Ce travail porte sur la conception et la réalisation de photodiodes UTC en GaInAs/InP pour la détection de fortes puissances optiques jusqu'à 20 GHz. La solution choisie est une photodiode à éclairage par la face arrière compatible avec un report flip-chip sur des lignes hyperfréquences. La première partie de cette étude consacrée à l'optimisation simultanée de la bande passante et de la responsivité a mis en avant l'importance de la conception de l'absorbant et du collecteur. En particulier, l'introduction d'un champ électrique statique dans l'absorbant grâce à un graduel de dopage est essentielle pour atteindre simultanément une responsivité élevée (0,8 A/W à l,55 µm) et une large bande passante = 20 GHz sous fort photocourant). Dans un second temps, l'analyse des mécanismes de saturation a permis de dégager les principaux axes d'optimisation sous forte puissance: la réduction de la dépolarisation de la jonction, l'atténuation des effets de charge d'espace et l'amélioration de la dissipation thermique. Ainsi, une nouvelle structure de collecteur à dopage non uniforme est proposée. Elle permet de repousser les limites de saturation de la photodiode et permet d'atteindre des courants = 100 mA à 20 GHz, au meilleur niveau de l'état de l'art. Enfin, une étude théorique et expérimentale de la linéarité des photodiodes UTC de puissance est présentée. Les photodiodes développées montrent une excellente linéarité atteignant des points d'interception d'ordre 3 (IP3) de 35 dBm à 20 GHz faisant de ces composants de très bons candidats pour les liaisons optiques/hyperfréquences à large dynamique. / This work focuses on the design and fabrication of GaInAs/InP Uni-Traveling-Carrier (UTC) Photodiodes (PDs) for high optical power detection up to 20 GHz. The selected solution consists of a back-side ilIuminated PD compatible with flip-chip mounting on microwave transmission lines. The first section of this study is dedicated to the optimisation of both bandwidth and responsivity, simultaneously. It demonstrates how important the design of absorption and collection layers is. ln particular, the introduction of a static electric field in the absorption layer, owing to a graduaI doping, is essential to achieve, simultaneously, a high responsivity (0.8 A/W at 1.55 µm) and a large bandwidth (= 20 GHz under high photocurrent). Secondly, the saturation mechanisms in a UTC structure are analysed. Reducing the junction bias variation, mitigating the space charge effects and enhancing the heat power dissipation are demonstrated to be the main axes for design optimization under high power. Therefore, a new design of a non-uniformly doped collector is proposed. It reduces saturation limitations and leads to state-of-the-art saturation current =100 mA at 20 GHz. FinaIly, a theoretical and experimental study of high power UTC-PDs linearity is presented. The developed PDs show a high linearity and achieve third order intercept points (IP3) op to 35 dBm at 20 GHz, which makes them good candidates for analog photonic links that need a high dynamic range.

De nos jours, l'effet du réchauffement planétaire devient une question primordiale pour l'humanité. La plupart des sources d'énergie traditionnelles comme l’énergie thermique, le nucléaire, l'hydroélectricité, etc. sont dangereux et/ou potentiellement dangereux pour la nature et l'être humain. Par conséquent, une «énergie verte» est fortement souhaitée. L'énergie verte a deux caractéristiques : d'une part l’utilisation de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire ou géothermique, etc au lieu des sources d'énergie traditionnelles, ainsi qu’un meilleur rendement. Un rapport récent a souligné que la perte d'énergie aux États-Unis est plus importante que la somme de toutes les énergies renouvelables générées. Il est donc essentiel d'utiliser efficacement l'électricité et de limiter les pertes. Malheureusement, les pertes sont l'endémie des composants semi-conducteurs, le dispositif central de tout système de conversion de puissance. Le silicium (Si), le matériau le plus utilisé dans les composants semi-conducteurs a atteint sa limite physique. Des semi-conducteurs à large bande interdite tels que SiC, GaN, Ga2O3 et le diamant sont des matériaux prometteurs pour fabriquer des dispositifs à faibles pertes en état ON et avec une tension de claquage à l’état OFF élevée. Parmi eux, le diamant est un semi-conducteur idéal pour les appareils de haute puissance en raison de ses propriétés physiques supérieures aux autres matériaux. Les progrès récents sur ce sujet permettent de considérer le développement de dispositifs de puissance en diamant, par exemple les MOSFETs. Afin de réaliser un MOSFET en diamant semi-conducteur, le nombre de problèmes à surmonter est important, particulièrement maîtriser l'interface diamant/oxyde. Dans ce contexte, G. Chicot et A. Marechal (anciens doctorants de notre groupe) ont introduit les dispositifs de test MOSCAP O-diamant/Al2O3 et montré que l'alignement des bandes est de type I à l'interface