Le silicium est à la base de la technologie des semi-conducteurs depuis près de 60 ans. Cependant, en plus d'un demi-siècle, les ingénieurs et les fabricants ont fait d'énormes progrès dans la fabrication du silicium, la conception de circuits intégrés et les applications des semi-conducteurs. La loi de Moore montre que les chercheurs sont proches d’atteindre la limite théorique des semi-conducteurs à base de silicium.
Bien que le substrat semi-conducteur en silicium soit parfait pour certaines applications électroniques, les chercheurs et les fabricants de semi-conducteurs recherchent depuis longtemps des alternatives plus robustes au silicium pour des applications spécifiques. Ces scientifiques ont connu des degrés de succès variables au cours des dernières décennies, mais une alternative sérieuse au silicium a émergé : les semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN).
Structure semi-conductrice en nitrure de gallium
Le nitrure de gallium est un semi-conducteur à structure cristalline de wurtzite fabriqué à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur métallo-organique (MOCVD). Dans ce processus, le gallium et l’azote se combinent pour former le cristal. Il existe différents mélanges pour cette synthèse, mais un exemple de synthèse de GaN utilise l'ammoniac (NH3) comme source d'azote et une source de gallium telle que le triméthylgallium.
La structure cristalline du GaN présente certains problèmes d'uniformité, atteignant parfois des millions de défauts par centimètre. Cependant, les techniques MOCVD les plus modernes ont pu réduire le nombre de défauts par centimètre entre 100 et 1 000, ce qui a permis de développer et d'utiliser des plus gros cristaux de GaN comme plaquettes. Lorsque les scientifiques sont capables de synthétiser du GaN avec un faible degré d’erreur, le composé possède plusieurs propriétés cristallines distinctes qui lui confèrent des caractéristiques souhaitables dans les applications de semi-conducteurs.
Avantage de bande interdite du GaN par rapport au silicium
L’un des avantages les plus importants du nitrure de gallium par rapport au silicium est sa bande interdite, qui lui confère diverses propriétés électriques qui l’équipent pour des applications de plus haute puissance. Le nitrure de gallium a une bande interdite de 3,2 électronvolts (eV), tandis que la bande interdite du silicium n'est que de 1,1 eV. Étant donné que la bande interdite du GaN est presque le triple de celle du silicium, il utilise beaucoup plus d'énergie pour exciter un électron de valence dans la bande conductrice du semi-conducteur. Cette caractéristique limite l'utilisation du GaN dans les applications à très basse tension, mais elle permet au GaN des tensions de claquage plus élevées et une plus grande stabilité thermique à des températures plus élevées.
Champ de claquage du GaN
Le champ de claquage du GaN est de 3,3 MV/cm, tandis que le silicium a un champ de claquage de 0,3 MV/cm. Cela rend les semi-conducteurs en nitrure de gallium dix fois plus capables de supporter des conceptions à haute tension avant de tomber en panne. Un champ de claquage plus élevé signifie que le nitrure de gallium est supérieur au silicium dans les circuits haute tension tels que les produits haute puissance. Les fabricants et les ingénieurs peuvent également utiliser le GaN dans des applications de tension similaires tout en conservant une empreinte nettement plus petite. Le silicium, en comparaison, a une densité de puissance considérablement plus élevée.
Mobilité électronique : nitrure de gallium vs silicium
le silicium a une mobilité électronique de 1500 cm2/Vs, tandis que le nitrure de gallium a une mobilité électronique de 2000 cm2/Vs. Par conséquent, les électrons des cristaux de nitrure de gallium peuvent se déplacer plus de 30 % plus vite que les électrons du silicium. Cette mobilité électronique confère au nitrure de gallium un avantage distinct pour une utilisation dans les composants RF, car il peut gérer des fréquences de commutation plus élevées que le silicium.
Comparaison de la conductivité thermique
L’un des inconvénients du nitrure de gallium par rapport au silicium est sa conductivité thermique plus faible. Le nitrure de gallium a une conductivité thermique de 1,3 W/cmK, tandis que le silicium a une conductivité thermique de seulement 1,5 W/cmK. Bien que le nitrure de gallium ne soit peut-être pas aussi bien équipé pour gérer des charges thermiques élevées, l'efficacité du GaN à des tensions comparables réduit les charges thermiques créées par le circuit, ce qui signifie qu'il fonctionnera plus froid que le silicium.
Découvrez un exemple de cette différence de conductivité thermique, où EPC Corporation démontre une réduction de perte de puissance de 40 % en comparant un FET GaN de 120 V à 12 V 12 A par rapport à un MOSFET. À son tour, le GaN FET fonctionne à une température près de dix degrés plus froide et économise de l'énergie pendant son fonctionnement.
Fabricabilité des semi-conducteurs en silicium et en GaN
Le fléau technologique du nitrure de gallium est son processus de fabrication, en particulier lorsqu'on le compare au processus de fabrication largement adopté et banalisé du silicium. Le nitrure de gallium, par exemple, contient un nombre massif de défauts cristallins sur une petite zone. En comparaison, le silicium peut contenir jusqu'à 100 défauts par centimètre carré. Avant ce siècle, les ingénieurs n’avaient jamais été capables de fabriquer des substrats GaN avec moins d’un milliard de défauts/cm.
De toute évidence, cette grande quantité de défauts/surface est incroyablement inefficace compte tenu des exigences de conception de la plupart des fabricants de semi-conducteurs. Les défauts limitaient également les substrats semi-conducteurs GaN par leur seule taille physique. Bien que les nouvelles techniques de fabrication aient réduit le nombre de défauts à des niveaux plus efficaces, le coût de production de la même quantité de plaquettes de GaN n'est toujours pas comparable à celui du silicium.
Le nitrure de gallium est-il meilleur que le silicium ?
Le GaN présente des avantages distincts par rapport au silicium lorsqu'il est utilisé pour des applications de semi-conducteurs. Il existe deux principaux obstacles pour le nitrure de gallium :
- Contrôle des défauts dans la fabrication
- Maintenir la rentabilité
Le nitrure de gallium est plus efficace, plus stable thermiquement et certainement plus apte à être utilisé dans des dispositifs d'alimentation qui nécessitent une charge plus importante ou des fréquences plus élevées à des températures plus élevées. Le matériau GaN est un matériau d'avenir pour le monde des semi-conducteurs et conduira à des produits haute fréquence de petite taille plus facilement disponibles. Découvrez une variété de produits d'alimentation, notamment les MOSFET GaN.