Jury :

• Nathalie Malbert (rapporteure), IMS – Professeur de l’Université de Bordeaux
• Jean-Christophe Nallatamby (rapporteur), XLIM – Professeur de l’Université de Limoges
• Dominique Planson (examinateur), INSA Lyon, AMPERE- Professeur
• Erwan Morvan (invité), Ingénieur au CEA-LETI – Grenoble
• Jean-Claude De Jaeger (directeur de thèse), IEMN – Professeur émérite à l’Université de Lille
• Nadir Idir (co-directeur de thèse), L2EP – professeur à l’Université de Lille
• Nicolas Defrance (encadrant), IEMN – Maitre de conférence à l’Université de Lille

Summary:

Ce travail de thèse s’inscrit dans une problématique constante d’intégrabilité des systèmes électroniques à fortes densités de puissance et à haut rendement pour l’électronique de puissance dans les secteurs civil, industriel et militaire: transports individuels et urbains, aéronautique et spatiale, high-tech. En cela, le Nitrure de Gallium (GaN) est un matériau couvrant une large étendue d’applications. C’est un candidat idéal pour le remplacement de la filière Silicium dont les limites sont aujourd’hui atteintes. Sa robustesse en milieu hostile – face à des températures extrêmes de plus de 200 °C, ou sous fort niveau de radiation – et ses propriétés de conduction électrique et thermique exceptionnelles en font un matériau de premier choix pour une nouvelle génération de composants pour l’électronique de puissance. Aujourd’hui, le principal verrou technologique s’opposant à son essor sur le marché est induit par des mécanismes complexes de piégeages des porteurs de charges électriques, limitant les performances en commutation à haute tension. Ainsi, les objectifs de cette thèse consistent en la réalisation conjointe de diodes et de transistors HEMT de puissance sur hétérojonction AlGaN/GaN, plus spécifiquement adaptés aux systèmes de conversion de tensions DC-DC. Le développement d’un procédé de fabrication de technologies normally-off est au cœur de ce travail, notamment les procédés de traitement de surface AlGaN par plasma SF₆ et de dépôt d’oxyde pour la réalisation de grille MOS. Enfin, la caractérisation électrique et physique des composants et des hétérostructures à base de GaN apporte des informations essentielles à la compréhension des mécanismes de transport des charges électriques en vue de l’optimisation des procédés de développement technologique dédiés à l’électronique de puissance.

Abstract:

This thesis work fits into a constant need of integrability of high power and high efficiency systems dedicated to power electronic, in civil, industrial and military fields: individual and urban transports, aeronautics and space, high-tech… In this frame, Gallium Nitride-based (GaN) material covers a wide application range, and is set as an ideal candidate in order to replace the silicon industry, which reached its theorical limits. This material ruggedness in hostile environments – high temperature over 200°C, or high level radiative environment – and its great electrical and thermal conductivity set GaN in a leading place for the emerging of novel power electronic devices.  Nowadays, the main technological lock regarding GaN systems industrial expansion is induced by hard charge-trapping mechanisms limiting switching performance at high voltage. Thus, the objectives of this thesis work consist in the simultaneous fabrication of GaN-based diodes and HEMT transistors on AlGaN/GaN heterojunction, specifically dedicated to DC-DC voltage conversion for supply systems. The main topic of this work is to elaborate the development process steps of normally-off devices, especially the SF₆ plasma for AlGaN surface treatment and oxide deposition for MOS-gated HEMT process. Then, electrical and physical characterization of GaN-based devices and heterostructures bring an enhanced feedback for comprehensive carrier transport mechanisms, and thus, technological optimization for power electronic devices.