In this thesis I present a study of nanowires, and, in particular, I apply EBIC microscopy for investigation of their electro-optical properties. First, I describe details of the EBIC analytical technique together with a brief historical overview of the electron microscopy, the physical principles of the EBIC, its space resolution, parameters defining the signal amplitude, and the information we can acquire concerning defects, electric fields, etc. Then I focus on the characterization of LEDs based on GaN nanowires, which were analyzed in a cross-section and in a top view configurations. The EBIC measurements were correlated with micro-electroluminescence mapping. Further, I address the fabrication and measurement of nanowire-based InGaN/GaN LEDs detached from their original substrate. I present the EBIC measurements of individual nanowires either cut from their substrate and contacted in a planar geometry or kept standing on supphire substrate and cleaved to reveal the horizontal cross-section.The next part of this thesis is dedicated to an EBIC study of irregular Si nanowire array-based solar cells, and then of the regular nanowire array devices. The current generation was analyzed on a submicrometer scale. Finally, I discuss the fabrication and EBIC measurements of GaN nanowires grown on Si substrate. In particular, I show that the p-n junction was induced in the Si substrate by Al atom diffusion during the nanowire growth. / Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale.La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils.

Les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) en nitrure de gallium (GaN) s’affirment comme les candidats prometteurs pour les futurs équipements à micro-ondes - tels que les amplificateurs de puissance à état solide (SSPA), grâce à leurs excellentes performances. Une première démonstration d'émetteur en technologie GaN-MMIC a été développée et embarquée dans la mission spatiale PROBA-V. Mais cette technologie souffre encore des effets de pièges par des défauts présents au sein de la structure. L’objectif de ce travail est donc l'étude d’effets de pièges et des aspects de fiabilité des transistors de puissance GH50 pour des applications en bande C. Un protocole d’investigation des phénomènes de pièges est présenté, qui permet l’étude des dynamiques des effets de pièges du mode de fonctionnement DC au mode de fonctionnement radiofréquence, basé sur la combinaison des mesures IV impulsionnelles, des mesures de transitoires du courant de drain avec des impulsions DC et RF et des mesures de paramètres [S] en basse fréquence. Un modèle de HEMT AlGaN/GaN non-linéaire électrothermique est présenté, incluant un nouveau modèle thermique de pièges restituant le comportement dynamique de ces pièges et leurs variations en température afin de prédire correctement les performances en conditions réelles de fonctionnement RF. Enfin, une méthodologie temporelle pour l’évaluation de la fiabilité et de limites réelles d'utilisation de transistors dans l'amplificateur de puissance RF en régime d’overdrive (très forte compression), basée sur la mesure monitorée de Formes d'Onde Temporelles (FOT), est proposée. / GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) are promising candidates for future microwave equipment, such as new solid state power amplifiers (SSPAs), thanks to their excellent performance. A first demonstration of GaN-MMIC transmitter has been developed and put on board the PROBA-V mission. But this technology still suffers from the trapping phenomena, principally due to lattice defects. Thus, the aim of this research is to investigate the trapping effects and the reliability aspects of the GH50 power transistors for C-band applications. A new trap investigation protocol to obtain a complete overview of trap behavior from DC to radio-frequency operation modes, based on combined pulsed I/V measurements, DC and RF drain current measurements, and low-frequency dispersion measurements, is proposed. Furthermore, a nonlinear electro-thermal AlGaN/GaN model with a new additive thermal-trap model including the dynamic behavior of these trap states and their associated temperature variations is presented, in order to correctly predict the RF performance during real RF operating conditions. Finally, an advanced time-domain methodology is presented in order to investigate the device’s reliability and to determine its safe operating area. This methodology is based on the continual monitoring of the RF waveforms and DC parameters under overdrive conditions in order to assess the degradation of the transistor characteristics in the RF power amplifier.

