De meilleurs dispositifs de puissance ouvrent la voie à des applications à haute tension

Les semi-conducteurs de puissance jouent un rôle important de convertisseurs d’énergie dans une large gamme d’équipements électroniques que nous utilisons quotidiennement, depuis les smartphones et les ordinateurs aux panneaux photovoltaïques, en passant par les véhicules électriques. L’utilisation intensive et globale des semi-conducteurs de puissance a poussé les scientifiques à les rendre plus économes et plus efficaces sur le plan énergétique.

De grandes avancées ont été réalisées pour atteindre cet objectif grâce à PowerBase, un projet partiellement financé par l’UE qui compte 39 partenaires issus de neuf pays européens. Les fonds de PowerBase ont également contribué au développement d’une nouvelle technologie de substrats de nitrure de gallium (GaN) qui permettra aux dispositifs de puissance d’opérer à des tensions supérieures à 650 V. Cette avancée a récemment été annoncée par un centre international de R&D et d’innovation situé en Belgique et une société de technologie américaine sans usine. Leurs efforts conjoints ont permis cette avancée destinée à créer des semi-conducteurs de puissance plus efficaces.

L’efficacité énergétique de ces nouveaux dispositifs de puissance est assurée grâce au GaN, une technologie prometteuse pour les applications de semi-conducteurs de puissance. La chaleur résultant des pertes de puissance constitue un effet secondaire majeur en électronique. Lorsqu’ils fonctionnent, les dispositifs et les circuits électroniques produisent de la chaleur. Plus leur fréquence d’utilisation et leur vitesse sont élevées, plus ils émettent de la chaleur, ce qui compromet tôt au tard leur performance et entraîne leur défaillance prématurée. Grâce à sa rigidité diélectrique plus élevée et ses vitesses de commutation plus rapides, le GaN peut réduire la perte énergétique durant la conversion de l’énergie.

Jusqu’à présent, la technologie du GaN sur silicium a servi à créer des dispositifs de puissance GaN commerciaux opérant jusqu’à 650 V, avec des couches tampon de 200 mm entre le dispositif GaN et le substrat en silicium. Toutefois, pour les applications comme l’énergie renouvelable et les véhicules électriques, dont les besoins dépassent 650 V, les dispositifs de puissance à base de GaN se sont avérés problématiques.

La difficulté réside dans l’épaisseur du tampon à base de nitrure d’aluminium-gallium (AlGaN) qu’il faut augmenter pour parvenir à un niveau de rupture élevé et à de faibles fuites. Cette complexité s’explique par la différence de coefficient de dilatation thermique (CDT) entre les couches épitaxiales GaN/AlGaN et le substrat en silicium. En termes simples, les deux éléments ne se dilatent pas au même rythme lors d’un changement de température. Bien que des substrats en silicium plus épais aient été envisagés pour empêcher la plaquette de se déformer ou de ployer à 900 V et plus, ils suscitent d’autres inquiétudes comme une perte de résistance mécanique et des problèmes de compatibilité dans certains outils de traitement.

Cet obstacle a été contourné avec la mise au point de dispositifs de puissance p-GaN à enrichissement de haute performance sur des substrats de 200 mm adaptés au CDT. La dilatation thermique des substrats se rapproche très étroitement de celle des couches épitaxiales GaN/AlGaN . Cette solution jette les bases pour des dispositifs de puissance dotés de tampons de 900 à 1 200 V et plus sur des substrats de 200 mm d’épaisseur standard, et offre de nouvelles perspectives passionnantes pour les futures applications commerciales.

Touchant maintenant à sa fin, PowerBase (Enhanced substrates and GaN pilot lines enabling compact power applications) entendait faire évoluer les technologies de semi-conducteurs de puissance actuelles. Pour y parvenir, il s’est concentré sur la mise en place d’une ligne pilote de technologie GaN à large bande interdite et sur l’expansion des limites des matériaux de substrats à base de silicium actuels pour les semi-conducteurs de puissance. D’autres objectifs comprenaient l’introduction de solutions d’encapsulation avancées à partir d’une ligne pilote dédiée intégrant une puce et la démonstration du potentiel innovant dans les domaines d’application de puissance compacte de pointe.

Pour plus d’informations, veuillez consulter:
site web du projet PowerBase