Les technologies électroniques de pointe jouent un rôle crucial comme les composants électroniques à haute performance et haute efficacité. Ils sont essentiels pour les véhicules électriques, les systèmes de stockage d’énergie, les centrales solaires et éoliennes, ainsi que les pompes à chaleur innovantes. Les semi-conducteurs à grand gap de bande, tels que le gallium nitride (GaN), restent particulièrement importants pour le développement de ces composants.
Le rôle clé des semi-conducteurs à grand gap de bande
Les semi-conducteurs à grand gap de bande, comme le GaN, fonctionnent avec des pertes plus faibles, bloquent des tensions plus élevées et peuvent résister à des températures plus élevées que les composants basés sur le silicium (Si). L’Institut Fraunhofer pour la physique appliquée à l’état solide IAF utilise le GaN pour développer des transistors et des circuits intégrés de puissance (GaN power ICs) à haute performance et haute densité d’intégration pour les applications électroniques de puissance.
« La transition énergétique n’est pas seulement nécessaire pour maintenir notre qualité de vie, mais elle est également une opportunité de sécuriser la force économique de l’Europe à travers les technologies futures dans les domaines de la mobilité et de l’industrie énergétique. Des composants semi-conducteurs efficaces, puissants et économiques sont les clés de cette transformation », explique le Dr. Richard Reiner, scientifique dans l’unité d’affaires Power Electronics au Fraunhofer IAF.
Les technologies GaN HEMT pour la transition énergétique
Les chercheurs du Fraunhofer IAF travaillent actuellement sur la mise en œuvre de technologies GaN HEMT avec des tensions de blocage jusqu’à et au-delà de 1200 V, qui peuvent être utilisées pour de nombreuses mesures de réduction des émissions de CO2 dans le cadre de la transition énergétique, comme la charge bidirectionnelle des véhicules électriques. Les GaN HEMTs visent à fournir une alternative aux transistors à effet de champ à oxyde métallique (MOSFETs) en carbure de silicium (SiC) déjà disponibles, qui sont très coûteux et donc pas adaptés à une utilisation généralisée.
Le Fraunhofer IAF poursuit plusieurs approches pour cela : le traitement des GaN HEMTs sur des substrats en silicium (GaN-on-Si HEMTs), l’utilisation de substrats de transport très isolants tels que le saphir, le SiC ou le GaN (GaN-on-insulator HEMTs) et le développement de technologies GaN verticales.
Les différentes approches pour les GaN HEMTs
Toutes les approches permettent des composants GaN haute performance, efficaces et économiques pour les applications à haute tension avec un grand potentiel d’application dans les domaines clés de la transition énergétique. Les GaN-on-Si HEMTs latéraux sont déjà commercialement disponibles, mais sont limités à une tension de blocage de 650 V en raison des épaisseurs de couches GaN limitées. En optimisant continuellement le matériau et son traitement (épitaux, traitement, structuration), les chercheurs du Fraunhofer IAF ont pu démontrer des GaN-on-Si HEMTs avec des tensions de blocage statiques supérieures à 1200 V.
Les technologies GaN verticales, dans lesquelles le flux de courant traverse verticalement les couches de matériau, permettent des performances encore plus élevées avec une efficacité et une capacité d’intégration accrues.
Dans les dix prochaines années, les chercheurs du Fraunhofer IAF veulent rendre les GaN power ICs verticaux adaptés à l’utilisation industrielle.
Légende illustration : Plaque de GaN-sur-Si comprenant des composants verticaux, développée par Fraunhofer IAF. Crédit : © Fraunhofer IAF
