Imec et AIXTRON présentent une épitaxie de GaN de 200 mm sur AIX G5+ C pour des applications de 1200 V avec une tension de claquage supérieure à 1800 V

Courant de fuite de tampon vertical en conduction directe, mesuré sur un GaN-on-QST® de 1200V à deux températures différentes : (à gauche) 25°C et (à droite) 150°C. Le tampon de 1200V d'Imec montre un courant de fuite vertical inférieur à 1µA/mm² à 25°C et inférieur à 10µA/mm² à 150°C jusqu'à 1200V, avec une défaillance supérieure à 1800V, aussi bien à 25°C qu'à 150°C, ce qui le rend adapté au traitement de composants de 1200V. / Courant de fuite en conduction directe vertical mesuré sur un GaN-on-QST® de 1200V à deux températures différentes : (à gauche) 25°C et (à droite) 150°C. Le tampon de 1200V d'Imec présente un courant de fuite vertical inférieur à 1µA/mm² à 25°C et inférieur à 10µA/mm² à 150°C jusqu'à 1200V avec une rupture supérieure à 1800V, à la fois à 25°C et à 150°C, ce qui le rend adapté au traitement de dispositifs de 1200V.

Imec, un centre de recherche et d'innovation de renommée mondiale dans le domaine de la nanoélectronique et des technologies numériques, et AIXTRON, le principal fournisseur d'équipements de dépôt pour les matériaux semi-conducteurs liés, ont présenté la croissance épitaxiale de couches de buffer en nitrure de gallium (GaN), qualifiées pour des applications à 1200V sur des substrats QST® de 200 mm et présentant une rupture brutale à plus de 1800V. La possibilité de fabriquer des couches de buffer qualifiées pour 1200V ouvre la voie à des applications de puissance à base de GaN avec des tensions très élevées, telles que les voitures électriques, qui étaient jusqu'à présent possibles uniquement avec une technologie à base de carbure de silicium (SiC). Ce résultat fait suite à la qualification réussie de l'installation automatique G5+ C d'AIXTRON pour la déposition chimique en phase vapeur par organométalliques (MOCVD) chez imec, en Belgique, pour l'intégration de la pile de matériaux épitaxiés optimisée.

Les matériaux à large bandegap, le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), ont prouvé leur efficacité en tant que semi-conducteurs de la prochaine génération pour des applications à forte demande en puissance, où le silicium (Si) ne suffit pas. La technologie à base de SiC est la plus mature, mais aussi la plus coûteuse. Au fil des années, d'énormes progrès ont été réalisés dans la technologie à base de GaN, notamment sur des wafers de 200 mm de Si. Chez imec, des transistors à haute mobilité d'électrons en mode enhancement (HEMT) et des diodes Schottky qualifiés pour des tensions de fonctionnement de 100V, 200V et 650V ont été démontrés, ouvrant la voie à des applications en production de masse. Cependant, atteindre des tensions de fonctionnement supérieures à 650 V a été difficile en raison de la difficulté à produire des couches de buffer en GaN suffisamment épaisses sur des wafers de 200 mm. Par conséquent, le SiC reste jusqu'à présent le semi-conducteur de choix pour des applications comprises entre 650 et 1200V, telles que les voitures électriques et les énergies renouvelables.

Pour la première fois, imec et AIXTRON ont démontré la croissance épitaxiale de couches de buffer en GaN, qualifiées pour des applications à 1200V, sur des substrats QST® de 200 mm (d'épaisseur standard SEMI) à 25°C et 150°C, avec une rupture brutale au-delà de 1800V. Denis Marcon, responsable senior du développement commercial chez imec : "Le GaN peut désormais devenir la technologie de choix pour toute une gamme de tensions de fonctionnement de 20V à 1200V. Étant donné que cette technologie peut être traitée sur des wafers plus grands dans des fonderies CMOS à haut débit, la technologie de puissance à base de GaN offre un avantage de coût significatif par rapport à la technologie à base de SiC, qui est systématiquement plus coûteuse."

La clé pour atteindre une haute tension de rupture réside dans une ingénierie soignée de la pile de matériaux épitaxiés complexe, combinée à l'utilisation de substrats QST® de 200 mm, réalisés dans le cadre du programme IIAP. Les substrats QST® de Qromis, compatibles avec la fabrication CMOS, ont un taux de dilatation thermique qui correspond étroitement à celui des couches épitaxiées de GaN/AlGaN, ce qui facilite la croissance de couches de buffer plus épaisses — permettant ainsi de fonctionner à des tensions plus élevées.

Dr Felix Grawert, PDG et président d'AIXTRON : "Le développement réussi de la technologie épitaxiale GaN-on-QST® 1200V d'imec dans le réacteur MOCVD d'AIXTRON constitue une étape supplémentaire dans notre collaboration avec imec. Après l'installation du G5+C d'AIXTRON chez imec, la technologie propriétaire de matériaux GaN-on-Si de 200 mm d'imec a été qualifiée sur notre plateforme de production à haut volume G5+ C. Elle vise, par exemple, des applications de commutation à haute tension et RF, permettant au client un démarrage rapide de la production grâce à des recettes épitaxiées pré-validées et disponibles. Avec cette nouvelle avancée, nous serons en mesure d'explorer conjointement de nouveaux marchés." Actuellement, des modules latéraux en mode E sont traités pour démontrer la performance à 1200 V, et des travaux sont en cours pour étendre cette technologie à des applications à tensions encore plus élevées. Par ailleurs, imec étudie également des composants verticaux GaN-on-QST® de 8 pouces pour élargir davantage la plage de tensions et de courants de la technologie à base de GaN.