DS0205 -

Développement de composants innovants à base de GaN sur substrat de silicium pour la future génération de composants de puissance à haut rendement – DESTINEE

future génération de composants de puissance GaN

Développement de composants innovants à base de GaN sur substrat de silicium pour la future génération de composants de puissance au-delà de 1 kV

Repousser les limites de tenue en tension des composants de puissance GaN-sur-Silicium

Les dispositifs à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont prévus pour jouer un rôle important dans la prochaine génération de composants pour l’électronique de puissance. Ceci est dû à ses propriétés intrinsèques exceptionnelles et le faible coût de fabrication lorsque la croissance est effectuée sur substrat de silicium. Ce qui se traduirait par une moindre demande en énergie dérivée des sources de combustible fossile, et ainsi favoriser la protection de l'environnement. De plus, les convertisseurs de puissance à base de GaN peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées permettant de réaliser des modules jusqu'à un facteur 10 de réduction de la taille, du coût et du poids. <br />Dans ce cadre, nous avons développé un nouveau concept permettant d'accroitre fortement la tenue en tension des composants GaN-sur-silicium à des tensions record de l’ordre de 3000 V. L’élément clé de ce concept est une gravure localisée du substrat de silicium en face arrière autour de l'électrode de drain. Un des défis principaux des composants de puissance est la gestion thermique. Ce projet vise à développer une solution innovante de gestion thermique intégrée au sein des tranches en face arrière, qui devrait permettre de repousser les performances des composants GaN actuels bien au-delà de l’état de l’art.

Le projet DESTINEE se divise en 4 sous-tâches. Le WP1 a pour but de réaliser la croissance des épitaxies à base de GaN sur substrat de silicium où différentes structures ont été réalisées et caractérisées avant livraison à l’IEMN. Une source industrielle d’épitaxie a également été utilisée dans ce projet. Le WP2 se focalise sur la fabrication et la caractérisation basique des composants réalisés. Un masque spécifique a été mis au point afin d’évaluer les différentes variantes des matériaux provenant du WP1 ainsi que l’optimisation du concept de gravure localisée du substrat (GLS) en face arrière sur des composants laboratoires. Un autre jeu de masque a été spécifiquement développé pour la démonstration de l’approche GLS sur des transistors larges. Le WP3 concerne le développement et l’optimisation de film épais d’AlN (> 8µm) et délivrant un champ de claquage > 3 MV/cm nécessaire au remplacement du substrat de silicium après GLS. Enfin, le WP4 inclut la simulation et la modélisation des composants en support à la conception des topologies des transistors. Il inclut également la caractérisation avancée tel que les mesures thermiques et dynamiques des composants.

Un claquage vertical au-dessus de 1,3 kV, à l’état de l’art sur un buffer de 5 µm d'épaisseur dopé au carbone à base de AlN/GaN SL (2.6 MV/cm) provenant de la compagnie SOITEC-Belgium a été observé, comparé à 1 kV avec un buffer plus épais (5,5µm) à base de gradient d’AlGaN plus standard. Des mesures par polarisation du substrat jusqu'à 150 °C ont permis d'observer pour la 1ère fois une réduction significative des pièges jusqu'à 1,2 kV. Ces résultats ouvrent la voie à des transistors de puissance latéraux en GaN-sur-Si fonctionnant à 1200 V avec un faible RON et de faibles effets de pièges. Cette étude a contribué à l’émergence de ce produit disponible maintenant au sein de la société SOITEC.
D’un point de vue spécifications visées, les objectifs du projet DESTINEE ont été atteints avec succès. En effet, nous avons démontré une preuve de concept de l’approche de gravure localisée ainsi qu’une amélioration notable de la tenue en tension de composants industriels provenant de la compagnie OnSemiconductor avec une dégradation thermique raisonnable liée à la métallisation en face arrière. Les résultats montrent la possibilité d’obtenir des transistors délivrant plus de 10 A avec un claquage latéral supérieur à 2 kV.
Enfin, il faut noter la possibilité d’utiliser cette brique technologique (GLS) pour le développement d’un autre type de composants verticaux en définissant le contact de drain en face arrière.