L’intégration monolithique hétérogène de composants III-N sur silicium (Si) offre de nombreuses possibilités en termes d’applications. Cependant, gérer l’hétéroépitaxie de matériaux à paramètres de maille et coefficients de dilatation très différents, tout en évitant les contaminations, et concilier des températures optimales de procédé parfois très éloignées requière inévitablement certains compromis. Dans ce contexte, nous avons cherché à intégrer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrure de Gallium (GaN) sur substrat Si par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) en vue de réaliser des circuits monolithiques GaN sur CMOS Si. / The monolithic integration of heterogeneous devices and materials such as III-N compounds with silicon (Si) CMOS technology paves the way for new circuits applications and capabilities for both technologies. However, the heteroepitaxy of such materials on Si can be challenging due to very different lattice parameters and thermal expansion coefficients. In addition, contamination issues and thermal budget constraints on CMOS technology may prevent the use of standard process parameters and require various manufacturing trade-offs. In this context, we have investigated the integration of GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) on Si substrates in view of the monolithic integration of GaN on CMOS circuits.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d’intégrer ces composants dans un système électronique, l’analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L’objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d’hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d’analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L’étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L’étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés. / The manufacture of semiconductor components based on gallium nitride (GaN) is currently undergoing a major expansion. This material, by his physical and chemical attractive properties, is a very good candidate for the manufacture of high power and hign frequency operating components. In practice, before integrating these components in an electronic system, the analysis of reliability is a necessary step to validate the used manufacturing technology. The objective of this work is to determine physical mechanisms responsible for the performance degradation of high electron mobility transistors (HEMT) based on AlGaN/GaN and AlInN/GaN heterostructures. At first, the static characterization of the components, by current and capacitance measurements at different temperatures, allowed us to identify anomalies in the characteristics. This non-ideality due to thermal effects seem to come from the trapping mechanisms of carriers by defects in the material. In order to analyze these mechanisms, deep levels transient spectroscopy measurements(DLTS) were carried out on the Schottky contact of the gate. The next step was to measure the deep traps in HEMTs by DLTS on drain current, in order to identify defects directly related to the current in these devices. This study was performed on different components with different geometries to analyze the behavior of these traps. The study of the gate contact is an important step in determining the origin of component failure. For this, we conducted a deep study on different transport mechanisms across the metal/semiconductor barrier. This study allowed us to conclude on the stability of the gate contact after the accelerated aging tests.

Les futurs modulateurs optiques doivent satisfaire à des exigences auxquelles les modulateurs électro-optiques actuels ne peuvent plus répondre (tension de commande et dimensionnement faible, fonctionnement dans la gamme 0-40GHz à faibles pertes). Il devient alors nécessaire d'envisager de nouveaux moyens de réaliser une modulation rapide à faible consommation. Ce travail s'inscrit au sein d'un projet amont de la DGA, afin d'évaluer le gain potentiel de la plasmonique sur semiconducteurs pour la modulation optique. Nous avons d'abord sélectionné des couches de GaN sur saphir avec d'excellentes propriétés optiques et des pertes de propagation de l'ordre de 0,6dB/cm. Ensuite, nous avons montré la génération d'une résonance plasmonique à l'interface Au/GaN. Un travail d'optimisation a été réalisé en vue de rendre sa modulation efficace par variation de l'indice du GaN. Plusieurs dispositifs de démonstration ont été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Si les résultats optiques obtenus ont montré un effet de variation d'indice nouveau jusqu'à Δn=10-2 pour plusieurs dizaines de volt, les pertes RF de propagation se sont révélées élevées, proches de 16dB/cm à 20GHz. En parallèle, une structure à effet d'électro-absorption utilisant un multipuits quantique sur InP a été conçue et caractérisée par couplage par prisme et a montré des variations d'indice de l'ordre de 2×10-3 à 2,5V. Ces travaux de thèse, précurseurs dans ce domaine au sein du laboratoire, vont permettre d'orienter les recherches futures vers de nouveaux matériaux pour l'optoélectronique, mais aussi de mettre en exergue les points durs de la plasmonique pour la modulation optique sur semiconducteurs.

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’outil d’épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l’influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d’envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n’étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s’inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l’échelle nanométrique. / This thesis is devoted to the study of HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) method of growing GaN and GaAs nanowires with and without catalyst. A systematic study of the influence of the growth conditions on GaN formation was performed in order to demonstrate the feasibility of this growth on c-plane sapphire and silicon substrates without preliminary treatment of the surface. We have demonstrated by VLS-HVPE the growth of the GaN nanowires with constant diameters of 40 to 200 nm and of length up to 60 μm, while they possess remarkable optical and crystal quality. The newly observed stability of the zinc blende structure for GaAs nanowires with diameters of 10 nm has been described by the VLS-HVPE process, for lengths of few tens of micrometers. The growth mechanisms are discussed based on the phase diagram and the physics of near-equilibrium HVPE using chloride precursors. For III-V semiconductors, the study allows us to consider applications related to long nanowires that, at present, are used only for silicon. This work shows that in the context of Nanoscience, the fast growth HVPE method deserves a wider audience and thus could be considered as an effective complementary tool to MOVPE and MBE processes for the controlled shaping of matter on the nanoscale.

