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The decline of easily accessible reserves pushes the oil and gas industry to explore deeper wells, where the ambient temperature often exceeds 210 °C. The need for high temperature operation, combined with the need for real-time data logging has created a growing demand for robust, high temperature RF electronics. This thesis presents the design of an intermediate frequency (IF) variable gain amplifier (VGA) for downhole communications, which can operate up to an ambient temperature of 230 °C. The proposed VGA is designed using 0.25 μm GaN on SiC high electron mobility transistor (HEMT) technology. Measured results at 230 °C show that the VGA has a peak gain of 27dB at center frequency of 97.5 MHz, and a gain control range of 29.4 dB. At maximum gain, the input P1dB is -11.57 dBm at 230 °C (-3.63 dBm at 25 °C). Input return loss is below 19 dB, and output return loss is below 12 dB across the entire gain control range from 25 °C to 230 °C. The variation with temperature (25 °C to 230 °C) is 1 dB for maximum gain, and 4.7 dB for gain control range. The total power dissipation is 176 mW for maximum gain at 230 °C. / Master of Science / The oil and gas industry uses downhole communication systems to collect important information concerning the reservoirs such as rock properties, temperature, and pressure, and relay it back to the surface. The electronics in these communication systems have to withstand temperatures exceeding 210 °C. Current high temperature electronics are not able to handle such temperatures for extended periods of time. Advancements in semiconductor technologies allow for fabrication of semiconductors that withstand high temperatures, such as GaN (Gallium Nitride). This thesis describes the design of a VGA (variable gain amplifier), which is an essential part of a downhole communication system. The VGA is designed using GaN semiconductor technology. Measured results show that the VGA shows good performance from 25 °C to 230 °C without the use of any cooling techniques, and can thus be used to design nextgeneration robust, high speed downhole communication systems.

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.

L’industrie des transports aéronautique et terrestre voit une augmentation constante de l’électrification de ses fonctions. Les actionneurs mécaniques ou hydrauliques sont au fil des évolutions technologiques remplacés par des actionneurs électriques.Les composants qui dominent le marché actuellement ne semblent plus capables de suivre la tendance. En effet, les composants de puissance à base de silicium règnent toujours sur le marché actuel, grâce à leur faible coût. Ce matériau commence par contre à atteindre ses limites théoriques en termes de performances. Dans ce contexte, différentes structures en semi-conducteurs à large bande interdite sont en train d’émerger afin de succéder au silicium.Cette étude a pour objectif d’évaluer la fiabilité des transistors de puissance à base de Nitrure de Gallium. Ces composants semblent être très prometteurs pour des applications moyennes puissances. Cependant, les mécanismes de défaillance dont peuvent souffrir ces composants ne sont pas encore suffisamment étudiés. L’étude consiste en l’application de vieillissements alliant contraintes thermiques et électriques. Ces vieillissements sont effectués à différentes conditions de tension et de température. L’objectif de cette méthode est, dans un premier temps, d’isoler l’effet de chaque facteur de stress sur l’état des composants, et dans un second temps, d’identifier les mécanismes de défaillances activés en fonction des conditions de vieillissement.Ce travail a permis d’identifier l’existence de différents mécanismes de défaillance pouvant être activés selon les conditions de vieillissement. En effet, il est apparu que la gamme de température de vieillissement utilisée influe grandement sur la prédominance des mécanismes de défaillance activés. Les résultats obtenus remettent en question les normes de qualification actuellement appliquées aux composants en Nitrure de Gallium. Ces normes devraient revoir à la hausse les températures de vieillissement utilisées afin de couvrir des gammes plus proches des températures d’utilisation pour ce type de composants. / The aeronautical and terrestrial transport industries know a steady increase in the electrification of their functions. In fact, the mechanical or hydraulic actuators are gradually replaced by electric ones.The components dominating the market today seem unable to follow the trend anymore. In fact, silicon-based power components still prevail in the current market, thanks to their low cost. However, this material begins to reach its theoretical limits in terms of performance. In this context, different wide bandgap semiconductor structures are emerging to take on from silicon.The aim of this study is to assess the reliability of power transistors based on Gallium Nitride. These components are very promising for medium power applications. However, the failure mechanisms of these components are not yet sufficiently studied. The study consists in the application of aging tests combining thermal and electrical stresses. These agings are carried out under different conditions of tension and temperature. The objective of this method is, firstly, to isolate the effect of each stressor on the state of the components, and secondly, to identify the failure mechanisms activated according to the aging conditions.This work made it possible to identify the existence of different failure mechanisms that can be activated according to the aging conditions. Indeed, it has emerged that the aging temperature range used influences the predominance of activated failure mechanisms. The results challenge the adequacy of current qualification standards for Gallium Nitride components. These standards should revise upwards the aging temperatures used to cover ranges closer to the operating temperatures of this kind of components.

