Le nitrure de gallium (GaN) est devenu l'un des matériaux semi-conducteurs les plus importants pour l'électronique de puissance de nouvelle génération. Sa large bande interdite, sa haute mobilité des électrons et sa forte tolérance aux champs électriques permettent une fréquence de commutation et une densité de puissance plus élevées que les dispositifs en silicium conventionnels. Cependant, les dispositifs de puissance en GaN sont presque toujours réalisés par hétéroépitaxie, ce qui signifie que le GaN est cultivé sur un substrat étranger plutôt que d'être utilisé sous forme massive.

Cela fait du choix du substrat une décision de conception fondamentale plutôt qu'un choix de processus secondaire. Parmi toutes les options disponibles, le silicium (Si) et le carbure de silicium (SiC) dominent aujourd'hui les dispositifs de puissance en GaN industriels. Bien que les deux prennent en charge les transistors GaN haute performance, ils conduisent à des comportements de dispositifs, des contraintes de système et des limites d'application fondamentalement différents.

Pourquoi le substrat est plus important qu'il n'y paraît

Dans un transistor de puissance en GaN, le substrat fait bien plus que fournir un support mécanique. Il influence la qualité des cristaux, la dissipation thermique, l'évolution des contraintes et la fiabilité à long terme. Parce que le GaN et le substrat se dilatent, conduisent la chaleur et se lient différemment, le substrat définit effectivement les limites physiques dans lesquelles le dispositif en GaN doit fonctionner.

Trois désadaptations de matériaux définissent cette relation : la désadaptation du réseau cristallin, la désadaptation de la dilatation thermique et la désadaptation de la conductivité thermique. Le silicium présente une forte désadaptation dans les trois catégories, tandis que le SiC est beaucoup plus proche du GaN en termes de propriétés intrinsèques. Cette différence explique pourquoi le GaN-sur-Si nécessite une ingénierie approfondie de la couche tampon, alors que GaN-sur-SiC peut s'appuyer davantage sur la compatibilité des matériaux.

Comparaison au niveau des matériaux des substrats Si et SiC

Les propriétés intrinsèques des deux substrats suggèrent déjà leurs différents rôles dans les dispositifs de puissance en GaN.

Les plaquettes de silicium plus grandes permettent de réduire les coûts et d'augmenter le débit de fabrication, tandis que la compatibilité thermique et mécanique supérieure du SiC réduit les contraintes et améliore l'élimination de la chaleur au niveau du dispositif.

Implications électriques et thermiques au niveau du dispositif

D'un point de vue électrique, le GaN-sur-Si et le GaN-sur-SiC peuvent atteindre des vitesses de commutation élevées et une faible résistance à l'état passant. Les principales différences apparaissent lorsque la tension nominale et la contrainte thermique augmentent.

Les dispositifs GaN-sur-Si sont généralement optimisés pour la classe 600–650 V, ce qui correspond bien à l'électronique grand public et aux alimentations de serveurs. Les dispositifs GaN-sur-SiC peuvent s'étendre confortablement à des plages de tension plus élevées tout en maintenant des performances stables à des températures élevées.

Ces différences ne se traduisent pas nécessairement par des écarts de performance immédiats, mais elles définissent la manière dont un dispositif peut être sollicité avant que la fiabilité ne devienne une préoccupation.

Perspective d'application : où chaque substrat excelle

Au niveau de l'application, le choix du substrat devient plus clair lorsque les contraintes du système sont prises en compte.

Pour les chargeurs rapides grand public, les adaptateurs pour ordinateurs portables et les alimentations de serveurs, le coût, la taille et l'efficacité dominent les objectifs de conception. Les tensions de fonctionnement se situent bien dans la zone de confort du GaN-sur-Si, et les défis thermiques peuvent être gérés grâce à l'emballage et au refroidissement au niveau du système. Dans ce domaine, le GaN-sur-Si offre le meilleur équilibre entre performance et coût.

En revanche, les convertisseurs CC-CC 48 V haute densité, l'électronique automobile et les systèmes d'alimentation industriels mettent beaucoup plus l'accent sur la marge thermique et la stabilité à long terme. Ici, la capacité supérieure de diffusion de la chaleur du SiC permet aux dispositifs GaN-sur-SiC de maintenir leurs performances sous une charge élevée continue sans déclassement agressif.

À des niveaux de tension et de puissance encore plus élevés, tels que les onduleurs d'énergie renouvelable ou les disjoncteurs statiques, le GaN-sur-SiC devient le choix pratique. La combinaison d'une marge de tension plus élevée et d'une robustesse thermique l'emporte sur le coût plus élevé de la plaquette.

Le coût est une variable du système, pas un prix de la plaquette

Il est tentant de conclure que le GaN-sur-Si est l'option la moins chère et que le GaN-sur-SiC est la plus chère. En réalité, le coût doit être évalué au niveau du système. Un coût de dispositif inférieur sur silicium peut nécessiter des conditions de fonctionnement plus conservatrices, des dissipateurs thermiques plus grands ou des marges de déclassement plus serrées. Les solutions à base de SiC réduisent souvent la complexité du refroidissement et prolongent la durée de vie opérationnelle.

À mesure que la densité de puissance et les exigences de fiabilité augmentent, le coût total de possession du GaN-sur-SiC peut devenir compétitif, voire inférieur.

Conclusion : le choix du substrat est une philosophie de conception

Choisir entre le GaN-sur-Si et le GaN-sur-SiC ne consiste pas à sélectionner un meilleur matériau de manière isolée. Il s'agit de décider où les limitations physiques doivent être absorbées—par l'ingénierie des dispositifs ou par la conception du système.

Le GaN-sur-Si met l'accent sur l'évolutivité et l'efficacité économique. Le GaN-sur-SiC met l'accent sur la stabilité thermique et la marge de performance. Comprendre cette distinction est essentiel pour prendre des décisions rationnelles et axées sur l'application dans l'électronique de puissance en GaN.