Semi-conducteur à large bande :  L’avenir de la technologie SiC et GaN

L’industrie des semi-conducteurs a fait des progrès significatifs au cours des dernières décennies, gravitant vers des tailles plus petites et une efficacité accrue. Les matériaux semi-conducteurs à large bande (WBG) tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) présentent un intérêt particulier, car ils ont permis d’améliorer considérablement les performances par rapport au silicium standard actuel.

Bien que le silicium soit un excellent semi-conducteur à usage général, ses limites face aux tensions, à la température et aux fréquences de commutation élevées sont bien documentées. Alors que le marché poursuit sa course vers plus de puissance, l’industrie s’éloigne du silicium au profit des matériaux semi-conducteurs WBG, qui conviennent aux applications d’alimentation.

Cet article met en évidence les avantages de l’utilisation des semi-conducteurs WBG SiC et GaN, passe en revue les dispositifs et solutions de pointe actuels et montre comment le SiC et le GaN peuvent être des candidats solides et viables pour les futures applications d’électronique et de systèmes d’alimentation.

Introduction

Les propriétés des matériaux à large bande permettent aux appareils de fonctionner à des températures extrêmes, des densités de puissance excessives, des tensions élevées et des fréquences plus élevées, ce qui les rend parfaits pour une utilisation dans les futurs systèmes électroniques. Le SiC et le GaN sont des matériaux semi-conducteurs considérés comme WBG en raison de la grande énergie nécessaire pour déplacer les électrons dans ces matériaux de la bande de valence à la bande de conduction. Pour le SiC, le chiffre est d’environ 3,2 eV ; pour le GaN, c’est 3,4 eV contre 1,1 eV pour le Si. La propriété physique des bandes interdites trois fois plus larges se traduit par une tension de claquage applicable plus élevée, atteignant jusqu’à 1 700 volts dans certaines applications.

Une corrélation directe existe entre la bande interdite et le champ de claquage critique (électrique) d’un semi-conducteur. Les champs de claquage du GaN et du SiC sont relativement similaires, le GaN affichant un champ de claquage de 3,3 MV/cm, tandis que le SiC a un champ de claquage de 3,5 MV/cm. Le silicium a un champ de claquage de 0,3 MV/cm, indiquant que le GaN et le SiC ont une capacité presque 10 fois supérieure pour maintenir des tensions plus élevées. Ces champs de claquage rendent les composés nettement mieux équipés pour gérer des tensions plus élevées et produire des courants de fuite plus faibles.

La mobilité électronique et la vitesse de saturation des électrons plus élevées des semi-conducteurs WBG permettent une fréquence de fonctionnement plus élevée. Le GaN présente une mobilité électronique de 1 500 cm^2/Vs par rapport aux 1 450 cm^2/Vs du silicium. Le SiC, cependant, a une mobilité électronique calme, approchant 900 cm^2/Vs, ce qui le rend moins adapté aux applications de commutation à grande vitesse. Le GaN, avec sa mobilité électronique trois fois plus rapide que le SiC, convient aux opérations à fréquence de commutation plus élevée.

La conductivité thermique du SiC (5 W/cmK) plus élevée que celle du GaN (1,3 W/cmK) ou du Si (1,5 W/cmK) implique que les dispositifs SiC ont une conductance thermique supérieure et peuvent théoriquement fonctionner à des densités de puissance plus élevées que le GaN ou le Si. Une conductivité thermique plus élevée combinée à une large bande interdite et à un champ de claquage critique élevé donne aux semi-conducteurs SiC un avantage lorsqu’une puissance élevée est une caractéristique clé souhaitable de l’appareil. La figure 1 résume les propriétés physiques et électriques des matériaux semi-conducteurs SiC et GaN.

Le SiC et le GaN servent différentes applications énergétiques. Leurs caractéristiques différentes déterminent leurs applications personnalisées. Le GaN est demandé pour les applications à basse puissance et haute fréquence, tandis que le SiC est utilisé dans les applications à haute puissance et haute tension.

Figure 1 : Caractéristiques des matériaux SiC et GaN par rapport au silicium

Avantages

Bien que les semi-conducteurs WBG coûtent plus cher que les dispositifs en silicium, ils finissent par devenir plus compétitifs avec des capacités de fabrication améliorées et des applications de marché élargies. Les propriétés physiques et électriques des semi-conducteurs SiC et GaN permettent aux dispositifs de fonctionner à des tensions, des fréquences et des températures beaucoup plus élevées que le silicium conventionnel. Hormis les améliorations de performances, les avantages des appareils WBG incluent :

• Encombrement beaucoup plus petit et léger par rapport aux appareils Si comparables.
• Diminution des besoins en refroidissement et composants passifs plus petits, contribuant à réduire les coûts globaux du système.
• Opérations plus rapides avec une fréquence de commutation plus élevée.
• Élimination des pertes de puissance qui se produisent lors de la conversion de puissance.
• Systèmes avec une consommation d’énergie et un coût de cycle de vie réduits.
• Durée de vie accrue grâce à la réduction des pertes et des contraintes thermiques.
• Des appareils plus fiables avec une efficacité plus élevée que leurs cousins à base de silicium.

Dispositifs SiC et solution :

Les dispositifs de puissance SiC sont passés d’échantillons prototypes à des produits disponibles dans le commerce. Cela est évident sur le marché qui propose désormais différents dispositifs de puissance SiC, des composants discrets aux modules d’alimentation. Il est désormais possible de trouver des diodes, des JFET, des BJT et des MOSFET en SiC. De plus, ces appareils sont disponibles à différentes tensions nominales de 600 V à 1,7 kV et à des courants nominaux de 2,6 A à 325 A et au-delà. De plus, plusieurs fabricants produisent désormais des dispositifs de puissance SiC tels que Nexperia, Genesic, Infineon, onsemi, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed et Littelfuse. En conséquence, la technologie WBG a mûri au point où elle est considérée comme un remplacement viable des pièces Si.

