has been to bring past USF field-effect transistor (FET) modeling efforts up to date and refine them for future use. The noise measurements were compared to results from Raytheon to validate the USF ATN noise parameter measurement system. Also the IC-CAP modeling system has been validated in measuring the test devices using the Maury load-pull system. Small-signal and noise modeling were accomplished using techniques standardized from several technical papers and prior USF Ph.D. work relative to the model extraction. The IC-CAP modeling software also provided a straightforward platform for large-signal model extraction that is documented in this thesis. Using optimization in ADS, a final nonlinear was created. Measured DC, S-parameter, noise parameters, harmonic power, TOI, load-pull, and efficiency measurements were shown to compare well with model data simulated in ADS. Temperature scaling was also executed using a linear approximation of model values over measured temperatures in the noise model. The results presented show that the models developed illustrate good fitting of the behavior of the mHEMT device.