Les modes de dégradation des dispositifs de puissance à base de GaN

Généralités sur les composants Grands Gaps

Les nouvelles technologies mises en œuvre pour réduire la consommation énergétique des systèmes électroniques se basent sur les matériaux Grands Gaps (semi-conducteurs à large bande interdite) tels que le Carbure de Silicium (SiC), le Nitrure de Gallium (GaN) et le Diamant. Les objectifs recherchés à travers ces technologies sont la réduction des dimensions et du poids des convertisseurs, l’augmentation de l’efficacité énergétique et la diminution des coûts.

La technologie GaN (Nitrure de Gallium) fait partie des technologies « Grands Gaps » qui permet de repousser les limites des semi-conducteurs de puissance actuels. Dans cette section, des généralités sur les matériaux Grands Gaps sont présentées en mettant l’accent sur le positionnement du GaN par rapport aux Si, SiC et au Diamant. CHAP I Etat de l’art sur les modes de dégradation des dispositifs de puissance à base de GaN

Compromis entre la tenue en tension et la température

Les dispositifs de puissance traditionnels réalisés à partir du Silicium (Si) montrent certaines limitations dès lors que l’on souhaite combiner de fortes tenues en tension, des utilisations en températures au-dessus de 200°C et des fréquences de commutation élevées afin d’augmenter les densités de puissance. Pour franchir ces limitations, il est nécessaire de recourir à des matériaux à large bande interdite (Grands Gaps) qui présentent des propriétés plus adaptées.

Ils permettent un fonctionnement potentiel du dispositif à des températures, des tensions et des vitesses de commutation supérieures aux dispositifs à base de Silicium (Si) utilisés actuellement. Le Carbure de Silicium (SiC), le Nitrure de Galium (GaN) et le Diamant sont les matériaux à large bande interdite les plus prometteurs. Les compromis tenus en tension/température de différents matériaux à large bande interdite sont présentés en figure I.1.

Pour le Silicium, si la tenue en tension dépasse le kilovolt, la température de fonctionnement est limitée à environ 200°C. Pour les semi-conducteurs à large bande interdite, le compromis est beaucoup plus large. Le Diamant est le meilleur matériau, mais en raison de son coût élevé et de son niveau d’évolution, le GaN et le SiC restent les mieux adaptés. Avec des dispositifs à base de GaN ou de 4H-SiC, la tenue en tension pourrait théoriquement atteindre de très fortes tensions dans une ambiance supérieure à 500°C (Cf. Figure I.1).

Compromis entre la tenue en tension et la résistance RONspécifique

La figure I.3 présente les limites théoriques de la résistance RON spécifique en fonction de la tenue en tension du GaN en comparaison avec celles du SiC et Si. Comme attendu, vu les mobilités respectives des électrons dans ces matériaux, les résistances RON spécifiques GaN sont inférieures d’un ordre de grandeur à celles des dispositifs SiC et inférieures de deux ordres de grandeur à celles des dispositifs à base de Silicium.

Pour les composants HEMT-GaN et pour des tenues en tension faibles, les dimensions Drain-Source sont suffisamment réduites pour que la résistance du canal RON soit la plus faible possible. A contrario, pour des tenues en tensions élevées, la longueur du canal augmente et la résistance spécifique du canal devient le facteur limitant du fonctionnement des dispositifs GaN. Contrairement au SiC, les dispositifs GaN actuels sont encore loin de la limite unipolaire théoriquement prévue et de fortes marges de progrès sont encore à attendre.