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Ternary III-nitride alloys have enabled the design of various devices ranging from optoelectronics to power electronics due to their tunable band gap. BxGa1-xN is a wide band gap semiconductor with applications in detecting devices, power electronics and light-emitting diodes. The band gap can be modulated by changing the Boron concentration. It can be grown by metal-organic chemical vapor deposition as a mixed thin film of wurtzite and zincblende structures. In this work, we investigate the structural and electronic properties of BxGa1-xN (x<0.2) by first-principles calculations for both the wurtzite and zincblende phases. The formation energies of Si and Mg impurities and of a Ga vacancy are also calculated. We find that the wurtzite structure is favored over the zincblende structure. Furthermore, the Si and Mg impurities have relatively low formation energies in their neutral state, which indicates compatibility with BxGa1-xN, while a Ga vacancy has very high formation energy, hence being less likely to form spontaneously. Moreover, in the charged states, the formation energy of Mg is reasonably low for most values of the Fermi level, while the formation energy of Si depends linearly on the Fermi level, indicating challenges in achieving n-type conductivity. For a Ga vacancy in a triple acceptor state, the formation energy is reasonably low close to the conduction band, therefore, Ga vacancies interfere with n-type conductivity.

Ce manuscrit porte sur la conception d’un transistor à effet de champ destiné à l’observation de la photoluminescence de l’exciton et des complexes excitoniques chargés du ZnO sous l’influence d’un champ électrique. Pour cela, des simulations ont permis de définir un cahier des charges de la structure du transistor afin de bloquer la conductivité dans le canal de ZnO et d’appliquer un champ électrique intense. La seconde partie concerne le choix du matériau de grille et de l’électrode transparente de surface pour l’observation de la photoluminescence dans le canal. L’oxyde de gallium (-Ga2O3) a été choisi car il présente un grand gap, des propriétés d’isolant et de semi-conducteur avec dopage. Cependant les films de Ga2O3 dopés avec Ti, Sn, Zn et Mg élaborés par MOCVD n’ont pas révélé de conductivité. Les films d’alliages (Ga,Sn)2O3 n’ont pas non plus montré de conductivité et leur structure est étudiée intensivement. Des traitements plasma radiofréquence sous flux d’argon, d’oxygène ou d’hydrogène ont permis de montrer que l’implantation de l’hydrogène donne lieu à un niveau donneur avec une énergie d’activation de 7 meV. La conductivité est toutefois modulée par le dopage en Sn et les traitements s’accompagnent d’un changement de la sous-stœchiométrie en oxygène qui diminue la transparence à cause de la formation de niveau profond de lacune d’oxygène. La structure finale de la grille transparente dans l’ultraviolet pour l’observation de la photoluminescence du ZnO peut donc être élaborée par une grille diélectrique de -Ga2O3 puis une électrode conductrice transparente de (Ga,Sn)2O3 traitée superficiellement par un plasma d’hydrogène. / This manuscript covers the design of a field transistor for the observation of photoluminescence of the exciton and the charged excitonic complex of ZnO under the influence of an electric field. For this, simulations have helped to define the specifications of the transistor structure to block the conductivity in the ZnO channel and applying a strong electric field. The second part concerns the choice of gate material and the surface transparent electrode for the observation of photoluminescence in the channel. The gallium oxide (-Ga2O3) was chosen because it has a large gap, insulating properties and semiconductor properties with doping. However, Ga2O3 films doped with Ti, Sn, Zn and Mg MOCVD did not show conductivity. Films of alloys (Ga,Sn)2O3 have not shown either conductivity and their structure is studied intensively. Radio frequency plasma treatment under a flux of argon, oxygen or hydrogen have shown that implantation of hydrogen gives rise to a donor level with 7 meV activation energy. However, the conductivity is modulated by doping Sn and treatments are accompanied by a change of sub-stoichiometry in oxygen, which reduces the transparency due to the formation of deep level of oxygen vacancy. The final structure of the transparent gate in the ultraviolet for the observation of photoluminescence of ZnO can be prepared by a dielectric gate -Ga2O3 and a transparent conductive electrode of (Ga,Sn)2O3 surface treated by a plasma of hydrogen.

