La vie dans la société contemporaine a changé énormément depuis l’invention du premier transistor électronique en 1947. L’apparition des transistors a permis la miniaturisation de systèmes électroniques de toute sorte dont la performance des transistors est aussi un aspect essentiel. Présentement, dans les marchés de semi-conducteurs à forte puissance et dans le secteur des technologies de l’information et des communications (TIC), les transistors GaN (Eg = 3,42 eV) présentent des avantages par rapport à leurs concurrents en Si et en GaAs pour les applications d’amplificateurs de puissance RF, la rectification et la commutation à forte puissance. La densité de puissance atteinte par les transistors GaN à effet de champ à haute mobilité (GaN-HEMTs) a dépassé 40 W∙mm[indice supérieur -1] à 4 GHz [Wu, Y.F. et al 2006]. Cependant, la génération de chaleur dans le canal provoque une augmentation de la température du semi-conducteur (autoéchauffement) qui provoque à la fois une diminution de la mobilité des électrons, ce qui va diminuer la performance du dispositif. Si la température du dispositif dépasse certaines limites, le dispositif risque de se dégrader de façon permanente avec un impact négatif sur la fiabilité [Nuttinck, S. et al., 2003]. Ainsi, il est très important de déterminer de façon fiable la température du canal dans les conditions réelles de fonctionnement pour modéliser le comportement des composants et pour obtenir les niveaux de performance et de fiabilité requises pour le progrès de cette technologie prometteuse. Ce projet vise au développement d’une nouvelle méthode de mesure de la température du canal des HEMTs AlGaN/GaN par contact direct avec les dispositifs, qui soit pratique et ne demande pas des systèmes sophistiqués ni dispendieux. Ainsi, on a réalisé la conception, la fabrication et la caractérisation d’une µRTD prototype potentiellement intégrable dans les dispositifs HEMT GaN. On a obtenu des capteurs qui fonctionnent de façon quasi linéaire dans une portée de températures de 25 à 275 °C et potentiellement au-delà de ces limites. On a réalisé des échantillons de transistors GaN avec des µRTDs intégrés, on a développé des dispositifs auxiliaires pour la calibration de µRTDs et pour la réalisation des mesures de température de canal (Tch) sous plusieurs conditions de polarisation. Dans un échantillon prototype, les valeurs de Tch mesurées avec le µRTD sont en accord avec des simulations 3D à éléments finis à plusieurs conditions de polarisation d’un dispositif sans-grille. Les mesures montrent des effets négligeables de perturbation électrique entre le dispositif et la µRTD [Arenas, O., et al., 2014 A]. Sur des échantillons de deuxième génération, on a mesuré la T[indice inférieur ch] d’HEMTs GaN sous plusieurs conditions de polarisation sur substrats en SiC et en saphir pour obtenir une carte Ids-Vds-Tch pour chaque dispositif [Arenas, O., et al., 2014 B]. Ainsi, les résultats obtenus démontrent que l’on peut mesurer la Tch d’un HEMT GaN polarisé en DC avec un µRTD avec peu d’interférence électrique et peu de perturbation thermique sans avoir besoin d’équipements sophistiqués ni onéreux. À l’avenir la méthode proposée peut potentiellement être appliquée sur dispositifs de plus petite taille si l’on utilise des technologies de fabrication basées sur la lithographie par faisceau d’électrons. Ainsi, elle pourra bientôt être disponible dans les plaques des dispositifs de production et de recherche.

Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro- électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispositifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui offrent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm[indice supérieur 2]/V.s) [Touati, 2007]. Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui définissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés afin de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant fixé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs. L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'optique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances. Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de différentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

