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 à l'aide de la dépôt chimique en phase vapeur organométallique (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 permis de réduire le nombre de défauts par centimètre à une plage comprise entre 100 et 1000, permettant ainsi de faire croître et d'utiliser des cristaux de GaN plus grands sous forme de plaquettes. Lorsque les scientifiques parviennent à synthétiser le GaN avec un faible degré d'erreur, le composé présente plusieurs propriétés cristallines distinctes qui lui confèrent des caractéristiques recherchées dans les applications de semi-conducteurs.

Avantage de la bande interdite du GaN par rapport au silicium

L'un des avantages les plus significatifs du nitrure de gallium par rapport au silicium est son gap de bande, qui lui confère diverses propriétés électriques le rendant adapté aux applications de puissance élevée. Le nitrure de gallium possède un gap de bande de 3,2 électronvolts (eV), tandis que le gap de bande du silicium est uniquement de 1,1 eV. Comme le gap de bande du GaN est presque trois fois supérieur à celui du silicium, il utilise considérablement plus d'énergie pour exciter un électron de valence dans la bande de conduction du semi-conducteur. Cette caractéristique limite l'utilisation du GaN dans les applications à très basse tension, mais elle permet au GaN de supporter des tensions de rupture plus élevées et une meilleure stabilité thermique à des températures plus élevées.

Champ de claquage 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 au 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 à haute tension, tels que les produits à forte puissance. Les fabricants et les ingénieurs peuvent également utiliser le GaN dans des applications de tension similaire tout en maintenant une empreinte nettement plus petite. Le silicium, en comparaison, présente une densité de puissance beaucoup plus élevée.

Mobilité des électrons : 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 rapidement 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 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 puisse être moins bien adapté 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 frais que le silicium.   Découvrez un exemple de cette différence de conductivité thermique, où EPC Corporation montre une démonstration d'une réduction de 40 % des pertes de puissance en comparant un GaN FET de 120V à 12V 12A à un MOSFET. En conséquence, le GaN FET fonctionne presque dix degrés plus frais et économise de l'énergie en fonctionnement.

Fabricabilité des semi-conducteurs en silicium et en GaN

Le principal défi technologique du nitrure de gallium est son processus de fabrication, surtout lorsqu'on le compare au processus de fabrication largement adopté et standardisé du silicium. Le nitrure de gallium, par exemple, contient un nombre massif de défauts cristallins sur une petite surface. En 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 de GaN avec moins d'un milliard de défauts/cm.   Évidemment, cette grande quantité de défauts par surface est incroyablement inefficace au regard des exigences de conception de la plupart des fabrications de semi-conducteurs. Les défauts limitaient également les substrats semi-conducteurs de GaN uniquement par leur taille physique. Bien que de nouvelles techniques de fabrication aient réduit le nombre de défauts à des niveaux plus efficaces, le coût de production de la même quantité de wafers de GaN ne peut toujours pas rivaliser avec 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 lors de la fabrication
•  Maintien d'une rentabilité économique