Les semi-conducteurs de puissance jouent un rôle important dans la conversion de puissance dans une large gamme d'équipements électroniques que nous utilisons dans notre vie quotidienne, des smartphones et ordinateurs aux véhicules photovoltaïques et électriques. Compte tenu de l'utilisation étendue et mondiale des semi-conducteurs de puissance, les scientifiques se sont concentrés sur les rendre plus économes en énergie et plus rentables.

De grands progrès ont été accomplis vers cet objectif grâce à PowerBase, un projet financé en partie par l'UE avec 39 partenaires de 9 pays européens. Les fonds PowerBase ont également contribué au développement d'une nouvelle technologie de substrat de nitrure de gallium (GaN) sur la base de laquelle les dispositifs d'alimentation pourront fonctionner à des tensions supérieures à 650 V. Ce développement a été récemment annoncé par un pôle international de R&D et d'innovation basé en Belgique et un entreprise de technologie sans usine. Leurs efforts conjoints ont abouti à cette avancée vers des semi-conducteurs de puissance plus efficaces.

L'efficacité énergétique des nouveaux appareils électriques est obtenue grâce au GaN, une technologie prometteuse pour les applications de semi-conducteurs de puissance. La chaleur résultant des pertes de puissance est un effet secondaire majeur en électronique. Comme ils fonctionnent, les appareils et circuits électroniques génèrent de la chaleur. Plus ils travaillent et plus vite, plus la chaleur excédentaire est créée, ce qui finit par compromettre les performances et conduit à leur défaillance prématurée. Avec ses résistances de claquage plus élevées et ses vitesses de commutation plus rapides, Le GaN a le potentiel de réduire les pertes d'énergie lors de la conversion de puissance.

Jusqu'à maintenant, La technologie GaN-sur-silicium a été utilisée pour les dispositifs d'alimentation GaN commerciaux fonctionnant jusqu'à 650 V, avec des couches tampons de 200 mm entre le dispositif GaN et le substrat de silicium. Cependant, pour des applications telles que les énergies renouvelables et les véhicules électriques, dont les besoins dépassent 650 V, Les dispositifs d'alimentation à base de GaN se sont avérés problématiques.

La difficulté réside dans l'augmentation de l'épaisseur du tampon, qui est à base de nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN), aux niveaux requis pour une panne plus élevée et de faibles niveaux de fuite. C'est parce qu'il y a un décalage dans le coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les couches épitaxiales de GaN/AlGaN et le substrat de silicium. Pour parler simplement, les deux ne se dilatent pas au même rythme avec un changement de température. Bien que des substrats de silicium plus épais aient été considérés comme un moyen d'empêcher la déformation et la courbure des plaquettes pour 900 V et plus, ils donnent lieu à d'autres problèmes tels que la perte de résistance mécanique et des problèmes de compatibilité dans certains outils de traitement.

Le problème a été résolu avec le développement de dispositifs d'alimentation p-GaN à mode d'amélioration hautes performances sur des substrats adaptés au CTE de 200 mm. La dilatation thermique des substrats est très proche de celle des couches épitaxiées GaN/AlGaN. Ceci pose les bases des dispositifs de puissance avec des buffers de 900 à 1 200 V et au-delà sur des substrats de 200 mm d'épaisseur standard, avec de nouvelles perspectives passionnantes pour de futures applications commerciales.

Arrivant maintenant à sa conclusion, PowerBase (Substrats améliorés et lignes pilotes GaN permettant des applications d'alimentation compactes) a travaillé à l'avancement des technologies actuelles des semi-conducteurs de puissance. Pour y parvenir, il s'est concentré sur la mise en place d'une ligne pilote qualifiée de technologie GaN à large bande interdite et sur l'élargissement des limites des matériaux de substrat à base de silicium d'aujourd'hui pour les semi-conducteurs de puissance. D'autres objectifs comprenaient l'introduction de solutions d'emballage avancées à partir d'une ligne pilote d'intégration de puces dédiées et la démonstration du potentiel d'innovation dans les principaux domaines d'applications d'alimentation compacte.