Les transistors électroniques de puissance en nitrure de gallium (GaN) vont devoir prendre de la hauteur pour rejoindre l’industrie et la voiture électrique. En vérité, fabriqués à la verticale, ils ne feraient qu’une dizaine de micromètres d’épaisseur, ce qui est bien peu rapporté à une échelle humaine.
Mais c’est assez pour que ces mêmes transistors supportent une tension maximale (ou tension de claquage) de 1200 volts, capable de répondre à l’avènement des batteries de 800 volts équipant les véhicules électriques, par exemple.
C’est l’objectif du projet Vertigo, dévoilé à l’occasion du PEPR Electronique qui s’est tenu à Poitiers à la mi-mars 2023. Doté d’un budget approchant les quatre millions d’euros, Vertigo – aucun lien avec le film d’Alfred Hitchcock - a en fait débuté en octobre 2022 et devrait durer quatre ans. A sa tête : Cyril Buttay, directeur de recherche CNRS et directeur adjoint du laboratoire Ampère, ainsi que Romain Gwoziecki, chef de projet au CEA-Leti, en charge des dispositifs GaN de puissance.
A l'assaut du carbure du silicium
Ce projet promeut donc le GaN, parmi les autres matériaux en piste pour l’électronique de puissance, dont la finalité est de gérer l’énergie électrique par le changement de diverses caractéristiques du courant électrique (intensité, tension, continu/alternatif et vice versa…).
« Le marché est occupé très majoritairement par le silicium, explique Cyril Buttay, mais les composants en carbure de silicium (SiC), introduits il y a une vingtaine d’années, arrivent à maturité et se développent beaucoup dans le véhicule électrique, grâce à leur rendement supérieur qui allonge l’autonomie. »
Un critère qui pèse dans la lutte contre le réchauffement climatique. Le SiC, par ailleurs, est déjà capable d’atteindre les 1200 volts aujourd’hui demandés. Mais il a un gros défaut : son prix. « Sa fabrication est très énergivore, donc chère, enchaîne Cyril Buttay, et il est produit à partir de substrats SiC standards de 150 mm. De notre côté, nous pensons pouvoir obtenir des transistors de puissance GaN à partir de couches minces déposées sur des substrats en silicium de 200 ou 300 mm. »
Une fabrication sur silicium plus économique
Il s’agit d’abaisser le coût unitaire de ces composants GaN pour les rendre plus avantageux, économiquement parlant, ce qui ne peut que séduire l’industrie automobile. « Leurs performances, d’autre part, sont légèrement meilleures en théorie, indique Cyril Buttay, mais cette technologie est dix ans moins avancée que celle du SiC, avec des premiers composants commerciaux mis sur le marché vers 2013/2014. »
Actuellement, les transistors GaN les plus courants plafonnent à 650 volts et sont mis en oeuvre dans les chargeurs de téléphone portable ou encore les machines à laver. Mais leur géométrie latérale – source, drain et substrat étant situés dans un même plan horizontal – compromet l’amélioration de leurs performances à coût constant.
« Pour augmenter la tension ou l’intensité, il faut écarter davantage les électrodes, précise Cyril Buttaix. Les composants prennent alors plus de place, d’où une baisse de nombre de composants par substrat. »
L’idée du projet Vertigo est d’amener ces transistors de puissance GaN à 1200 volts en optant pour une géométrie verticale. « La source est au-dessus du substrat, la grille est connectée quelques microns en dessous et le drain est situé sous le substrat, détaille Cyril Buttaix. C’est l’épaisseur du substrat qui conditionne la tension, ce qui n’a pas d’impact sur le nombre de composants pouvant être fabriqués sur ce même substrat. »
IEMN A gauche, la technologie de transistor GaN sur quelques micromètres et à géométrie latérale, telle qu'elle se fait aujourd'hui. A droite, la structuration verticale visée par le projet Vertigo.Les couches plus épaisses permettent d'élever la tension.
Ce type de composant GaN à géométrie verticale a déjà été étudié dans le cadre du laboratoire d’excellence (Labex) Ganex en particulier. « Vertigo s’inscrit dans la continuité de Ganex mais nous voulons aller plus loin en travaillant sur des couches plus épaisses, d’une dizaine de micromètres, et sur la qualité du matériau, pour laquelle il y a une marge de progrès », justifie Cyril Buttaix.
Deux techniques en réflexion pour retirer le silicium
Autre axe de recherche du projet Vertigo : la suppression ultérieure de la couche de silicium, « obstacle » située dans le passage du courant électrique, et ne conserver que la partie active du transistor de puissance GaN. Dès lors, le substrat de silicium ne serait plus qu’un support de fabrication.
« Nous réfléchissons à deux pistes pour retirer le silicium localement ou complètement, confie Cyril Buttaix. La première méthode vient de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologies (IEMN) et consiste à dissoudre le silicium pour ne garder qu’une structure mécanique soutenant les transistors. La seconde approche du CEA serait de décoller la couche de transistors GaN pour la déposer ensuite sur couche de cuivre, très bon conducteur électrique. C’est le Graal ! »
Une technique de « décapage » micrométrique loin d’être utopique. « Soitec, qui ne participe pas à notre projet, l’a industrialisée avec sa technologie SmartCut pour le silicium et le SiC (notamment avec Mersen, ndlr) », souligne Cyril Buttaix. Le carbure de silicium n’a pas dit son dernier mot dans la bataille qu’il livre avec le nitrure de gallium...