Ce document porte sur le développement d’un nouveau banc de mesure pour la caractérisation de l’impédance thermique des HEMTs GaN. Le banc développé repose sur la méthode dite « 3ω » qui consiste à mesurer l’harmonique 3 d’un signal électrique véritable image des variations thermiques du composant. Un balayage en fonction de la fréquence d’excitation conduit à l’extraction de l’impédance thermique. Les résultats de mesures ont été validés par les simulations électriques. Des études complémentaires ont été réalisées pour l’identification des effets de pièges en utilisant différentes méthodes permettant l’extraction de la signature des pièges. La réalisation des modèles non-linéaires est présentée pour les transistors HEMT AlGaN/GaN et InAIN/GaN pour des applications d’amplificateur de puissance dans les bandes de fréquences X et K. / This report is devoted to the development of a new measurement bench for thermal impedance characterization of GaN HEMTs. This measurement test set uses the so-called « 3ω » technique, which consists to measure the electrical signal at third harmonic real image of the thermal magnitude variations of the device. A sweep in function of the excitation frequency allows extracting of the thermal impedance. The measurement results have been validated by electrical simulation. Other complementary studies were performed to identify the trapping effects using different methods to extract the traps signature. The realization of nonlinear models is presented for AlGaN HEMT / GaN and InAIN / GaN to the power amplification applications in frequency bands X and K.

Un des objectifs majeurs des systèmes de communication est de pouvoir transmettre des données aux plus hauts débits possibles. La demande croissante des utilisateurs pour la communication sans fil à haut débit excède déjà les possibilités des réseaux actuels. Afin de répondre à cette problématique, nous présentons des systèmes de communication basés sur des fréquences porteuses térahertz (THz), fréquences suffisamment élevées pour supporter des débits supérieurs à la centaine de gigahertz. En particulier, nous nous intéressons au développement et à l'intégration d'un détecteur haut débit destiné à la communication THz sans fil. Nous utilisons comme détecteur un transistor GaAs à haute mobilité électronique (HEMT). Contrairement aux détecteurs existants tels que les diodes Schottky, le transistor étudié offre des avantages en ce qui concerne le coût, la compacité et les performances. En particulier, l'impédance de sortie est mieux adaptée aux circuits intégrés hauts débits d'impédance d'entrée de 50 Ohm. Nous présentons une caractérisation de ce détecteur en sensibilité et en bande passante de modulation, démontrant pour la première fois sa capacité à être utilisé pour des communications à haut débit. L'intégration du transistor, indispensable à la réalisation de communications réelles, est détaillée. Une communication THz sans fil est démontrée à des fréquences de 0,200 THz et 0,309 THz. Pour la première fois, une transmission de données sans erreur a été démontrée jusqu'à un débit de 8,2 Gbps avec un transistor GaAs HEMT à une fréquence porteuse de 0,309 THz. Enfin, nous présentons de nouveaux transistors avec antenne intégrée permettant des communications à plus haut débit et de plus grande portée, grâce à une meilleure sensibilité. / One of the major objectives of communication systems is the ability to transmit data at the highest possible rates. The ever-growing user demand for wireless communication already exceeds capacities of present networks.In order to solve this problem, we introduce communication systems based on terahertz (THz) high-frequency carriers, whose frequencies are high enough to support data-rates higher than a hundred of gigahertz. In particular, we are interested in the development and the integration of a high data-rate detector intended for THz wireless communication.We use a GaAs High-electron-mobility transistor (HEMT) as detector. Unlike existing detectors such as Schottky diodes, the transistor studied in this thesis offers advantages in terms of cost, compactness and performances. In particular, the output impedance is more suitable for high data-rate integrated circuits whose input impedance is 50 Ohm. We present the characterization of the detector in terms of sensitivity and modulation bandwidth, demonstrating for the first time its ability to be used for high data-rate communications. The transistor's integration, essential for real communications, is detailed.A wireless THz communication is demonstrated around 0.200 THz and 0.309 THz. For the first time, an error-free transmission at data-rates up to 8.2 Gbps is demonstrated, using a GaAs plasma wave HEMT and a 0.309 THz carrier frequency. Finally, we present new transistors with integrated antenna, allowing communications at higher data-rates and with a longer range, thanks to a better sensitivity.

