DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Matériaux à ultra large bande interdite pour les futurs applications d’électronique de puissance – BREAkuP

Composants ultra-grands-gaps pour les futures applications de puissance

L'objectif de ce projet est d'explorer et de développer des systèmes de matériaux radicalement nouveaux basés sur le semiconducteur AlN à ultra-large bande interdite pour les futurs composants de puissance offrant une plus grande robustesse et un fonctionnement en température supérieure. Le matériau AlN permettra un fonctionnement à haut rendement au-delà de 1200 V ainsi que des performances en puissance plus élevées qui ne sont actuellement pas accessibles par les transistors GaN.

L'objectif de ce travail est de créer une rupture dans le domaine de l'électronique de puissance par le développement de nouveaux transistors à base d'AlN haute tension.

Les objectifs globaux de ce projet sont le développement de nouveaux composants robustes à base du matériau AlN pour les systèmes d’électronique de puissance haute tension visant la conversion d’énergie à haut rendement ainsi que les applications hyperfréquences. Le but est de tenter de repousser les limites des technologies « grands gaps » par la mise au point d’une technologie à ultra-large bande interdite à base d’AlN qui possède des propriétés supérieures aux technologies existantes.

Le succès de ce projet pourrait créer une véritable rupture dans le domaine des composants hautes tensions pour les applications électroniques de forte puissance par le développement des éléments suivants :
- Optimisation de la croissance d’hétérostructures riches en Al sur substrat natif en AlN délivrant peu de dislocations (TDD < 105/cm2) ainsi que sur « template » AlN dont la croissance est réalisée sur différents substrats (saphir, Si, SiC).
- Exploration et compréhension des mécanismes de croissance de ces hétérostructures riches en Al sur AlN par l’utilisation de caractérisations avancées tels que : X-Ray Diffraction, cathodoluminescence, AFM, HRTEM, EBIC ainsi que des caractérisations électriques : effet Hall, tenue en tension du buffer et de transistors, mesures en température et pulsées.
- Développement de composants AlN latéraux innovants démontrant un large gaz 2D, une tenue en tension accrue, de faibles effets de pièges et une résistance thermique réduite.
- Démonstration de la croissance d’une hétérostructure à base d’AlN optimisée sur une plaquette de large diamètre par la start-up EasyGaN.

• Injection des électrons dans le substrat de silicium pour les HEMTs minces GaN-on-Si.
• Les caractéristiques de claquage du buffer confirment la supériorité de l'AIN.
• Une tension de claquage supérieure est observée pour AlGaN/GaN-on-AlN avec un canal GaN plus mince mettant en évidence l’intérêt de cette structure.
• L’amélioration du champ de claquage avec l’augmentation du taux d'Al dans le canal a été vérifiée expérimentalement.
• Un claquage > 2,5 MV/cm a été observé au sein de transistors MIS-HEMT submicroniques sur silicium.
• Le canal AlGaN à fort taux d’Al% délivre d'excellentes performances électriques à haute température.
• Réduction significative des résistances de contact par recroissance de GaN fortement sous les contacts.
Plusieurs techniques avancées ont été utilisées pour étudier ces nouvelles hétérostructures : Une densité moyenne de dislocations de l'ordre de moins de 108 cm2 a été estimée au sein des couches tampons AlN par analyse DRX. Plus visibles avec les images TEM, le long de l'axe de la zone [11-20], certaines d'entre elles peuvent s'étendre jusqu'au canal de GaN. Des simulations et caractérisations statiques ont été utilisées pour déterminer quatre régimes de fonctionnement. La technique DLTS dans ces différents régimes a permis d'identifier cinq pièges. L'étude des défauts électriquement actifs par EBIC (courant induit par faisceau d'électrons) et cathodoluminescence a également été réalisée permettant d'observer expérimentalement la zone de charge d'espace avant le claquage.

• Des structures de canaux GaN plus minces utilisant la même épi-conception afin d'expliquer l'impact de l'épaisseur du canal GaN sur les caractéristiques des dispositifs.
• Optimisation du procédé de fabrication des composants dans le but d'obtenir de meilleures caractéristiques électriques à l'état passant pour les HEMT AlGaN/GaN-on-AlN.
• L’ajustement du taux d’Al dans la barrière ainsi que dans le canal peut permettre une amélioration des performances de cette filière.
• HEMT à canal AlGaN sur silicium avec des couches tampons plus épaisses afin d’exploiter le champ électrique accru à l'intérieur de la structure avec différents taux d'Al dans le canal.

Sur la base de ces résultats préliminaires prometteurs, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour améliorer la qualité des matériaux et optimiser le design de l'épitaxie sur les substrats massifs en AlN et sur silicium dans le but d'établir une nouvelle classe de transistors de commutation haute puissance.

