Development of new gallium nitride based HEMT heterostructures for microwave power applications

Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante…) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l’influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l’objet d’une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d’identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz).Nitride based materials are present in everyday life for optoelectronic applications (light emitting diodes, lasers). GaN remarkable properties (like large energy band gap, high breakdown electric field, high polarization field, high electronic saturation velocity…) make it a promising candidate for low frequency power electronic applications, but also for high frequency like microwaves range for example. The aim of this work is to increase the transistors working frequency by keeping a high power. To do this, high electron mobility transistor heterostructures are developed, and cap and barrier thicknesses have to be reduced, although it is detrimental for a high power. A first study deals with the influence of cap and barrier thicknesses as well as the type of barrier (AlGaN, AlN and InAlN), in order to isolate heterostructures offering the best compromise in terms of power and frequency. Moreover, the means implemented to increase the working frequency lead to electron channel confinement degradation. In order limit this effect, a back-barrier is added underneath the channel. It will be the subject of the second study. Finally, a transistor surface passivation study will be led. The combination of those three parts will allow identifying the optimum structure to deliver the highest power at high frequency (here at 40 GHz)

Développement de nouvelles hétérostructures HEMTs à base de nitrure de gallium pour des applications de puissance en gamme d'ondes millimétriques

Nitride based materials are present in everyday life for optoelectronic applications (light emitting diodes, lasers). GaN remarkable properties (like large energy band gap, high breakdown electric field, high polarization field, high electronic saturation velocity…) make it a promising candidate for low frequency power electronic applications, but also for high frequency like microwaves range for example. The aim of this work is to increase the transistors working frequency by keeping a high power. To do this, high electron mobility transistor heterostructures are developed, and cap and barrier thicknesses have to be reduced, although it is detrimental for a high power. A first study deals with the influence of cap and barrier thicknesses as well as the type of barrier (AlGaN, AlN and InAlN), in order to isolate heterostructures offering the best compromise in terms of power and frequency. Moreover, the means implemented to increase the working frequency lead to electron channel confinement degradation. In order limit this effect, a back-barrier is added underneath the channel. It will be the subject of the second study. Finally, a transistor surface passivation study will be led. The combination of those three parts will allow identifying the optimum structure to deliver the highest power at high frequency (here at 40 GHz).Les matériaux III-N sont présents dans la vie quotidienne pour des applications optoélectroniques (diodes électroluminescentes, lasers). Les propriétés remarquables du GaN (grand gap, grand champ de claquage, champ de polarisation élevé, vitesse de saturation des électrons importante…) en font un candidat de choix pour des applications en électronique de puissance à basse fréquence, mais aussi à haute fréquence, par exemple en gamme d'ondes millimétriques. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à augmenter la fréquence de travail des transistors tout en maintenant une puissance élevée. Pour cela, des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) sont développées et les épaisseurs de cap et de barrière doivent être réduites, bien que ceci soit au détriment de la puissance délivrée. Une étude sera donc menée sur l’influence des épaisseurs de cap et de barrière ainsi que le type de barrière (AlGaN, AlN et InAlN) de manière à isoler les hétérostructures offrant le meilleur compromis en termes de fréquence et de puissance. De plus, les moyens mis en œuvre pour augmenter la fréquence de travail entrainent une dégradation du confinement des électrons du canal. De manière à limiter cet effet, une back-barrière est insérée sous le canal. Ceci fera l’objet d’une deuxième étude. Enfin, une étude de la passivation de surface des transistors sera menée. La combinaison des ces trois études permettra d’identifier la structure optimale pour délivrer le plus de puissance à haute fréquence (ici à 40 GHz)

Impact of AlN/Si Nucleation Layers Grown Either by NH 3 -MBE or MOCVD on the Properties of AlGaN/GaN HFETs

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INTERACTIONS NON LINEARES EFFICACES DANS DES MICROGUIDES DE NITRURE D'ELEMENT III

En combinant EJM et EPVOM nous avons réalisés des guides d'onde à base d'AlN et de GaN mono-cristallins qui présentent de très faibles pertes à la propagation et des possibilités d'accord de phase modal intéressantes. A partir de ces structures, nous avons réalisés des guides canaux dont nous présentons les performances linéaires et non linéaires. MOTS-CLEFS : GaN, optique intégrée, optique non linéaire, pertes à la propagatio

Ultrathin AlN-Based HEMTs Grown on Silicon Substrate by NH 3 -MBE

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CVD Elaboration of 3C-SiC on AlN/Si Heterostructures: Structural Trends and Evolution during Growth

(111)-oriented cubic polytypes of silicon carbide (3C-SiC) films were grown by chemical vapor deposition on 2H-AlN(0001)/Si(111) and 2H-AlN(0001)/Si(110) templates. The structural and electrical properties of the films were investigated. For film thicknesses below 300 nm, the 3C-SiC material deposited on 2H-AlN/Si presented a better structural quality than the 3C-SiC films grown directly on Si(111) using the well-established two-step carbonization–epitaxy process. The good lattice match of 3C-SiC with AlN may open a reliable route towards high-quality thin heteroepitaxial 3C-SiC films on a silicon wafer. Nevertheless, the 3C-SiC was featured by the presence of twinned domains and small inclusions of 6H-SiC. The formation of a thin AlSiN film at the AlN/Si interface is also reported. This is the first time such AlSiN layers are described within an AlN/Si heterostructure. Furthermore, noticeable modifications were observed in the AlN film. First, the growth process of SiC on AlN induced a reduction of the dislocation density in the AlN, attesting to the structural healing of AlN with thermal treatment, as already observed for other AlN-based heterostructures with higher-temperature processes. The growth of SiC on AlN also induced a dramatic reduction in the insulating character of the AlN, which could be related to a noticeable cross-doping between the materials