Cette thèse porte sur l’étude des transistors de puissance à haute mobilité électronique en Nitrure de Gallium à enrichissement récemment apparus sur le marché. Ces travaux se focalisent sur l’analyse physique de la défaillance lors du vieillissement de ces composants sous des profils de mission réels de commutation. Un banc de stress a été conçu et construit, permettant d’imposer des conditions de fonctionnement réel sur le transistor sans utiliser des charges et donc en minimisant la consommation d’énergie. Une autre originalité de ce banc est qu’il contient des transistors témoin qui subissent une partie du stress imposé au transistor sous test, aidant ainsi à la compréhension des dégradations. Les composants vieillis sont caractérisés électriquement pour établir les modes de défaillance. Des méthodes de décapsulation de composants et de préparation d’échantillons mulit-échelle (mm au nm) ont été également développées afin d’accéder à la zone active des transistors. Par l’analyse de la microstructure des dispositifs, avec des techniques de photoémission spectrale, microscopie électronique à balayage et en transmission, les mécanismes de défaillance sont déterminés et la corrélation avec les modes dedéfaillance correspondants est réalisée. / This PhD Thesis is about the reliability of enhancement Gallium Nitride high electron mobility power transistors, recently on the market. This work is focused on physics of failure analysis on aged devices under real mission switching profiles. A novel stress bench able of stablish real operating conditions on a transistor without using a load, so minimizing energy consumption. Also, the circuit has two additional devices that undergo separate current and voltage stresses and are used for better understanding of degradations on main device under test. Electric characterization of aged devices allows determination of failure modes. Decapsulation and sample preparation procedures at different scales were developed to access the active zone of the devices and perform micro-structural analyses by the means of spectral photoemission, scanning and transmission electronic microscopies. Then, failure mechanisms are correlated with the corresponding modes.

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 aux détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et 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 est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon-polariton 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. / The THz-domain of the electromagnetic spectrum is not frequently used, even if the generation, amplification and detection of THz-waves would open a wide range of interesting applications. In this work, we focus on plasmonic detectors as a promising alternative to the frequency-raising of high-frequency electronic detectors and to the use of thermic detectors for low-energy photons. The coupling between a THz-photon and a plasmon in a 2D electron gas (2DEG) gives birth to a plasmon-polariton, which is then turned into a continuous, measurable signal and explains the operation of the plasmonic detector. In this work, we use the 2DEG in the semiconductive heterostructure AlGaN/GaN. A metallic grating deposited on-top of the semiconductor realises the coupling between photon and plasmon. First, we used electromagnetic simulations to study the coupling between photon and plasmon and calculate the resonant coupling frequency with respect to the grating dimensions. We studied specifically a grating pattern made of two metal stripes of different widths. This pattern gives the highest sensitivity to the detectors [Coquillat et al., 2010] and had not been studied before in term of coupling efficiency. In a second time, we fabricated detectors designed to match our 0.65 THz experimental setup. These detectors have been measured at 77 K and at room-temperature. No voltage has been applied on the grating. We saw that the sensitivity variations with respect to the incident frequency correspond to the absorption spectra measured by Fourier Transform spectrometer (FTIR), what show the importance of the coupling for the detection. Monitoring the electronic density in the 2DEG is a way to monitor the plasmon-polariton resonant frequency and the detector sensitivity. We led technological development to monitor the electronic density in the 2DEG by applying a voltage on the grating. This has been a technological challenge because of the wide grating area (a few mm²). Finally, we fabricated detectors for which it was possible to monitor the resonant absorption frequency using the grating voltage.