Ce manuscrit porte sur la conception d’un transistor à effet de champ destiné à l’observation de la photoluminescence de l’exciton et des complexes excitoniques chargés du ZnO sous l’influence d’un champ électrique. Pour cela, des simulations ont permis de définir un cahier des charges de la structure du transistor afin de bloquer la conductivité dans le canal de ZnO et d’appliquer un champ électrique intense. La seconde partie concerne le choix du matériau de grille et de l’électrode transparente de surface pour l’observation de la photoluminescence dans le canal. L’oxyde de gallium (-Ga2O3) a été choisi car il présente un grand gap, des propriétés d’isolant et de semi-conducteur avec dopage. Cependant les films de Ga2O3 dopés avec Ti, Sn, Zn et Mg élaborés par MOCVD n’ont pas révélé de conductivité. Les films d’alliages (Ga,Sn)2O3 n’ont pas non plus montré de conductivité et leur structure est étudiée intensivement. Des traitements plasma radiofréquence sous flux d’argon, d’oxygène ou d’hydrogène ont permis de montrer que l’implantation de l’hydrogène donne lieu à un niveau donneur avec une énergie d’activation de 7 meV. La conductivité est toutefois modulée par le dopage en Sn et les traitements s’accompagnent d’un changement de la sous-stœchiométrie en oxygène qui diminue la transparence à cause de la formation de niveau profond de lacune d’oxygène. La structure finale de la grille transparente dans l’ultraviolet pour l’observation de la photoluminescence du ZnO peut donc être élaborée par une grille diélectrique de -Ga2O3 puis une électrode conductrice transparente de (Ga,Sn)2O3 traitée superficiellement par un plasma d’hydrogène. / This manuscript covers the design of a field transistor for the observation of photoluminescence of the exciton and the charged excitonic complex of ZnO under the influence of an electric field. For this, simulations have helped to define the specifications of the transistor structure to block the conductivity in the ZnO channel and applying a strong electric field. The second part concerns the choice of gate material and the surface transparent electrode for the observation of photoluminescence in the channel. The gallium oxide (-Ga2O3) was chosen because it has a large gap, insulating properties and semiconductor properties with doping. However, Ga2O3 films doped with Ti, Sn, Zn and Mg MOCVD did not show conductivity. Films of alloys (Ga,Sn)2O3 have not shown either conductivity and their structure is studied intensively. Radio frequency plasma treatment under a flux of argon, oxygen or hydrogen have shown that implantation of hydrogen gives rise to a donor level with 7 meV activation energy. However, the conductivity is modulated by doping Sn and treatments are accompanied by a change of sub-stoichiometry in oxygen, which reduces the transparency due to the formation of deep level of oxygen vacancy. The final structure of the transparent gate in the ultraviolet for the observation of photoluminescence of ZnO can be prepared by a dielectric gate -Ga2O3 and a transparent conductive electrode of (Ga,Sn)2O3 surface treated by a plasma of hydrogen.

L’interaction de molécules organiques avec les surfaces semiconductrices permet de contrôler les propriétés physiques de ces dernières et ce, soit à travers une modification locale en utilisant des molécules individuelles, soit par la passivation de la surface par une mono-couche complète. Aussi, le contrôle de l’interaction moléculaire nous permet de modifier les propriétés intrinsèques des molécules à travers un découplage électronique partiel ou complet entre les orbitales moléculaires et la surface. Pour atteindre ces objectifs, cette thèse présente l’étude expérimentale de l’adsorption de molécules sur la surface semiconductrice à large gap de 6H-SiC(0001)-3x3. Les expériences ont été réalisées à l’aide d’un microscope à effet tunnel opérant dans les conditions d’Ultra-Haut Vide et de température ambiante (UHV RT-STM). Les résultats ont été comparés à des études théoriques employant des calculs selon la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Trois molécules on été étudié durant ce travail de thèse : C60, Caltrope et Trima. Les études STM et DFT montre que les molécules individuelles de C60 sont chimisorbé à la surface de carbure de silicium SiC(0001)-3x3 à travers la formation d’une seule liaison Si-C avec un seul adatome de silicium, contrairement aux autres surfaces semiconductrices où la molécule se chimisorbe en formant plusieurs liaisons. Trois sites d’adsorption par rapport à l’adatome