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Axe 3 - Electronique de puissance

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.

Croissance de GaN sur Silicium :

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.

Transistors à enrichissement:

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.

Transistor vertical :

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.

Convertisseurs de forte puissance :

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).

Wafer 200 mm CEA-LETI

Responsables : Frédéric Morancho, LAAS Toulouse. et Fabrice Letertre CEA Grenoble.