L'Institut Fraunhofer développe des composants semi-conducteurs efficaces à base de nitrure de gallium pour les technologies clés de transition énergétique, dans le but d'améliorer les performances et de réduire les coûts dans l'électronique de puissance. Ces progrès soutiennent des domaines cruciaux tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables, propulsant une transition vers une société neutre pour le climat. Crédit : Fraunhofer IAF
Les scientifiques ont développé des semi-conducteurs GaN pour accroître l’efficacité et réduire les coûts des véhicules électriques et des énergies renouvelables, contribuant ainsi à la transition énergétique.
Les technologies clés cruciales pour la transition énergétique, notamment les véhicules électriques, les convertisseurs d’infrastructure de recharge, les systèmes de stockage d’énergie, ainsi que les centrales solaires et éoliennes, dépendent fortement de composants électroniques qui offrent à la fois des performances et une efficacité élevées. Large bande interdite semi-conducteurs sont essentiels dans le développement de ces composants car ils fonctionnent avec des pertes moindres, supportent des tensions plus élevées et tolèrent des températures plus élevées que les semi-conducteurs traditionnels à base de silicium (Si).
L'Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide (IAF) utilise le nitrure de gallium semi-conducteur de puissance (GaN) pour développer des transistors innovants et des circuits de puissance intégrés (CI de puissance GaN) à hautes performances et à haute densité d'intégration pour les applications d'électronique de puissance.
« La transition énergétique est non seulement nécessaire pour maintenir notre qualité de vie, mais elle constitue également une opportunité de garantir la puissance économique de l'Europe grâce aux technologies d'avenir dans les domaines de la mobilité et de l'industrie énergétique. Des composants semi-conducteurs efficaces, puissants et rentables sont les éléments clés de cette transformation », explique le Dr Richard Reiner, scientifique au sein de la division Power Electronics du Fraunhofer IAF.
Les chercheurs de l'institut travaillent actuellement à la réalisation de technologies HEMT basées sur GaN avec des tensions de blocage allant jusqu'à 1 200 V et supérieures, qui peuvent être utilisées pour de nombreux CO2 des mesures de réduction dans le cadre de la transition énergétique, comme la recharge bidirectionnelle des véhicules électriques. Les HEMT GaN sont destinés à fournir une alternative aux transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) déjà disponibles en carbure de silicium (SiC), qui sont très coûteux et ne conviennent donc pas à une utilisation généralisée. Fraunhofer IAF poursuit plusieurs approches à cet effet : le traitement des GaN HEMT sur des substrats Si (GaN-on-Si HEMT), l'utilisation de substrats porteurs hautement isolants tels que le saphir, le SiC ou encore le GaN (GaN-on-insulator HEMT). et le développement de technologies GaN verticales.
HEMT GaN-sur-Si, HEMT GaN-sur-isolant et HEMT GaN verticaux pour les applications haute tension
Toutes les approches permettent d’obtenir des composants GaN haute tension hautes performances, efficaces et rentables avec un grand potentiel d’application dans les domaines technologiques clés de la transition énergétique. Les HEMT latéraux GaN-sur-Si sont déjà disponibles dans le commerce, mais sont limités à une tension de blocage de 650 V en raison des épaisseurs limitées des couches de GaN. En optimisant continuellement le matériau et son traitement (épitaxie, traitement, structuration), les chercheurs du Fraunhofer IAF ont pu démontrer des HEMT GaN-sur-Si avec des tensions de blocage statiques supérieures à 1 200 V. De plus, les composants de puissance ont été commutés jusqu'à 1 100 V. V dans un support de mesure orienté application (mesures à double impulsion).
Dans la deuxième approche, les chercheurs remplacent le Si conducteur par des substrats porteurs hautement isolants tels que le saphir, le SiC ou le GaN, ce qui élimine pratiquement la limite de tension. Les HEMT latéraux GaN sur saphir peuvent être fabriqués de manière rentable sur la base de travaux préliminaires pertinents pour les applications de diodes électroluminescentes et peuvent être produits dans les lignes de production existantes.
Les technologies GaN verticales, dans lesquelles le flux de courant traverse verticalement les couches de matériaux, permettent des performances encore plus élevées avec en même temps une efficacité et une capacité d'intégration plus élevées. Au cours de la prochaine décennie, les chercheurs du Fraunhofer IAF souhaitent fabriquer des circuits intégrés de puissance GaN verticaux adaptés à un usage industriel. L’objectif est également de contribuer à façonner le prochain saut technologique dans la transformation vers une société neutre pour le climat.
Réunion : PCIM Europe 2024
Le Dr Richard Reiner donnera un aperçu du développement des circuits intégrés de puissance GaN latéraux et verticaux dans sa présentation « Latéraux et verticaux GaN Power ICs : Status and Future », qu'il donnera le 12 juin à 10h50 au PCIM Europe le 12 juin à 10h50. la scène technologique dans le hall 7.
Le Dr Richard Reiner donnera également un aperçu des différentes technologies GaN latérales de 1 200 V dans sa présentation « More than 1200 V Breakdown and Low Area-Specific On-State Resistances by Progress in Lateral GaN-on-Si and GaN-on-Insulator ». Technologies », qui aura lieu le 12 juin à 14h50 sur Stage Bruxelles 2 dans la session « Device Concepts ».
Juin-Prof. Le Dr Stefan Mönch représentera également Fraunhofer IAF au PCIM Europe avec une présentation le 11 juin à 14h50 sur la scène Bruxelles 1 dans la session « GaN Converters » : « Over 99.7 % Efficient GaN-Based 6-Level Capacitive-Load Power Converter .»