de Si de la maille de surface ont été observés. Pour expliquer les observations STM, les forces de Van der Waals entre la molécule de C60 et les atomes de la surface voisins ont du être pris en compte dans les calculs DFT. Il a été observé aussi que les molécules de C60 forment de petits clusters même à de faibles taux de couverture ce qui indique la présence d’un état précurseur de la molécule et des interactions intermoléculaires non négligeable. La molécule de Caltrope, nouvellement synthétisée, a été étudié aussi bien sur la surface de Silicium que celle de SiC. Le dépôt de cette molécule complexe ne peut être réalisé selon la méthode d’évaporation classique sans induire sa dissociation et a donc nécessité l'emploi de techniques d’évaporation spécifiques. Nos résultats expérimentaux montrent un comportement remarquable: le dépôt de molécule individuelle est induit sur la surface de manière efficace par la pointe du STM démontrant ainsi l’idée d’imprimerie moléculaire. Suite à son adsorption sur la surface de silicium à travers une seule liaison, la molécule de Caltrope se comporte comme un moteur moléculaire activé thermiquement. La troisième molécule a être étudié est la molécule de Trima. Elle a été sélectionnée à cause de sa taille comparable à la distance des ad-atomes de silicium de la surface de SiC. La structure chimique de la molécule qui se termine par un groupement cétone rend possible la fonctionnalisation de la surface. Ceci est révélé par les calculs DFT de la densité de charge. La distribution de charge montre qu’il n’y a pas de partage entre les atomes d’oxygènes de la molécule et les ad-atomes de la surface et donc nous avons un évidence claire pour la formation d’une liaison dative. / The interaction of organic molecules with a semiconductor surface enables the physical properties of the surface to be controlled, from a local modification using individual isolated molecules to passivation using a complete monolayer. Controlling the molecular interaction also allows us to modify the intrinsic properties of the molecules by partial or complete electronic decoupling between the molecular orbitals and the surface. To this end, this thesis presents experimental studies of the adsorption of molecules on the wide band gap 6H-SiC(0001)-3×3 substrate. The experiments were performed using Ultra-High Vacuum Room Temperature Scanning Tunneling Microscopy (UHV RT STM) and the results were compared with comprehensive theoretical Density Functional Theory (DFT) calculations. Three different molecules were studied in this thesis: C60, Caltrop and Trima. The STM and DFT studies show that individual C60 fullerene molecules are chemisorbed on the silicon carbide SiC(0001)-3×3 surface through the formation of a single Si-C bond to one silicon adatom, in contrast to multiple bond formation on other semiconducting surfaces. We observed three stable adsorption sites with respect to the Si adatoms of the surface unit cell. To explain the STM observations, Van der Waals forces between the C60 molecule and the neighboring surface atoms had to be included in the DFT calculations. The C60 molecules are also observed to form small clusters even at low coverage indicating the presence of a mobile molecular precursor state and non negligible intermolecular interactions. The second newly designed Caltrop molecule was studied on both the Si and SiC surfaces. Intact adsorption of this complex organic molecule cannot be realized using classical adsorption methods and requires the use of specific evaporation techniques. Our experimental results show remarkable behavior: The STM tip efficiently deposits single molecules one at a time, demonstrating the concept of single molecule printing. After adsorption on the Si surface through one bond, the Caltrop operates as a thermally activated molecular rotor. The third molecule to be studied is the Trima molecule. This molecule was chosen because it is commensurable in size with the surface Si adatom distance. The chemical termination of the molecule with a ketone group enables the successful functionalization of the SiC surface. The Trima molecule provides a rare and clear-cut example of the formation of two dative bonds between the oxygen atoms of the carbonyl groups and the Si adatoms of the SiC surface. This is revealed by the DFT calculations of the charge density. The charge distribution shows that there is no sharing of electrons between the oxygen atoms of the molecule and the surface which is clear evidence for the formation of a dative bond.

