Le 21ème siècle doit voir une réduction des énergies
fossiles au profit des énergies à zéro émission
de carbone et en particulier l’énergie électrique. Cette
transition s’appuie notamment sur des circuits et systèmes de
conversion d’énergie électrique qui nécessitent,
eux-mêmes, de nouveaux composants électroniques, plus performants
que les composants actuels, limités par les propriétés
intrinsèques du Silicium. Aujourd’hui les nitrures d’éléments
III sur Si (ex : AlGaN/GaN/Si) constituent une des familles de matériaux
les plus prometteuses, en termes de performance et de coût, pour remplacer
le Si dans certaines applications.)
L’axe 3 de GaNex concerne l’application de la technologie GaN
sur Silicium aux convertisseurs d’énergie électrique,
notamment dans le domaine des véhicules électriques et de la
génération d’énergie photovoltaïque. Les propriétés
physiques du GaN doivent permettre d’augmenter l’efficacité
et la compacité et de réduire les coûts des systèmes
de conversion d’énergie.
Afin de tenir les spécifications en tension (> 600V) et en coût
des applications, des couches de GaN épaisses (>5µm) et de
haute qualité doivent être épitaxiées sur substrat
Silicium (Si). La croissance sur Si représente un défi pour
plusieurs raisons : tout d’abord à cause des différences
de paramètres de maille cristalline et du coefficient de dilatation
thermique entre le GaN et le Si. Ensuite parce qu’il faut gérer
le stress mécanique de l’ensemble de l’empilement (minimisation
de la flèche des wafers et des défauts macroscopiques dans le
GaN). Enfin, parce que le substrat de Si doit être de grande taille
(150mm et 200mm) afin d’être compatible avec les infrastructures
de fabrication de composants de puissance Si ou CMOS-Si.
Une contrainte supplémentaire existe si l’on envisage de co-intégrer
de façon monolithique des composants CMOS-Si avec des composants de
puissance GaN/Si. Dans ce cas les conditions de croissance du GaN doivent
être adaptées. C’est l’une des voies explorées
dans GaNex.
Les transistors HEMTs de puissance basés sur l’hétérostructure AlGaN/GaN ont démontré des performances nettement supérieures à celles des composants Si. Cependant, le HEMT GaN est un transistor à appauvrissement alors qu’un transistor à enrichissement est préférable pour les circuits de puissance (pour la simplicité des architectures et la sécurité notamment). Différentes approches ont été étudiées pour le transistor à enrichissement (gravure de la couche barrière, incorporation de charges dans la zone de grille par épitaxie ou implantation ionique, combinaison d’un transistor GaN à appauvrissement avec un transistor Si à enrichissement en configuration cascode, …). Chacune de ces solutions présente des avantages et des inconvénients mais aucune n’est clairement établie et un gros effort reste à faire pour identifier la meilleure approche et en proposer de nouvelles.
Pour une large gamme de puissance et en dessous d’une certaine fréquence,
les convertisseurs de puissance classiques utilisent des composants de puissance
Si à structure verticale. Cette structure permet de séparer
l’électrode de masse des électrodes à haute tension
mais aussi d’optimiser la densité d’intégration
des composants Si. Les composants latéraux à base de GaN permettront
probablement de gérer des puissances supérieures aux composants
Si latéraux mais à partir d’un certain niveau de puissance,
il sera nécessaire d’utiliser des
composants GaN verticaux. Un des objectifs de Ganex est de développer
ce type de composants verticaux. Le challenge principal est de contacter le
GaN depuis la face arrière à travers l’hétérojonction
entre Si et les couches de nucléation.
Les convertisseurs de puissance à base de HEMT GaN nécessitent
des développements spécifiques afin d’exploiter les performances
des transistors (haute vitesse de commutation, faibles Ron …). Certains
aspects doivent revus tels que la gestion de la thermique lié à
la compacité des composants et des convertisseurs, les éléments
passifs, la compatibilité électromagnétique, la conception
des drivers…
Ces développement doivent se baser sur l’utilisation de moyens
de caractérisation électrique combinés à des simulations
de type TCAD électro-thermo-mécaniques, disponible parmis les
partenaires du GaNex.
Ce projet a pour objectif de renforcer la compétitivité des
laboratoires de R&D et des industriels français dans le domaine
des convertisseurs pour les véhicules électriques dans la gamme
des 600V et pour la production d’énergie photovoltaïque.
Le savoir faire en épitaxie et en fabrication de composants, développés
par les partenaires académiques (CRHEA,LAAS, AMPERE, GREMAN, IMS, IMN,
G2ELAB, L2C, CEA-Leti), sera transféré aux partenaires industriels
(STMicroelectronics, Soitec, Ommic, III-Vlab).
Responsables : Frédéric Morancho, LAAS Toulouse. et Fabrice Letertre CEA Grenoble.