O-diamant/Al2O3, ce qui est favorable pour réaliser à la fois un MOSFET à inversion et un MOSFET à déplétion. Ce doctorat s’inscrit dans la suite de ces deux thèses. Il a eu deux objectifs principaux: 1. Les recherches fondamentales, qui se consacrent à la compréhension de la caractéristique électrique d'un dispositif de test de diamant MOSCAP; 2. Partant de la compréhension du MOSCAP, un MOSFET en diamant est réalisé par le contrôle de la conduction de courant volumique. La thèse comprend ainsi trois chapitres : Le chapitre 1 traite du contexte des dispositifs de puissance ainsi que des propriétés physiques du diamant et de l'état de l'art des dispositifs en diamant. Nous introduisons également le principe de fonctionnement d'un dispositif de test MOSCAP idéal et de l'état de l'art des O-diamant MOSCAP. Le chapitre 2 est consacré à la compréhension fondamentale des O-diamant MOS capacités et comprennent trois parties principales: la partie 1 traite des questions de méthodologie liées à la croissance du diamant, le procédé de fabrication et de caractérisation électrique. Nous allons construire un modèle électrostatique empirique pour les MOSCAP O-diamant. La partie 2 discute de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en négatif. La partie 3 traite de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en positif. Le chapitre 3 présente notre approche pour réaliser un MOSFET en diamant dopé au Bore. Les performances du transistor et ses paramètres importants seront quantifiées. Le benchmark du dispositif et la projection vers son amélioration seront mentionnés. / Nowadays, global warming effect is one of most challenging issue for human being. Most of “traditional energy” sources like thermal power; nuclear power, hydroelectricity power, etc. are dangerous and/or potentially dangerous for nature and human being. Therefore, the "greener energy" is highly desired. The "greener energy" has two folds meaning: on one hand, using renewable energy sources like solar power, wind power or geothermal energy, etc. instead of the traditional energy sources. One another hand, use the electricity more effectively and more efficiency. A recent report has pointed out that the energy loss in US is in fact more than sum of all renewable energy generate in US. Therefore, effectively utilizing electricity and limiting the waste is critical.Unfortunately, losses are the endemic of semiconductor components, the central device of all power conversion system. Silicon (Si), the main material for semiconductor components has reached its physical limit. Wide band-gap semiconductors such as SiC, GaN, Ga2O3 and diamond are promising materials to fabricate the devices low ON-state loss and high OFF-state breakdown voltage. Among them, diamond is an ideal semiconductor for power devices due to its superior physical properties. Recent progresses on diamond technology permits one consider the diamond power devices, e.g. MOSFET.In order to realize a diamond MOSFET by controlled diamond semiconductor, the numbers of issues needed to be overcome is important, especially mastering the diamond/oxide interface. In this context, G. Chicot and A. Marechal (former PhD students in our group) has introduced the O-diamond/Al2O3 MOSCAP test devices and measured the type I band alignment at O-diamond/Al2O3 interface, which is favorable to realize both inversion MOSFET and depletion MOSFET in his PhD these. This PhD project is a continuation of two-mentioned thesis and including two main objects: 1. Fundamental investigations dedicate to understand the electrical characteristic of an O-diamond MOSCAP test device; 2. Realize a unipolar diamond MOSFET by controlling the diamond semiconductor epilayer. The thesis will include three chapters:Chapter 1 discusses the context of power devices as well as the physical properties of diamond and state-of-the-art of diamond devices. We also introduce the working principle of an ideal MOSCAP test device and States-of-the-art of O-diamond MOSCAP test devices.Chapter 2 dedicates for the fundamental understanding O-diamond MOSCAP and include three main parts: Part 1 addresses the methodology issues related to diamond growth, fabrication processing and electrical characterizations. We will construct an empirical electrostatics model for O-diamond MOSCAP. Part 2 discusses the origin of leakage current and capacitance-frequency dependent when O-diamond MOSCAP is biasing in negative direction. We quantify the interface states density at O-diamond/Al2O3 interface by conductance method and the complete electrostatics model for O-diamond/Al2O3 MOSCAP will be constructed. Part 3 discusses the origin of leakage current and the capacitance-frequency dependent when the O-diamond MOS capacitor is biasing in positive direction.Chapter 3 introduces our approach to realize a depletion mode diamond MOSFET. Transistor performance and the important parameters of the transistor will be quantified. The benchmark of the device and the projection towards its improvement will be mentioned.