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Les travaux présentés dans ce manuscrit sont dédiés à l'étude des composants passifs pour l'électronique de puissance à haute température. Des condensateurs et des matériaux magnétiques sont sélectionnés et caractérisés jusqu'à environ 250°C. Les caractéristiques électriques et électromagnétiques montrent, pour certains de ces composants et matériaux, des dépendances significatives en fonction de la température, mais également des non-linéarités et des phénomènes d'hystérésis. Les caractérisations sont ensuite exploitées pour la conception d'un filtre CEM d'entrée d'un onduleur de tension de 2kW. Une démarche et des considérations liées au dimensionnement d'un filtre sont détaillées. Un démonstrateur de filtre CEM est testé en charge et à haute température (200°C). Les résultats montrent une dépendance relativement faible des perturbations conduites entre 150kHz et 30MHz en fonction de la température (environ +6dBµA entre 25°C et 200°C selon la norme DO-160F). Le fonctionnement à haute température de composants passifs au sein d'un filtre CEM pour l'électronique de puissance a été démontré. En complément du filtre à composant discret et pour répondre aux besoins d'atténuation à haute fréquence qui seront accrus pour les convertisseurs à base de semi-conducteurs à grand gap (SiC et GaN) qui commutent plus rapidement que des interrupteurs de type IGBT en Si, nous avons proposé l'intégration de condensateurs de mode commun au sein d'un module de puissance. Les résultats simulés et expérimentaux ont montré une réduction des perturbations conduites grâce à l'intégration de ces condensateurs. Cette solution, compatible avec un fonctionnement à haute température, est positionnée comme une solution alternative à un filtre d'entrée complexe (multi-niveaux) et s'inscrit dans la tendance actuelle des IPEM (Intelligent/Integrated Power Electronics Module) qui recherche l'intégration de fonctions dans le module de puissance. L'ensemble de ces travaux souligne par ailleurs l'importance du packaging pour l'électronique de puissance à haute température. / The study, which is described in this dissertation, is dedicated to passive components in order to be integrated into high temperature power electronic converters. Capacitors and magnetic materials are selected and characterized up to 250°C. Electrical and electromagnetic characteristics are measured. Some components show a significant temperature deviation, but also a non-linear behavior with a hysteresis phenomenon. Based on these characteristics, a high temperature EMI filter for a 2kW voltage inverter is designed. The design procedure and some practical considerations are discussed. Then, the experimental results from the prototype at 200°C under full load conditions are given. The variation of the conducted emissions, from 150kHz and 30MHz, with the temperature is low (about +6dBµA between 25°C and 200°C into a DO-160F setup). The feasibility of a working EMI filter for high temperature power electronics is demonstrated. To meet the high frequency EMI requirements, with wide-band gap semi-conductors devices which are faster than Si IGBT, a solution based on integrated common mode capacitors into the power module is proposed. With this solution, operation at high temperature is also doable. Experimental results show a reduction of the conducted emissions thanks to these integrated capacitors. We consider this solution as an alternative against an increased complexity of the EMI input filter. It follows the present trends toward the integration of functions into a power module, close to the power switches. Moreover, packaging issues are highlighted and remains as a major limitation for high temperature power electronics.

Les composants actifs en électronique de puissance sont principalement à base de Silicium. Or, le silicium a des limites en termes de température d’utilisation, fréquence de commutation et de tenue en tension. Une alternative au Si peut être les semi-conducteurs à grand gap tels que le SiC-4H. Grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde, les performances s’améliorent d’année en année. Le laboratoire AMPERE conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en SiC-4 H. Cette thèse s’inscrit dans les projets SiCHT2 et VHVD du laboratoire. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la conception la fabrication et la caractérisation électrique de composantes haute tension en SiC-4H. Les paramètres de protection pour la diode bipolaire 6500V sont optimisés à l’aide des simulations à base d'éléments finis. Les paramètres du SiC pour les modèles utilisés pour la simulation sont développés par des travaux précédents. Ensuite, le masque est dessiné. La diode est réalisée chez IBS. La première caractérisation est effectuée avant le recuit post-métallisation en directe et inverse sans passivation finale. Après le recuit post-métallisation la résistance de contact est plus faible. La caractérisation de la tenue en tension a été effectuée à AMPERE puis à l’ISL à très haute tension. A l’aide de simulations à base d'éléments finis, les paramètres tels que la résistance de contact et la durée de vie des porteurs ont été affinés à partir des caractérisations électriques obtenues par l’expérience. Les autres travaux portent sur la conception, les optimisations et les fabrications des diodes 10 kV et transistors 6500 V. / The power devices are mainly based on silicon. Silicon devices have limitations in terms of operating temperature, switching frequency and breakdown voltage. An alternative can be semiconductor wide band gap devices such as 4H-SiC. Through the work of several teams of researchers around the world, the performance of the power devices in 4H-SiC improve year by year. At ampere laboratory, design, fabrication and electrical tests of 4H-SiC devices are performed. The work done in this thesis is the design, fabrication and electrical characterization of 4H-SiC power devices with a high breakdown voltage. The parameters of the edge termination are optimized using simulations based on finite elements method. The parameters of 4H-SiC during the simulation are based on previous works. Then the mask is drawn. The diodes are manufactured by IBS. First the characterization in forward and reverse mode is done before the ohmic contact annealing. The diode passivation is a single SiO2 layer. After ohmic contact annealing, the contact resistance is lower. The characterization of the breakdown voltage is performed at AMPERE and at ISL for very high voltage. Parameters such as contact resistance and carrier lifetime are estimated by fitting measured electrical characteristics with results of finite element simulation. The design of the diodes 10 kV and bipolar junction transistor 6500 V is also part of this work. This work has been performed for 2 different projects VHVD with ANR for the financial support and SiCHT2 with DGCIS for the financial support.

