Study and realization of microwave devices on large band gap materials : reseonnant tunneling diodeAlxGa1-xN/GaN, transistor HEMT AlGaN/GaN with BGaN back-barrier

Les travaux décrits dans cette thèse permettent d’apporter une contribution à quelques dispositifs existants à base de matériaux semiconducteurs à large bande interdite. Le premier concerne les oscillateurs de puissance HF et le second les amplificateurs de puissance en hyperfréquence. Les composants retenus pour réaliser ces deux dispositifs sont les diodes à effets tunnel résonant et les transistors à haute mobilité électronique. Ce travail de thèse est donc scindé en deux parties distinctes : - Les diodes à effet tunnel résonant AlGaN/GaN: les outils de simulations rigoureux du transport électronique vertical dans les hétérostructures de nitrures n’existent pas ou ne sont pas accessibles en Europe. Ceci a nécessité la conception d’un nouvel outil de simulation pour analyser et optimiser les dispositifs et aider à la conception. Le modèle développé dans ce manuscrit de thèse est basée sur la résolution auto-cohérente des équations de Schrödinger-Poisson dans l’approche des fonctions de Green hors équilibre. Coté technologique, la stratégie employée pour obtenir un certain nombre d’hétérostructures libres de dislocations reposait sur la réalisation de nano-diodes en suivant les deux approches suivantes. La première dite « ascendante » met en œuvre la technique d’épitaxie sélective sur des ouvertures de masque diélectrique et sur des piliers GaN avec des diamètres compris entre 100 nm et 5 µm. La seconde approche dite « descendante » repose sur la réduction de taille des dispositifs et par voie de conséquence du nombre de dislocations présentes en leur sein. Les caractéristiques électriques de ces nano-diodes ont pu être mesurées sous micro-pointes au FIB, au nano-probe et analyseur de réseau. Le phénomène de NDR est étudié en fonction du sens de la polarisation, du traitement électrique, de la température et du taux d’aluminium dans les couches barrières AlGaN. - Les transistors à haute mobilité mobilité AlGaN/GaN: la première étape de cette seconde partie a consisté à réaliser une structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN à l’état de l’art. La seconde étape a porté sur l’amélioration de la résistivité de la couche buffer GaN soit en y incorporant de l’aluminium ou du bore. Plusieurs épaisseurs et positions de la couche BGaN dans la structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN ont été testées en vue de déterminer la structure optimale. Les études comparatives entre les structures HEMT AlGaN/GaN avec et sans couche BGaN, ont permis de montrer que l’utilisation de cette dernière comme couche contre-barrière permettait d’améliorer drastiquement le confinement des porteurs dans le canal 2DEG et de réduire nettement le dopage résiduel de la zone active.The work described in this thesis contributes to the improvement on some circuit based on wide band gap semiconductors. The first concerns the oscillators and the second RF amplifiers at microwave frequencies. Components selected to build these two devices are resonant tunneling diodes and high electron mobility transistors. This thesis is divided into two distinct parts:-The resonant tunneling diodes AlGaN/GaN: a software that provides a rigorous description of vertical transport in nitride heterostructures does not exist or are not available in Europe. In this thesis, we developed a model based on the self-consistent resolution of the Schrödinger and Poisson equation using the non-equilibrium Green functions. The strategy employed to obtain some heterostructures free from dislocations is based on the realization of nano-diodes in the following two approaches. The first approach "bottom-up" implements the technique of selective epitaxy on nano-patterned GaN template. The second approach called "top down" is based on the reduction of device size and consequently the number of dislocations. The electrical characteristics of these nano-diodes have been measured by FIB, Nanoprobe and vector network analyzer. The negative differential resistance is studied depending in both direction of bias, electrical treatment, temperature and aluminum incorporation in the AlGaN barriers layers.- The high electron mobility transistors AlGaN/GaN: the second part was aimed to perform a conventional AlGaN/GaN HEMT structure exhibiting in the state of the art performance. To do that, we focused on improving the resistivity of the GaN buffer layer by incorporating either of aluminum or boron. Several positions and thicknesses of BGaN layer in the conventional AlGaN /GaN HEMT structure were tested to determine the optimal structure. Comparative studies between AlGaN/GaN HEMT structures with and without BGaN layer have shown that the use of BGaN layer as a back-barrier drastically improves the carrier confinement in the 2DEG channel and significantly reduces the residual doping of the active area