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

L’objectif principal de ce projet est le développement d'une nouvelle technologie PECs basée sur un commutateur de puissance à base de GaN et à structure verticale intégré de manière monolithique avec un dispositif latéral (GaN-HEMT). Pour atteindre l'objectif de ce projet, nous l'avons divisé en deux objectifs complémentaires. Premièrement, la fabrication de transistors verticaux en utilisant un substrat de GaN. La faible densité de défauts traversants de ce dernier nous a permis de pousser la tension de claquage (VBR) du transistor au-dessus des performances les plus élevées obtenues jusqu'à présent. La scalabilité de la tension de claquage Vbr et de la résistance à l’état passant Ron est une connaissance collatérale du projet, mais elle est obligatoire pour répondre à des applications de marché spécifiques. Deuxièmement, l'intégration monolithique d'un GaN-HEMT latéral (standard) avec le transistor vertical. Le dispositif latéral est le dispositif élémentaire essentiel pour la conception et la fabrication du circuit de commande intégré de manière monolithique devant être co-intégré avec le commutateur de puissance vertical sur une même puce. Cette approche avancée est nouvelle dans le domaine du GaN et constitue l'une des parties les plus importantes de ce projet.
Afin de réaliser ces deux objectifs principaux, un travail de recherche approfondi a été réalisé sur les conditions de croissance des couches épitaxiales, la simulation TCAD, le processus de fabrication du dispositif et la caractérisation du matériau et des dispositifs.

Dans ce projet, la plupart de nos objectifs ont été atteints et les livrables honorés. Il est important de noter qu'au sein de ce projet, le premier dispositif vertical à base de GaN a été réalisé en France. En effet, la fabrication de ce dispositif innovant est entièrement réalisée dans des laboratoires nationaux, depuis la fabrication du substrat jusqu'à la caractérisation du dispositif final. En continuité de ces résultats encourageants, les partenaires de CPiGaN ont lancé plusieurs projets de thèse de doctorat portant sur différents aspects du dispositif vertical en GaN, de la croissance épitaxiale à la caractérisation du dispositif final. D'autre part, deux projets ANR portant également sur le dispositif vertical en GaN ont été accordés en 2022 (ANR-ELEGANT et ANR-ASGEIR).

Les travaux de recherche commencés dans le projet C-pi-GaN seront poursuivis dans le cadres des projets ci-dessous :

Ø ANR-ASGIER-PRC-2023 project where we will develop compliant substrate to accommodate the lattice mismatch between Silicon and GaN epi-layers. Le consortium de ce projet est constitué de laboratoires suivants : CRHEA (PI), LN2, GREMAN, GREYC

Ø ANR-ELEGANT-PRC-2023 project where we will develop vertical GaN device on silicon substrate. Le consortium de ce projet est constitué de laboratoires suivants : LETI (PI), AMPERE, CRHEA, LN2

Ø Le consortium du projet CpiGaN, on démarré plusieurs projets de doctorats afin d'étudier le composant GaN vertical en termes de l epitaxie, la simulation, la fabrication et la caractérisation.

La quantité et la qualité de la production scientifique des chercheurs impliqués dans le projet CPiGaN sont l'impact le plus important de ce travail collaboratif. Malgré toutes les complications et les retards induits par les différents épisodes de COVID auxquels nous avons été confrontés pendant ce projet, le travail de recherche mené sur le développement de la technologie du transistor vertical en GaN a été très fructueux. En effet, grâce à l'implication de tous les partenaires, le projet CPiGaN a produit cinq articles publiés dans des revues internationales et plus de quatre conférences où les résultats du projet ont été présentés.

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.