L’utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite (wide bandgap ou WBG) tels que le carbure de silicium SiC, le nitrure de gallium GaN, le diamant, etc… s’est répandue dans le domaine de l’électronique de puissance ces dernières décennies. Leurs caractéristiques électroniques et mécaniques font des WBGs des solutions alternatives pour remplacer le traditionnel silicium. Cependant, des études supplémentaires sont indispensables pour améliorer la tenue en tension, les pertes statiques et dynamiques et les performances en fonctionnement à haute température des composants WBGs. Dans ce cadre, deux bancs expérimentaux OBIC (Optical Beam Induced Current) spécifiques « en cours de développement » sont mis en place pendant cette thèse. L’OBIC consiste à éclairer avec un faisceau laser de longueur d’onde appropriée une jonction polarisée en inverse, des porteurs de charge sont alors créés par absorption photonique. On peut alors mesurer un courant induit par faisceau optique (OBIC) lorsque les porteurs sont générés dans la zone de charge d’espace. Après une première phase de préparation et d’adaptation de l’environnement expérimental, des essais ont mené à la démonstration du principe de génération multi-photonique en éclairant une jonction SiC avec un faisceau vert (532 nm). L’analyse des différentes mesures OBIC nous a permis de construire une image du champ électrique à la surface de la diode : une analyse non destructive pour étudier l’efficacité des protections périphériques des jonctions et pour détecter les défauts dans la structure cristalline. Egalement, la durée de vie des porteurs minoritaires a été déduite par l’analyse de la décroissance du courant OBIC au bord de la jonction. Les coefficients d’ionisation sont également déterminés par la méthode OBIC, ces coefficients sont des paramètres clés pour la prévision de la tension de claquage des composants. Nous avons réalisé des mesures OBIC dans le GaN, et nous avons observé un effet d’absorption bi-photonique dans le diamant avec un faisceau UV (349 nm). / In the last few decades, the use of wide bandgap (WBG) semiconductors (silicon carbide SiC, gallium nitride GaN, diamond, etc…) has become popular in the domain of power electronics. Their electronic and mechanical characteristics made of the WBGs a good alternative to the traditional silicon. However, additional studies are mandatory to improve the breakdown voltage, static and dynamic losses, and the performance at high temperature of the WBG devices. In this context, two specific experimental benches OBIC (Optical Beam Induced Current) -under development- are set up during this thesis. OBIC method consists to generate free charge carriers in a reverse biased junction by illuminating the device with an appropriate wavelength. An OBIC signal is measured if the charge carriers are generated in the space charge region. After a first phase of preparation and adaptation of the experimental environment, OBIC measurements led to demonstrate the multi-photonic generation by illuminating a SiC junction with a green laser (532 nm). OBIC measurements allowed giving an image of the electric field at the surface of the diode: OBIC presents a non-destructive analysis to study the efficiency of the peripheral protection and to detect the defects in the semi-conductor. Minority carrier lifetime was also deduced by studying the OBIC decrease at the edge of the space charge region. Ionization rates were extracted using OBIC method; these coefficients are key parameters to predict the breakdown voltage of the devices. OBIC measurements were also realized on the GaN, and two-photon generation was highlighted by measuring an OBIC current in the diamond when illuminating it with a UV laser beam (349 nm).