Jury :

• Jean-Claude DE JAEGER, Professeur, Université de Lille, IEMN UMR 8520 (Directeur de thèse)
• Jean Paul  SALVESTRINI, Professeur adjoint, Georgia Institute of Technology (Rapporteur)
• Bertrand  BOUDART, Professeur, Université de CAEN Normandie / Laboratoire GREYC UMR CNRS 6072 (Rapporteur)
• Jean-Guy TARTARIN, Professeur, Université Paul Sabatier Toulouse / Laboratoire LAAS UPR CNRS 8001 (Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes) (Co Directeur de thèse)
• Marie LESECQ, Maître de Conférences, Université de Lille / IEMN UMR 8520 (Examinateur)
• Yvon CORDIER, Directeur de Recherche, Laboratoire CRHEA (Centre de Recherche sur l’Hétéro-Epitaxie et ses Applications) UPR CNRS 010 (Examinateur)

Summary:

Le nitrure de gallium (GaN) constitue le meilleur candidat pour la réalisation de transistors de type HEMT de puissance fonctionnant à haute fréquence. A l’heure actuelle, en raison de la faible disponibilité de substrats GaN, la plupart des dispositifs sont fabriqués par hétéro-épitaxie sur des substrats Si, SiC, ou saphir. Jusqu’à présent, aucun de ces substrats n’a permis la croissance directe de GaN de haute qualité cristalline.

Par conséquent, le développement de ces technologies doit faire face à de nombreux défauts (densités de dislocations de l’ordre de 108-1010cm-2) et à des contraintes mécaniques notables (plusieurs centaines de MPa) apparaissant dans le matériau entrainant de nombreuses questions quant à la fiabilité des dispositifs. Le but de cette thèse est de qualifier de nouveaux dispositifs électroniques de type HEMT pour les applications RF à partir d’une nouvelle stratégie de substrat GaN présentant une haute qualité cristalline. A partir de substrats GaN free-standing, la croissance d’une couche tampon de GaN suffisamment épaisse et électriquement résistive est faite par MOCVD. Cette couche a pour utilité de limiter le couplage du substrat avec l’hétérostructure AlGaN/GaN et ainsi minimiser les courants de fuite et les pertes de propagation RF.

La croissance de l’hétérostructure HEMT AlGaN/GaN est ensuite développée sur ces substrats. Le procédé technologique de fabrication des composants HEMTs AlGaN/GaN sur substrat GaN pour des applications RF est ensuite développé dans le cadre de ces travaux de thèse. Celui-ci a nécessité le développement et l’optimisation des différentes étapes technologiques. La lithographie électronique permet de réaliser des composants avec des longueurs de grilles en T ultra-courtes (jusqu’à 70 nm). Les caractéristiques I-V en régimes DC et Pulsé et des mesures de paramètres S sont effectuées pour déterminer les fréquences de coupure des transistors ainsi que des mesures de puissance hyperfréquence. Un résultat à l’état de l’art des HEMTs sur substrats GaN a été obtenu avec une densité de puissance de 2W/mm à 40GHz. Enfin, des mesures thermiques utilisant la caméra infra-rouge ont été effectuées pour évaluer la résistance thermique des transistors.

Abstract:

Gallium nitride is the best candidate for the fabrication of High Electron Mobility Transistors for high power / high frequency applications. Due to the lack of availability of GaN substrates, most of the devices are currently fabricated by hetero-epitaxy on Si, SiC or sapphire substrates. None of these substrates permits the direct growth of high quality GaN crystal. Therefore, many defects (TDD 108-1010 cm-2) and significant mechanical stress appear in the material leading many questions about the reliability of the devices.

The aim of this work is to overcome these limitations and qualify new electronic devices for RF applications using GaN substrate with a high crystalline quality. Thick and electrically resistive GaN buffer layer is grown by MOCVD in order to limit leakage current and RF losses. AlGaN/GaN HEMT Heterostructures is grown from these substrates.

Technological process is developed during this thesis to fabricate AlGaN/GaN devices on GaN substrate for RF applications. It necessitates the development and the optimization of the different technological steps. E-beam lithography based process is used to fabricate transistors with short gate-length down to 70nm. DC, pulsed characteristics and S-parameters measurements are performed to determine cut-off frequency of the transistors and microwave power measurements as well. A state-of-the-art result for HEMTs on GaN substrates was obtained with a power density of 2W/mm at 40GHz. Finally, thermal measurement using infra-red camera were performed to evaluate transistor thermal resistance.