Pour un laser semiconducteur, la démonstration de fonctionnements en régime continu et à température ambiante est une étape cruciale à franchir pour en faire des dispositifs optoélectronique à part entière. Dans ce but, on cherche à améliorer leur température maximale de fonctionnement en régime continu et à limiter la puissance électrique injectée. Pour répondre à ces deux besoins essentiels, des travaux d'optimisation ont été menés au cours de cette thèse sur des lasers à cascade quantique (LCQ) émettant à lambda~9µm.<br />Une optimisation des guides d'onde des LCQ en GaAs/AlGaAs a été entreprise afin de diminuer les densités de courant de seuil et augmenter les rendements de ces lasers ; grâce à des guides utilisant des couches en AlGaAs ou en GaInP, de nouvelles performances ont été atteintes pour ces lasers. La réalisation d'injection sélective de courant par implantation de protons permet aux LCQ en GaAs/AlGaAs de réduire leurs courants de fonctionnnement, et d'améliorer leur propriétés thermiques. Nous avons expérimenté cette technique sur des LCCQ en GaInAs/AlInAs/InP.<br />L'influence d'une couche épaisse d'or, déposée sur le dessus des guides rubans pour améliorer la dissipation de chaleur, a également été étudiée. Les performances des deux types de LCQ seront comparées et les perspectives sur leur développement seront discutées.

Dans le contexte de la montée des préoccupations écologiques, le développement de véhicules de transports routiers s’oriente vers le développement de véhicules moins polluants à entraînement électrique comme les Véhicules Électriques Hybrides (VEHs) et les Véhicules tout Électriques (VEs). Avec l’augmentation des puissances requises et la réduction de l’espace disponible, la gestion thermique devient une préoccupation de plus en plus importante lors du développement des composants embarqués comme les moteurs/générateurs électriques, onduleurs, batteries et faisceaux électriques. Parmi eux, le faisceau électrique de puissance qui est typiquement composé de câbles électriques, de connecteurs et de boîtes de distribution de puissance ne peut être conçu de manière appropriée qu’à la suite d’une analyse thermique, électrique, chimique et mécanique approfondie.Cette thèse est écrite pour contribuer à l’optimisation de la conception électrothermique de faisceaux de câbles par des simulations afin de réduire la quantité de tests expérimentaux nécessaires pour leur développement. Des modèles théoriques pour la prédiction du comportement électrique et thermique de câbles électriques et des faisceaux de câbles sont passés en revue et adaptés aux exigences automobiles. La validation est accomplie en comparant les résultats de simulation avec ceux d’analyses élément finie (FEA) et de données de mesure. Une partie majeure de cette thèse aborde la simulation thermique de câbles électriques de longueur infinie suspendus dans l’air, prenant en compte les dépendances en température des résistances de conducteurs et la non-linéarité du coefficient de transfert thermique total à la surface du câble. L’influence des courants de blindage et de courants arbitraires dans les conducteurs sur la montée en température des câbles électriques est considérée dans des circuits thermiques équivalents et illustré par des exemples pratiques. / In the context of growing ecological concerns, the development of road transport vehicles moves itself toward the development of less polluting vehicles with electric drives such as Hybrid Electric Vehicles (HEVs) and full Electric Vehicles (EVs). With rising power requirements and reducing available space, thermal management is becoming an increasingly important concern during development of on-board vehicle components such as electric motor(s)/generator(s), power inverter(s), battery pack(s) and cable harnesses. Among them, the cable harness which is typically composed of electrical cables, connectors and power distribution boxes can only be designed properly after a detailed thermal, electrical, chemical and mechanical analysis.This thesis is written to contribute to the optimization of the electro-thermal design of cable harnesses through simulations and reduce the amount of experimental testing needed during their development. Theoretical models for the prediction of the electrical and thermal behavior of electric cables and cable harnesses are reviewed and adapted for automotive requirements. Validation is accomplished by comparing simulation results with Finite Element Analysis (FEA) and measurement data. A major part of this thesis addresses the thermal simulation of electrical cables of infinite length installed in air, taking into account the temperature dependencies of conductor resistances and non-linearity of the total heat transfer coefficient at the cable surface. The influence of shielding currents and arbitrary current loads in the conductors on the temperature rises within electric cables is also considered using thermal ladder networks and illustrated by practical examples. Because shielding currents in vehicles are not only caused by induced currents but also by functional electrical currents generated by low-voltage power sources, new theoretical studies and experimental observations for the estimation of these currents as a function of the vehicle electrical architecture and circuit characteristics are presented. A primary finding reveals that keeping the resistance of grounding connections low compared to that of the shielding connections is an appropriate but expensive means for limiting the transfer of functional currents in the shielding circuits. Finally, a complete and modular model for the prediction of transient temperatures along the length of cable harness sections is developed and validated based on the outcomes of all previous findings.