D’un point de vue spécifications visées, les objectifs du projet DESTINEE ont été atteints avec succès. En effet, nous avons démontré une preuve de concept de l’approche de gravure localisée ainsi qu’une amélioration notable de la tenue en tension de composants industriels provenant de la compagnie OnSemiconductor avec une dégradation thermique raisonnable liée à la métallisation en face arrière. Les résultats montrent la possibilité d’obtenir des transistors délivrant plus de 10 A avec un claquage latéral supérieur à 2 kV.
Enfin, il faut noter la possibilité d’utiliser cette brique technologique (GLS) pour le développement d’un autre type de composants verticaux en définissant le contact de drain en face arrière.

Le projet DESTINEE a permis de générer 6 articles publiés dans des revues internationales à fort facteur d’impact, 15 conférences internationales dont 7 en papier invité ainsi que 2 articles de presse apparus dans le magazine Compound Semiconductor et sur le site de la compagnie KymaTech, respectivement.

Les dispositifs à base de Nitrure de Gallium (GaN) sont prévus pour jouer un rôle important dans la prochaine génération de composants pour l’électronique de puissance. Ceci est dû à ses propriétés intrinsèques exceptionnelles et le faible coût de fabrication lorsque la croissance est effectuée sur substrat de silicium. De ce fait, les interrupteurs de puissance à base de GaN ont le potentiel de permettre la connexion des sources d'énergie renouvelables au réseau électrique avec des rendements élevés. Cette nouvelle technologie permettrait de délivrer non seulement des rendements plus élevés mais aussi des modules moins complexes, plus légers et avec une plus grande fonctionnalité, et de manière plus robuste. L'objectif ultime pour les compagnies produisant des énergies renouvelables est de fournir cette énergie aux réseaux nationaux avec un minimum de perte. Ce qui se traduirait par une moindre demande en énergie dérivée des sources de combustible fossile, et ainsi favoriser la protection de l'environnement. Les composants GaN peuvent fonctionner de manière fiable à des températures de jonction élevées de l’ordre de 225°C (les dispositifs à base de silicium cessent de fonctionner à ~150°C), permettant d’éviter les systèmes de refroidissement coûteux. De plus, les convertisseurs de puissance à base de GaN peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées permettant de réaliser des modules beaucoup plus compactes, jusqu'à un facteur 10 de réduction de la taille, du coût et du poids. Cela implique une économie d'énergie significative (~10%), la réduction du coût globale ainsi qu’une plus grande adoption des sources d'énergie renouvelable.
Dans ce cadre, nous avons développé un nouveau concept permettant d'accroitre fortement la tenue en tension des composants GaN-sur-silicium à des tensions record de l’ordre de 3000 V. L’élément clé de ce concept est une gravure localisée du substrat de silicium en face arrière autour de l'électrode de drain. Un des défis principaux des composants de puissance est la gestion thermique. Ce projet vise à développer une solution innovante de gestion thermique intégrée au sein des tranches en face arrière, qui devrait permettre de repousser les performances des composants GaN actuels bien au-delà de l’état de l’art. Quatre établissements publics IEMN, ESIEE, CRHEA et LAAS combineront leurs expériences pour atteindre cet objectif ambitieux qui mènerait à une vraie percée technologique pour les applications de puissance. Le projet de recherche DESTINEE adresse des composants critiques clés basés sur le matériau émergent GaN pour la prochaine génération de composants pour l'électronique de puissance. Ce projet tirera bénéfice de collaborations existantes avec des partenaires leader dans leur domaine respectif. Il couvre un large spectre à forte valeur ajoutée allant de l'épitaxie, et du développement technologique de dispositifs intégrés, à la caractérisation de prototype et de fiabilité préliminaire.

Coordination du projet

Farid Medjdoub (Institut d'Electronique, de Microélectronique, de Nanotechnologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IEMN - CNRS Institut d'Electronique, de Microélectronique, de Nanotechnologie
CRHEA Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie et ses Applications
ESIEE paris Chambre de commerce et d'industrie régionale de Paris île-de-France ESIEE Paris
CNRS/LAAS Centre National de la Recherche Scientifique/LAAS

Aide de l'ANR 458 972 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 42 Mois

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