Les composants de puissance à base de GaN sont connus par l’instabilité de leurs caractéristiques électriques, en particulier la tension de seuil et la résistance à l'état passant. Cela est dû aux effets des mécanismes de piégeage/de-piégeage des charges dans la structure. Le travail présenté dans ce mémoire se compose de deux grandes parties. Dans un premier temps, nous mettons en évidence l’effet d’un certain nombre de paramètres de commutation sur l'évolution de la résistance dynamique avec des cycles de commutation successifs. Nous analysons, en particulier, l’effet de la tension au blocage, la fréquence de commutation et la température sur l'évolution de la résistance dynamique. Dans un deuxième temps, nous présentons les résultats des essais de cyclage de puissance effectués en utilisant 80K de variation de température de jonction sur des puces de puissance MOS-HEMT Al2O3/AlGaN/GaN Normally-On. Ensuite, nous réalisons des caractérisations de pièges, basées sur des analyses de mesures de courants transitoires pendant le processus de vieillissement. Les résultats montrent qu’une dégradation irréversible affecte la tension de seuil avec une dérive vers des valeurs négatives. Ces dérives sont principalement attribuables au piégeage cumulatif avec des cycles de puissance, probablement induits par des électrons chauds, d’une manière progressive et non récupérable. / Power components based on GaN are known by the instability of their electrical characteristics, in particular the threshold voltage and the on-state resistance. This is due to the effects of trapping/de-trapping mechanisms in the structure. The work presented in this memoir consists of two main parts. At the first step, we highlight the effect of a number of switching parameters on the evolution of the dynamic resistance with successive switching cycles. In particular, we analyze the effect of blocking voltage, switching frequency and temperature on the evolution of dynamic resistance. In a second step, we present the results of power cycling tests performed using 80K of junction temperature swing on Normally-ON Al2O3/AlGaN/GaN MOS-HEMTs. Then, we perform trap characterizations, based on the analyses of transient current measurements, during the aging process. The results show that irreversible degradation affects threshold voltage with drift to negative values. These drifts were mainly attributed to cumulative trapping with power cycles, probably induced by hot electrons, in a progressive and non-recoverable way.

Ce travail de thèse se concentre sur l'évaluation de la fiabilité des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN / GaN à grille ultra-courte sur substrat silicium dédiés aux applications de puissance à une fréquence supérieure à 40GHz. Il a été réalisé au sein des laboratoires IMS Bordeaux et IEMN Lille.Ce travail compare initialement les HEMT AlGaN / GaN réalisés par croissance MOCVD avec ceux obtenus par croissance MBE. En particulier, l'analyse électrique statique a permis d'étudier l'influence de la géométrie des dispositifs sur les performances des composants.Des tests de vieillissement accéléré ont été effectués pour évaluer la robustesse des transistors HEMTs en AlGaN/GaN à grille ultra-courte sur Si. Une méthodologie basée sur une séquence d'essais de vieillissement a été définie pour établir le diagnostic in-situ d’une dégradation statique et permanente et d’une dégradation qui se traduit par un transitoire de courant de drain au cours du chaque palier de la séquence de vieillissement. La valeur de la tension critique de dégradation à partir de laquelle le courant de drain commence à diminuer de façon significative dépend des conditions de polarisation du vieillissement, de la distance grille-drain et de la longueur de grille. De plus, l’aire de sécurité de fonctionnement de cette technologie a été déterminée. / This Ph.D. work focuses on the reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on silicon substrate dedicated to power applications at frequency above 40GHz. It was carried out within IMS Bordeaux and IEMN Lille laboratories.This work initially compares AlGaN/GaN HEMTs grown by MOCVD with those grown using MBE, through electrical characterization.In particular, the device geometry impact on the device performances has been studies by static electrical characterization.Step-stress experiments are performed to investigate reliability assessment of ultra-short gate AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) on Si substrate. A methodology based on a sequence of step stress tests has been defined for in-situ diagnosis of a permanent degradation and of a degradation which is identified by a drain current transient occurring during each step of the ageing sequence . The same stress conditions were applied on HEMTs with different geometries. It is found no evolution of the drain current during non stressful steps. The value of the critical degradation voltage beyond which the stress drain current starts to decrease significantly is also found dependent on the stress bias conditions, the gate-drain distance and the gate length. Moreover, the safe operating area of this technology has been determined.