Redéfinir les dispositifs à base de GaN pour leur adoption dans les véhicules électriques et centres de données

Des chercheurs de l’Indian Institute of Science (IISc) ont découvert des principes fondamentaux pour la conception des transistors de puissance à base de nitrure de gallium (GaN), les rendant plus sûrs et plus faciles à utiliser dans l’électronique de haute valeur comme les véhicules électriques et les centres de données.

Le GaN peut réduire considérablement les pertes d’énergie et diviser par trois la taille des convertisseurs de puissance et autres modules d’électronique de puissance, mais son adoption a été lente en raison des capacités limitées de sa grille, qui contrôle le flux de courant. Avec les transistors commerciaux actuellement utilisés qui emploient une grille en p-GaN, le dispositif commence à conduire à une faible tension de seuil (la tension de grille nécessaire pour le commuter), typiquement autour de 1,5 à 2 V. Ces transistors commencent également à fuir au-dessus de 5-6V.

Ce qui manquait jusqu’à présent était une compréhension fondamentale de la manière dont ces transistors sont contrôlés par leur grille et quels facteurs déterminent la tension de seuil. Des chercheurs du Département de génie des systèmes électroniques (ESE) de l’IISc ont mené une étude en deux parties pour examiner ces phénomènes.

« Ce qui est unique ici, c’est l’approche en deux étapes : nous avons d’abord établi le lien physique manquant entre l’état de déplétion du p‑GaN, les voies de fuite et la mise en conduction, puis nous avons utilisé cette compréhension pour concevoir une nouvelle structure de grille qui offre un comportement de grille bien plus proche de celui d’un MOSFET », explique Mayank Shrivastava, professeur et directeur de l’ESE et auteur correspondant des études.

Dans la première partie, l’équipe de l’IISc a conçu plusieurs nouvelles variantes de grille et a relié les mesures électroniques à des modèles et à la microscopie. Ils ont montré que le comportement du dispositif dépend de si la couche de p-GaN est entièrement ou partiellement dépeuplée. Lorsqu’elle est partiellement dépeuplée, de minuscules voies de fuite décident du résultat – si une charge positive s’accumule à une interface critique, le dispositif s’active prématurément ; si cette accumulation est supprimée, la déplétion s’étend d’abord et le transistor s’active plus tard, à un seuil plus élevé. « Il était surprenant de voir à quel point de ‘petites’ voies de fuite peuvent décider de tout le comportement de mise en conduction », souligne Shrivastava.

En utilisant ces informations, l’équipe a conçu et démontré de nouvelles structures de grille à base de métal qui peuvent réduire les fuites de grille jusqu’à 10 000 fois, tout en améliorant la stabilité du seuil et en atteignant des tensions de claquage de grille allant jusqu’à ~15,5 V.

Dans la deuxième partie, ils ont traduit ces principes fondamentaux en une structure de grille p-GaN intégrée à base d’AlTiO (oxyde d’aluminium-titane) – une proposition entièrement nouvelle et brevetée qui supprime l’injection de charge indésirable et force le mode de déplétion-extension à seuil élevé. Les dispositifs obtenus atteignent une tension de seuil ultra-élevée de >4 V – proche des niveaux des MOSFET au silicium – tout en maintenant un contrôle de grille solide, en améliorant la stabilité du seuil et en démontrant une tension de claquage de grille ultra-élevée. « Cela peut accélérer l’adoption du GaN dans les convertisseurs de puissance pour véhicules électriques, les alimentations des serveurs ou des centres de données, les onduleurs d’énergie renouvelable et d’autres applications de commutation haute puissance à haute fiabilité », déclare Rasik Rashid Malik, doctorant à l’ESE et auteur principal.

De telles avancées peuvent stimuler le déploiement de la technologie GaN dans les applications où la fiabilité, la robustesse et les marges de performance sont primordiales, ouvrant des opportunités locales pour faire un bond en avant dans la fourniture de solutions électroniques avancées.

L’équipe cherche désormais à étendre cette technologie pour un déploiement commercial via une combinaison de soutien gouvernemental, de licences industrielles et de partenariats collaboratifs.

« Atteindre une tension de seuil plus élevée tout en ayant une faible fuite et une marge de surtension de grille robuste est l’un des facteurs clés de la prochaine phase d’adoption du GaN », affirme Shrivastava. « C’est exactement ce que nous avons cherché à résoudre ».

Article : Achieving Ultrahigh Threshold Voltage in Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs With an AlxTiyO/p-GaN Integrated Gate Stack—Part II – Journal : IEEE Transactions on Electron Devices – DOI : Lien vers l’étude

Source : IISC