In this paper, a methodology is proposed for studying the current collapse effects of Gallium Nitride (GaN) power diodes and the consequences on the dynamic on-resistance (RON). Indeed, the growing interest of GaN based, high frequency power conversion requires an accurate characterization and a deep understanding of the device’s behaviour before any development of power converters. This study can ultimately be used to model observed trap effects and, thus, improve the equivalent electrical model. Using an in-house circuit and a specific experimental setup, a current-collapse phenomenon inherent to gallium nitride semiconductor is studied on planar 650 V—6 A GaN diodes by applying high voltage stresses over a wide range of temperatures. With this method, useful data on activation energy and capture cross section of electrical defects linked to dynamic RON are extracted. Finally, the origins of such defects are discussed and attributed to carbon-related defects.

L'utilisation conjointe de composants à base de Nitrure de Gallium (GaN) et de la filière du carbure de Silicium (SiC) permet aux convertisseurs de puissance d'atteindre des performances supérieures, avec une densité de puissance plus élevée, une efficacité accrue et une taille plus compacte. Par les propriétés du matériau GaN, les composants associés offrent une capacité de commutation plus élevée. L'éventuelle arrivée de diodes GaN sur le marché de l'électronique de puissance associée au transistor GaN, ouvre la voie à la conception de convertisseurs entièrement basés sur ce matériau. Cette évolution pourrait permettre de répondre à la demande croissante pour des technologies plus avancées et plus efficaces dans ce domaine, et ainsi promouvoir une montée en fréquence pour les applications à haute puissance.Dans le cadre de cette thèse, une collaboration avec le fabricant StMicroelectronics nous donne la possibilité de caractériser et modéliser des diodes de puissance GaN en cours de développement. La modélisation de ces diodes est un travail nécessaire pour la bonne compréhension des phénomènes physiques pouvant impacter le composant. Une connaissance précise du fonctionnement des composants de puissance est nécessaire pour à la fois développer un procédé de retro-engineering permettant l'optimisation du process de fabrication mais également pour la conception optimale de convertisseurs de puissance.L'objectif de ce travail de thèse est d'ainsi de proposer une méthodologie de modélisation comportementale des diodes de puissance GaN en boitier en se basant exclusivement sur des méthodes de caractérisation non-intrusives telles que la mesure en paramètres S ou les mesures courant/tension en régime pulsé. Les résultats obtenus ont permis de construire le modèle électrique de la diode et de l'implanter dans un logiciel de simulation. En outre, les variations thermiques ont été prises en compte à travers un modèle thermique et l'utilisation d'un banc de test « Double Pulse » a permis de vérifier le comportement du modèle électrothermique. Pour conclure, une étude sur les phénomènes de pièges, problème inhérent au matériau GaN, est présentée et une modélisation de leurs impacts sur les caractéristiques de la diode est proposée.

This paper reports on the fabrication, physical characterization, and non-linear modeling of 100 nm slanted-gate GaN-on-silicon HEMTs processed using a CMOS-compatible platform. This technology enables state-of-the-art DC and RF performance, with a maximum drain current density of 0.9 A/mm, a peak transconductance of 605 mS/mm, and cut-off frequencies f_T = 85 GHz and f_max = 220 GHz at V_DS = 10 V. Trapping effects investigated via conductance-versus-frequency (G–f) spectroscopy reveal two distinct interface trap populations (D_it ~ 2–3 × 10¹³ cm⁻²/eV), whose temperature-dependent dynamics deviate from the Shockley–Read–Hall model and are attributed to multiphonon emission and quantum tunneling mechanisms, respectively. An enhanced Angelov-based compact model incorporating dedicated self-heating and current-collapse sub-circuits with capacitances derived directly from measured trap densities is validated through pulsed I-V and load-pull measurements, achieving excellent agreement at 40 GHz with a saturation output power of 24 dBm and a power-added efficiency (PAE) of 51%. These results establish a promising CMOS-compatible GaN-on-Si platform for Ka-band and millimeter-wave power amplifier applications.