Le projet Breakup a permis de générer 4 articles publiés dans des revues internationales et 11 conférences internationales dont 8 conférences invitées :

S. Rennesson,et al, “Ultrathin AlN-based HEMTs grown on silicon substrate by NH3-MBE”, Phys. Status Solidi A, 2018

Abid I., Kabouche R., Medjdoub F., GaN integration on silicon for high power devices, Invited talk, European Materials Research Society Meeting, E-MRS Fall 2019, Warsaw, Poland, September 16-19, 2019

Medjdoub F., Towards higher voltage in III-nitride devices, Invited talk, 13th International Conference on Nitride Semiconductors 2019, ICNS-13, Bellevue, WA, USA, July 7-12, 2019

Medjdoub F., High voltage GaN-based electron devices, Invited talk, 55th Annual Workshop on Compound Semiconductor Materials and Devices, WOCSEMMAD 2019, Jacksonville, FL, USA, February 18-20, 2019

Medjdoub F., Invited talk, Increasing the blocking voltage of GaN HEMTs, 9th Compound Semiconductor International Conference, Brussels, Belgium, March 26-27, 2019

Medjdoub F., Next generation of GaN-on-silicon power devices, Invited talk, 4th International Conference on Emerging Electronics, ICEE 2018, Bangalore, India, December 17-19, 2018

I. Abid, et al, « AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors with Ultra -Wide Bandgap AlN buffer », WOCSDICE, Cabourg, France, 2019

I. Abid, et al, Remarkable Lateral Breakdown Voltage in thin channel AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors on thick AlN/Sapphire Templates, 13th International Conference on Nitride Semiconductors 2019, ICNS-13, Bellevue, WA, USA, July 7-12, 2019

I. Abid, et al, “High Lateral Breakdown Voltage in Thin Channel AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors on AlN/Sapphire Templates”, Micromachines 2019, 10, 690; doi:10.3390/mi10100690

I. Abid, et al, Remarkable Breakdown Voltage on AlN/AlGaN/AlN double heterostructure, Proc. of the 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) Sept. 2020, Vienna, Austria

I. Abid, et al, AlN-based power devices, Invited talk, 56th Annual Workshop on Compound Semiconductor Materials and Devices, WOCSEMMAD 2020, February 16 -19, 2020, Saguaro Palm Springs, Palm Springs CA

I Abid, et al, “AlGaN channel High Electron Mobility Transistors with re-grown ohmic contacts”, Electronics 2021, 10, 635

Medjdoub F., Invited talk, GaN RF and power research at IEMN, C3NiT center day, Linkoping, Sweden, Nov. 2021

J. Mehta, et al, Prospects of Ultrawide Bandgap Materials and Devices, Invited talk, The 22nd international union of Materials Research Societies – International conference in Asia, IUMRS - ICA 2021, Jeju, Korea, Oct. 2021

J. Mehta,et al, «AlGaN/GaN HEMTs on AlN substrate for power electronics », 44th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits held in Europe, WOCSDICE, Bristol, UK, 2021

J. Bassaler,et al, « Detailed study of Al0.9Ga0.1N/GaN heterostructures with thin GaN on AlN/Sapphire templates », submitted to J. of Applied Phys., 2022

L'objectif de ce projet est d'explorer et de développer des hétérostructures radicalement nouvelles basées sur le matériau AlN à ultra large bande interdite pour les futurs composants de puissance offrant une robustesse accrue et un fonctionnement en température plus élevé vers l'hétérostructure ultime AlN/GaN/AlN. Le matériau AlN permettra un fonctionnement à haut rendement au-delà de 1200 V ainsi que des performances en puissance plus élevées dans la gamme d'ondes millimétriques, au-delà des composants à base de GaN actuels. Ce projet repoussera les limites des interrupteurs de puissance à haute tension en étudiant la technologie basée sur le matériau AlN, qui par rapport à tout autre semi-conducteur présente de meilleures propriétés intrinsèques (y compris les matériaux GaN et SiC relativement matures). Les structures basées sur le matériau AlN représentent donc la suite logique vers une solution en rupture pour la réduction significative des courants de fuite verticaux, une tension de claquage plus élevée, de plus haute fréquence de fonctionnement et une conductivité thermique améliorée.
Le consortium composé de trois laboratoires universitaires (IEMN, CRHEA et Institut Néel) offre une complémentarité parfaite en apportant une expertise unique à ce développement ambitieux de nouveaux composants de puissance. On peut souligner que chaque partenaire collabore de manière approfondie avec des acteurs industriels nationaux, tels que ExaGaN, OMMIC, UMS et la start-up EasyGaN. Cela reflète l'environnement favorable à la maturation dans un délai relativement court de ce travail de recherche fondamentale vers des démonstrateurs basés sur ce matériau novateur.

Coordination du projet

Farid Medjdoub (Institut d'électronique, de microélectronique et 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

CRHEA Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications
INEEL Institut Néel - CNRS
IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie

Aide de l'ANR 457 189 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2017 - 42 Mois

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