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN) et notamment de l'hétérostructure AlGaN/GaN, semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer et d'optimiser l'étape d'isolation de la grille lors la réalisation de transistors MIS-HEMT de puissance sur hétérostructure AlGaN/GaN, le but étant de réduire les courants de fuite de grille sans perturber les propriétés du transistor. Après avoir évaluation, le choix s'est porté sur l'alumine Al2O3 déposé par ALD comme diélectrique de grille. L'étude s'est d'abord concentrée sur l'analyse de l'influence de traitements, chimiques ou plasma, sur la contamination de la surface d'AlGaN au travers d'analyses XPS et AFM. Puis, l'influence du diélectrique de grille a été évalué à travers la réalisation et la mesure électrique de dispositifs, diodes et transistors, en variant les méthodes de dépôt par ALD. Enfin, l'impact d'un recess par gravure ICP-RIE partielle ou complètes de la barrière d'AlGaN sous la grille a été étudiée. La réalisation d'un HEMT passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, et le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/AlGaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, mais aussi la nature et la technique de dépôt du diélectrique. Ainsi il apparaît à travers l'étude qu'un traitement de surface à l'ammoniaque à haute température est le plus efficaces pour retirer les contamination en oxydes natifs. Les mesures électriques, C(V) et Id(Vg), ont quant à elle montrés la supériorité de la PEALD par rapport à un dépôt thermique conventionnel. Ceci peut s'expliquer par le fait que le plasma oxygène qui entre jeu lors du dépôt de l'alumine par PEALD semble nettoyer la surface lors des premiers cycles, retirant notamment la contamination carbone. Cela permet d'avoir une meilleure interface entre l'alumine et le semi-conducteur, limitant les pièges à l'interface et dans l'oxyde. Cela a réduit de manière considérable les courants de fuite de grille, sans détériorer la qualité et la rapidité de la transition entre l'état on et off. De plus, les HEMTs réalisé étant de type normally-off, le recess de grille par gravure ICP-RIE a été implémenté afin de rendre moins négative la tension de pincement. Cela a été réalisé avec succès, notamment avec la réalisation d'un composant de type noramlly-off grâce à un recess total de la barrière d'AlGaN sous la grille. Des résultats à l'état de l'art ont été obtenus à travers une approche simple, et un processus de création de transistors robuste et hautement reproductible, avec une réduction importante des courants de fuite de grille et une pente sous le seuil record. Afin de compléter l'étude il conviendra par la suite de réaliser des études de fiabilité, notamment à travers des mesures dynamiques pour évaluer notamment les phénomènes de dégradation du Ron. / With its large band gap, Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The main objective of this thesis was the development and optimization of the insulating step taking place in the elaboration of MIS-HEMT transistors on an AlGaN/GaN heterstroctructure. In order to reduce gate leakage currents without degrading the device properties, alumina Al2O3 deposited by ALD was chosen as a gate dielectric. The study was first centered on the influence of surface treatments, chemical or plasma, regarding surface contamination. Their impact was analyzed through XPS and AFM. Secondly, electrical measures were performed on complete MIS-HEMT diodes and transistors to evaluate the influence of the alumina insulating layer depending on the ALD deposition method. Lastly, partial and full recess of the AlGaN barrier was studied via ICP-RIE etching. The gate dielectric deposition is one of the crucial steps intervening in the HEMT creation process. The quality and control at the Al2O2/AlGaN interface being paramount, it will directly influence the device's electric properties. This involves control ing the semiconductor surface, but also the nature and deposition technique of the dielectric. As such, an ammonia-based treatment at high temperature appears to be the most efficient in reducing native oxygen contamination. Regarding electric performances, C(V) and Id(Vg) measures showed the superiority of PEALD compared to traditional thermal ALD deposition. This can be explained by the fact that the oxygen plasma used as oxydant during the alumina deposition by PEALD seems to clean the surface during the first cycles, mostly by reducing carbon contamination. This allowed to achieve a better interface between the semiconductor and the insulting layer, thus limiting traps at the interface or in the oxyde. This allows to considerably reduce gate leakage currents, without degrading the quality and transition sharpness between the on and off state. Moreover, the realized HEMTs being normally-off, gate recess etching via ICP-RIE was implemented in order to make the threshold voltage less negative. This was successfully achieved, especially through the realization of a normally-off transistors thanks to a full recess of the AlGaN barrier under the gate. State of the art results were achieved through a simple approach, and a robust and highly reproducible transistor elaboration process, with great reduction of gate leakage currents and a record sub-threshold slope. In order to complete the study, it will be necessary in the future to proceed to viability studies, especially through dynamic electric evaluation, in order to evaluate for instance Ron degradation phenomenons.