Silicium vs. semi-conducteurs au nitrure de gallium (GaN) : Comparaison des propriétés et applications

Le nitrure de gallium est un semi-conducteur à structure cristalline wurtzite qui est fabriqué par dépôt chimique en phase vapeur aux métaux organiques (MOCVD). Dans ce processus, le gallium et l'azote se combinent pour former le cristal. Divers mélanges pour cette synthèse existent, 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 réussi à réduire le nombre de défauts par centimètre à une fourchette comprise entre 100 et 1000, ce qui permet de faire croître et d'utiliser des cristaux de GaN plus grands sous forme de wafers. Lorsque les scientifiques parviennent à synthétiser le 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 du gap de bande du GaN par rapport au silicium

L'un des avantages les plus significatifs du nitrure de gallium par rapport au silicium est sa bande interdite, qui lui confère diverses propriétés électriques l'équipant pour des applications à hautes puissances. Le nitrure de gallium a une bande interdite de 3,2 électronvolts (eV), tandis que la bande interdite du silicium est seulement de 1,1 eV. Étant donné que la bande interdite de GaN est presque triple de celle du silicium, il utilise beaucoup plus d'énergie pour exciter un électron de valence dans la bande de conduction du semi-conducteur. Cette caractéristique limite l'utilisation de GaN dans les applications à très basse tension, mais permet à GaN d'avoir des tensions de claquage plus grandes et plus de stabilité thermique à des températures plus élevées.

Champ de claquage GaN

Le champ de claquage de 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 au nitrure de gallium dix fois plus capables de supporter des conceptions à haute tension avant de défaillir. Un champ de claquage plus élevé signifie que le nitrure de gallium est supérieur au silicium dans les circuits à haute tension comme les produits à haute puissance. Les fabricants et ingénieurs peuvent également utiliser GaN dans des applications de tension similaire tout en maintenant une empreinte nettement plus petite. Le silicium, en comparaison, a une densité de puissance beaucoup plus élevée.

Mobilité électronique du 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 dans les cristaux de nitrure de gallium peuvent se déplacer plus de 30 % plus vite que les électrons du silicium. Cette mobilité électronique donne 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

Un inconvénient du nitrure de gallium par rapport au silicium est sa conductivité thermique inférieure. 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 à une température plus basse que le silicium.   Découvrez un exemple de cette différence de conductivité thermique, où EPC Corporation montre une démonstration de réduction de perte de puissance de 40 % en comparant un GaN FET de 120V à 12V 12A versus MOSFET. En conséquence, le GaN FET fonctionne à près de dix degrés de moins et économise de l'énergie en fonctionnement.

Fabricabilité des semi-conducteurs en silicium et GaN

Le fléau technologique du nitrure de gallium est son processus de fabrication, surtout lorsqu'on le compare au processus de fabrication largement adopté et banalisé du silicium. Le nitrure de gallium, par exemple, contient un nombre considérable de défauts cristallins sur une petite surface. À titre de comparaison, le silicium peut contenir aussi peu que 100 défauts par centimètre carré. Avant ce siècle, les ingénieurs n'avaient jamais été capables de fabriquer des substrats en GaN avec moins d'un milliard de défauts/cm.
 
Évidemment, cette grande quantité de défauts/surface est incroyablement inefficace compte tenu de la plupart des exigences de conception de fabrication de semi-conducteurs. Les défauts limitaient également les substrats semi-conducteurs en GaN par leur seule taille physique. Bien que de nouvelles techniques de fabrication aient réduit le nombre de défauts à des chiffres plus efficaces, le coût de production de la même quantité de wafers GaN ne peut toujours pas se comparer 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 dans des applications de semi-conducteurs. Il existe deux principaux obstacles pour le nitrure de gallium :

•  Contrôle des défauts lors de la fabrication
•  Maintien de la rentabilité