L'arrivée sur le marché des transistors au Nitrure de Gallium (GaN) permet l'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs statiques. La conséquence directe est la réduction des dimensions des composants passifs et l'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs. Les bobines utilisées pour le stockage et le filtrage sont des composants très volumineux et qui occupent une place importante dans les convertisseurs. Une solution permettant de réduire les dimensions de ces bobines consiste à augmenter la fréquence de fonctionnement des convertisseurs statiques grâce aux composants GaN. Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation des bobines de stockage d'énergie, réalisées à partir de pistes de circuit imprimé (PCB) et de matériaux magnétiques souples. Ces bobines sont destinées aux convertisseurs DC-DC hautes fréquences (HF) à base de transistors GaN. Les matériaux magnétiques souples commercialisés sous forme de feuilles présentent des caractéristiques magnétiques adaptées aux applications hautes fréquences. Ainsi, elles peuvent être découpées en différentes formes géométriques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une méthode de conception des bobines PCB à base de matériaux souples pour les convertisseurs HF. Elle est basée sur un algorithme d'optimisation du volume de la bobine en prenant compte les contraintes thermiques du matériau magnétique, mais également des capacités parasites qui apparaissent en HF. La bobine ainsi conçue est réalisée puis caractérisée afin de valider l’outil de conception proposé. La dernière étape consiste à intégrer la bobine obtenue dans un convertisseur Boost synchrone à base de transistors GaN commutant à une fréquence de 1 MHz. Dans le but de tenir compte finement des contraintes thermiques durant la phase de conception de la bobine, des améliorations sont proposées, on se basant sur les résultats de validation expérimentale. / The arrival on the market of GaN power transistors allow to increase the operating frequency of static converters. The direct consequence is the reduction of the dimensions of the passive components which leads to increase the converter power density. Inductors used for storage and filtering of electrical energy are very bulky components and occupy an important place in the converters. One solution for reducing the dimensions of these inductors is to increase the operating frequency of the static converters, made possible thanks to the GaN components. The work of this thesis is about the design and realization of energy storage inductor, made from printed circuit board (PCB) tracks and flexible magnetic materials for high frequency DC-DC converters based on GaN transistors. Flexible magnetic materials marketed in the form of sheets have magnetic characteristics suitable for high frequency applications. Also, they can be cut into different geometric shapes. As part of this thesis, we have proposed a design method for PCB inductors based on flexible materials for high frequency converters. It is based on an algorithm for optimizing the volume of the inductor taking into account the thermal issues of the magnetic material and the parasitic capacitances which appear at high frequencies. The designed inductor is then characterized in order to validate the proposed design tool. The last step is to integrate the obtained inductor in a synchronous Boost converter based on GaN transistors of 1MHz operating frequency to evaluate its electrical and thermal performances. In order to take into account finely the thermal constraints in the design of the inductor, improvements are proposed, based on the results of experimental validation.

Depuis quelques années, une révolution est en cours dans l'industrie des semiconducteurs de type III-V. Les composés azotés, comme le GaN et l'AlGaN ont permis l'apparition de nouvelles sources de lumière bleue, blanche et ultra-violette. Les sources blanches, plus particulièrement, possèdent un impressionnant potentiel commercial, car elles permettront de pénétrer l'immense marché de l'éclairage domestique et industriel. On peut déjà observer leur apparition dans l'industrie de l'automobile (éclairage de tableau de bord, phares de jour), de la signalisation routière (feux de circulation), et la téléphonie cellulaire (éclairage arrière des touches et de l'écran). En effet, les diodes électroluminescentes (DELs) blanches, fabriquées à base de GaN démontrent déjà une efficacité énergétique (en lumens/Watt) qui surpasse les technologies traditionnelles comme les ampoules incandescentes et les tubes fluorescents [IEA, 2006]. Cependant, plusieurs problèmes technologiques limitent l'efficacité des DELs, notamment l'expertise dans la fabrication du GaN. Il s'agit d'une technologie ayant une faible maturité notamment en comparaison avec les autres composés III-V à base de GaAs et InP utilisés traditionnellement dans les télécommunications. De plus, l'indice de réfraction élevé du matériau empêche plus de 93% des photons générés de s'échapper du dispositif, diminuant d'autant l'efficacité. Plusieurs méthodes d'optimisation de la luminosité des DELs sont disponibles dans la littérature. Le détachement du substrat et le collage de la diode à l'envers sur un matériau conducteur est une des méthodes exploitées. Ces méthodes, souvent trop dispendieuses à cause de leur complexité, ont néanmoins démontré un grand potentiel d'amélioration de l'efficacité des dispositifs à base de GaN. L'objectif du projet consiste à développer un procédé de fabrication de DELs bleues dans le but d'augmenter considérablement (x 3) l'intensité lumineuse émise par rapport à des approches de fabrication standard et en utilisant des approches de fabrication à faible coût. Ce document présente une revue de littérature du sujet, de ses problématiques, des objectifs de projet en cours et des méthodes à mettre en oeuvre pour les réaliser dans un délai prescrit.

Les composés III-N, et le Nitrure de Gallium (GaN) en particulier, sont devenus des matériaux semi conducteurs importants pour l'ensemble de l'humanité. Depuis la fin des années 1990, ils ont permis le développement de composants électroluminescents fiables, diodes LED et diodes laser, qui constituent une solution de remplacement à rendement énergétique amélioré par rapport aux composants à incandescence. Il est possible qu'ils jouent aussi un rôle dans les nouvelles générations de composants pour l'électronique de puissance. Lors du développement des composants, des recherches expérimentales permettent de trouver assez rapidement des solutions pour réaliser les briques technologiques indispensables, mais le temps manque pour comprendre les mécanismes physiques mis en jeu. Nos travaux ont eu pour objectif d'approfondir la compréhension de l'influence de la structure physico-chimique sur les propriétés électriques des contacts ohmiques et Schottky sur GaN de type N.

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.

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.