Les diodes SiC sont principalement des diodes Schottky (alias diodes à barrière Schottky, ou SBD). Les diodes Schottky SiC offrent des performances de commutation, une efficacité et une densité de puissance supérieures à des coûts système réduits. De plus, ces diodes offrent des récupérations inverses nulles, une faible chute de tension directe, une stabilité du courant, une capacité de surtension élevée et un coefficient de température positif. Le marché propose désormais un large portefeuille de diodes SiC avec une tension de claquage de 650 V, 1 200 V et 1 700 V, et un courant direct continu (If) de 1 A à 370 A. Les boîtiers standard sont TO-247, TO-220 et SMD.

Les FET SiC rendent possibles de nouvelles applications à puissance accrue et à tension plus élevée. En tant que substituts directs des IGBT et des MOSFET Si, les FET SiC présentent une capacité de traitement à haute température et à faible perte, une faible résistance à l’état passant sur la plage de températures et de faibles pertes de commutation. Les MOSFET SiC, avec des tensions de claquage plus élevées, un meilleur refroidissement et une meilleure endurance à la température peuvent ainsi être rendus physiquement compacts. Les IGBT (transistors bipolaires à grille isolée) sont principalement utilisés pour commuter des tensions supérieures à 600 V, mais les matériaux SiC rendent les MOSFET utilisables à 1 700 V et à des courants plus élevés. Les MOSFET SiC ont également beaucoup moins de pertes de commutation que les IGBT et fonctionnent à des fréquences relativement élevées.

Les MOSFET SiC nécessitent des pilotes de grille SiC pour fournir une tension négative à la grille dans l’état désactivé des MOSFET et fournir un courant d’impulsion de charge/décharge élevé. De plus, ils sont suffisamment rapides pour des opérations de grille de l’ordre des nanosecondes. Porter une attention particulière à la conception du pilote de grille garantit des performances optimales pendant les transitions de commutation et est essentiel pour maximiser ces avantages inhérents aux MOSFET SiC. Nouvelles conceptions dans tous les domaines de conversion de puissance, y compris les convertisseurs AC-DC et DC-DC haute puissance, utilisent de plus en plus des FET SiC.

En plus du marché des composants discrets, le consommateur peut désormais trouver une grande variété de modules d’alimentation SiC et des cartes d’évaluation/de développement pour diverses applications (telles que le pilote de moteur).

Les entreprises proposent désormais une large gamme pour une sélection facile en fonction des besoins des clients. Infineon, pour donner un exemple, révolutionne le marché avec sa gamme de produits SiC et GaN. La gamme de produits CoolSiC de l’entreprise propose des diodes, des MOSFET, des modules hybrides et des cartes d’évaluation SiC avec des caractéristiques de performance supérieures. Cette gamme CoolSiC permet des conceptions de systèmes extrêmement efficaces et compactes qui répondent aux futures demandes de production, de transmission et de consommation plus intelligentes et plus économes en énergie.

Applications

La WBG a obtenu sa première valeur marchande en 1907 avec des diodes électroluminescentes SiC commerciales rayonnant des éléments de différentes couleurs. Les matériaux semi-conducteurs SiC et GaN contemporains ont démontré des performances remarquables dans des secteurs tels que les véhicules électriques (VE)/VE hybrides, les énergies renouvelables et la 5G, avec des avantages pratiques pour satisfaire la demande des consommateurs et de l’industrie. D’autres applications où l’électronique de puissance WBG a réalisé des économies d’énergie appréciables incluent les serveurs de données, les adaptateurs secteur, les onduleurs solaires, les alimentations, les circuits de charge et le contrôle du réseau. De plus, les avantages holistiques des matériaux WBG en font des candidats idéaux pour l’électronique de puissance dans des environnements difficiles tels que les applications militaires, automobiles, aéronautiques et spatiales.

Figure 2. Positionnement technologique du Si, SiC et GaN (image cédée avec l’aimable autorisation de : Infineon)

La figure 2 montre les applications de chevauchement où le Si, le SiC et le GaN trouvent une utilisation, le choix se répercutant sur la densité, l’efficacité et le coût. Les produits à base de Si comme les MOSFET à super jonction ou les IGBT peuvent être utilisés sur une large plage de tension (de quelques volts à plusieurs centaines de volts) et dans plusieurs classes de puissance. En revanche, les produits à base de SiC trouvent leur place idéale dans les classes de tension à 650 V et au-dessus (poussant au-delà des limites du silicium et atteignant des niveaux de puissance supérieurs à 3 kV), et les dispositifs à base de GaN sont plus adaptés aux classes de tension inférieures à 650 V. Le SiC et le GaN sont tous deux progressivement meilleurs que le Si à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente. Les exigences de l’application et les objectifs de conception déterminent la technologie choisie. Les éléments semi-conducteurs Si sont une solution rentable pour la plupart des exigences actuelles en matière d’efficacité énergétique et de densité de puissance, mais dans le cas de certaines exigences de conception spécifiques telles que la densité thermique ou ultra-haute, les dispositifs SiC et GaN constituent le choix optimal.

À l’avenir, les produits WBG devraient encore s’améliorer et finalement remplacer les appareils à base de silicium. Cependant, l’adoption du SiC devrait être un peu plus rapide pour des applications spécifiques en raison de sa facilité d’utilisation et de la transition relativement facile des MOSFET à super jonction et des IGBT.