Combinaison de transistors GaN à architectures verticale et horizontale pour la conversion de puissance – C-PI-GaN

Dans un contexte actuel où l’énergie électrique joue un rôle de plus en plus important dans le mix énergétique en raison de l’utilisation mondiale croissante des énergies renouvelables, le marché des systèmes de conversion de puissance électrique (PECS) est en augmentation constante tant en taille qu’en complexité afin de répondre aux besoins actuels et futures de la conversion de puissance à tous les niveaux. Le marché des PECS actuels est largement dominé par la technologie Silicium du fait de son bas coût et de sa maturité. Cependant, cette technologie ne permet d’offrir qu’un compromis limité entre encombrement, efficacité énergétique et tension de fonctionnement maximale. Alors que des technologies émergentes demandent des solutions technologiques de plus en plus performantes, il apparaît alors crucial de repousser ces limites pour pouvoir répondre à ces changements technologiques.
Une solution prometteuse réside dans l’utilisation du semi-conducteur Nitrure de Gallium (GaN) bien supérieur en termes de mobilité électronique et de tension de claquage. La technologie GaN est actuellement utilisée dans des applications jusqu’à 650 V avec des transistors haute mobilité électronique (HEMTs) à topologie horizontale crue sur substrat étranger. Bien que la technologie GaN HEMT offre des performances impressionnantes, la pleine potentialité de ce matériau n’est pas entièrement exploité du fait des limitations venant de la croissance sur substrat étranger.
Cependant des progrès récents en science des matériaux permettent d’envisager la fabrication de substrats GaN à coûts raisonnables. Ainsi, dans ce projet, il est prévu de dépasser les limitations actuelles en utilisant une approche de croissance homo-epitaxiale sur substrat GaN pour la fabrication de transistors GaN verticaux (MOSVFETs). En effet, des travaux précédents de la littérature ont mis en valeur le gain de performance important en terme de densité de puissance avec l’approche GaN verticale sur substrat massif.
Plus encore, l’idée déterminante de ce projet est la combinaison de HEMTs horizontaux et de MOSVFETs verticaux. Ainsi, cette proposition de projet se distingue des travaux précédents par le fait que, pour la première fois, nous démontrerons l’intégration monolithique d’un circuit driver constitué de transistors HEMTs à haute vitesse de transition avec un transistor de puissance MOSVFET pour la commutation.
Cette approche permettra de tirer parti de la supériorité du transistor normally-off MOSVFETs en terme de résistance à l’état passante, tout en permettant d’intégrer au plus proche un circuit driver HEMTs pour une commutation à haute vitesse. Il en résultera la possibilité de réaliser un PECS capable d’opérer à des hautes tensions jusqu’à 1200 V avec des caractéristiques de robustesse, de réactivité, d’efficacité et de densité de puissance exceptionnelles. Ce défi technologique représentera donc une avancée majeure qui est cependant tout à fait réalisable par le la mise en commun des expertises et des capacités technologiques des partenaires à ce projet.