Un nouveau transistor permet d'atteindre des tensions élevées sur une puce de la taille d'un microchip
Des ingénieurs de l'EPFL ont exploité les propriétés particulières du nitrure de gallium pour mettre au point un minuscule transistor capable de supporter des tensions très élevées avec des pertes d'énergie minimales. Il s'agit là d'une condition préalable essentielle pour les applications dans les centres de données d'IA, les véhicules électriques et les installations solaires.
Dans tout appareil électronique, le flux de courant est contrôlé par des transistors. Pendant des décennies, ceux-ci étaient principalement composés de silicium. Depuis peu, les ingénieurs se tournent de plus en plus vers le nitrure de gallium (GaN). Ce matériau permet de fabriquer des appareils petits et efficaces, tels des chargeurs compacts pour smartphones. Cependant, à des tensions très élevées, les champs électriques à l’intérieur de ces transistors peuvent se concentrer à certains endroits et entraîner une défaillance prématurée. C’est pourquoi les composants en GaN actuels n’atteignent pas encore les plages de tension les plus élevées possibles avec le silicium.
Pour surmonter cette limitation, des chercheurs du Powerlab de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont mis au point un nouveau type de transistor au GaN : ce qu’on appelle l’« Intrinsic Polarization Superjunction » (iPSJ). Ce composant, de la taille d’une puce, est constitué de plusieurs couches de nitrure de gallium déposées sur un substrat en silicium peu coûteux et résiste à près de 4 kV avant de subir une rupture électrique, un record pour cette technologie. Il présente en outre une faible résistance électrique, ce qui réduit les pertes d’énergie qui, autrement, seraient dissipées sous forme de chaleur.
La combinaison d’une résistance diélectrique élevée et d’une faible résistance est déterminante pour une conversion de puissance efficace, notamment dans les centres de données d’IA et les systèmes d’énergie renouvelable. « Nous y parvenons en exploitant un effet de polarisation naturel caractéristique du GaN », explique Elison Matioli, directeur du Powerlab. « Nos travaux pourraient permettre de développer des composants électroniques de puissance haute tension robustes et efficaces, dans des dimensions nettement plus compactes. »
Exploiter techniquement un phénomène naturel
En raison de la structure cristalline du nitrure de gallium, des forces électriques internes concentrent les électrons mobiles en fines couches par lesquelles le courant circule. Dans les transistors GaN classiques, ces couches d’électrons constituent toutefois un point faible : lorsque le composant est désactivé, les électrons chargés négativement sont chassés du circuit. Il en résulte une charge positive, sans qu’une charge négative correspondante ne vienne l’équilibrer. Ce déséquilibre entraîne une concentration de la tension en un seul point du composant. Il en résulte un champ électrique intense susceptible de provoquer une rupture diélectrique.
Les travaux du Powerlab, publiés dans « Nature Electronics », montrent comment éviter ce déséquilibre de charge. Les chercheurs ont conçu les couches de GaN du transistor de manière à ce qu’une deuxième couche de charge positive se forme naturellement à côté de la couche d’électrons. Les charges positives et négatives s’équilibrent ainsi. Grâce à un ajustement précis des épaisseurs des matériaux, l’équipe veille à ce que les deux couches de charge s’équilibrent mutuellement sur l’ensemble du composant.
Lorsque le transistor est désactivé, aucune charge excédentaire ne s’accumule. La tension se répartit uniformément sur toute la longueur du transistor, au lieu de se concentrer dangereusement en un seul point. Le principe s’apparente au comportement sur de la glace fine : quand on s’allonge, on répartit son poids sur une plus grande surface.
Vers la prochaine génération d’électronique de puissance
Grâce à ce nouveau système d’équilibrage de charge, le transistor du Powerlab résiste à une tension plus de cinq fois supérieure à celle des composants de puissance GaN commerciaux, chez lesquels la rupture se produit généralement entre 600 et 650 volts.
« Notre composant peut supporter des tensions élevées sur une large plage de températures. Il est donc adapté, par exemple, aux véhicules électriques ou aux systèmes d’alimentation industrielle, où l’électronique doit fonctionner de manière fiable même sous des températures élevées et des charges électriques importantes », relève Luca Mazzone, doctorant.
Le doctorant Un Yuan Zong souligne un autre avantage majeur de cette approche : elle ne nécessite aucun dopage chimique, contrairement aux composants conventionnels qui y ont recours pour contrôler la répartition des charges. « L’équilibrage des charges dans le GaN basé sur le dopage peut être très sensible à la température. Notre conception sans dopage est déterminante pour la robustesse du composant. »
Dans un travail complémentaire, le Powerlab a montré comment plusieurs canaux de conduction parallèles permettent de répartir le courant dans les composants électroniques de puissance. Cela réduit la résistance électrique et le dégagement de chaleur. Ce principe peut être comparé à une autoroute : des voies supplémentaires répartissent le trafic et réduisent le risque d’embouteillages.
« Notre prochain objectif est de combiner ces deux approches afin de relever les deux défis majeurs de la prochaine génération d’électronique de puissance : maîtriser en toute sécurité des tensions très élevées tout en minimisant la résistance électrique et les pertes d’énergie qui en découlent », résume Elison Matioli.
Contribution de: Celia Luterbacher, EPFL
Source d'image: A. Herzog/EPFL