Trois recherches récentes proposent différentes solutions à des problèmes majeurs qui limitent l’utilisation du nitrure de gallium (GaN) dans l’électronique de puissance et les communications : la tenue aux hautes tensions, la réduction de la résistance de contact et la gestion thermique. Ces résultats proviennent d’équipes de recherche dirigées par des institutions telles que l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), le Massachusetts Institute of Technology (MIT), ainsi que les universités de Nagoya, Cornell, Georgia Tech et Penn State, en plus d’institutions de recherche chinoises.
Un transistor supportant près de 4 kilovolts
Des chercheurs de l’EPFL ont mis au point une nouvelle catégorie de transistors GaN qu’ils ont appelée intrinsic polarization superjunction (iPSJ). Selon l’équipe, le dispositif, fabriqué à partir de couches de GaN sur un substrat en silicium peu coûteux, a supporté une tension proche de 4 kilovolts avant la rupture, tout en conservant une faible résistance.
La conception repose sur l’effet de polarisation naturelle du GaN pour créer deux réseaux parallèles de charges positives et d’électrons. Le réglage de l’épaisseur des couches permet d’équilibrer les deux charges, ce qui empêche l’accumulation de charges excédentaires lorsque le transistor est désactivé et contribue à répartir uniformément la tension sur l’ensemble du dispositif. Cette approche élimine également la nécessité d’un dopage chimique. Les chercheurs comparent cette performance à celle des transistors GaN traditionnels, qui se rompent généralement autour de 600 à 650 volts.
L’équipe estime que la tenue en tension sur une large plage thermique pourrait rendre cette technologie adaptée aux systèmes de véhicules électriques et aux systèmes de puissance industriels, mais le matériau présenté ne démontre pas encore que ces dispositifs sont prêts pour la production commerciale.
Réduire la résistance des contacts p-GaN
Dans une autre voie, des chercheurs de la Nagoya University, du MIT, de la Cornell University, de la City University of Hong Kong et de la Chinese Academy of Sciences ont réduit la résistance des contacts en GaN de type p en déposant une couche ultrafine de magnésium sur la surface du p-GaN, puis en la chauffant à 600 degrés Celsius pendant cinq minutes.
Selon l’équipe, cette méthode a permis d’obtenir une résistance de contact spécifique comprise entre (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm², soit l’une des valeurs les plus faibles rapportées par les recherches pour des contacts p-GaN minces. L’utilisation d’une couche épaisse de magnésium a été évitée afin de limiter la rugosité de la surface, tandis que les échantillons minces ont montré que l’oxydation se limitait à la couche superficielle supérieure, même pour une épaisseur de 10 nanomètres.
Lors du bref traitement thermique, le magnésium se diffuse dans la région superficielle et rétrécit la zone de déplétion, ce qui favorise le passage des trous par effet tunnel et réduit la résistance. Les chercheurs affirment que le procédé est plus simple, plus rapide et moins coûteux que la croissance cristalline ascendante, et ils travaillent à son application dans les diodes électroluminescentes et les transistors de puissance pour véhicules électriques.
Le diamant comme couche de répartition de la chaleur
La troisième recherche, menée par le MIT, Georgia Tech et Penn State, a intégré des transistors GaN dans une couche ultrafine de diamant monocristallin. Cette couche agit comme un diffuseur thermique qui équilibre les températures entre le GaN et le silicium, permettant au dispositif de s’approcher de ses performances maximales sans sacrifier sa fiabilité.
Le procédé commence par la découpe de petites lamelles de GaN dans une plaquette, puis par le creusement de cavités dans le diamant à l’aide d’un laser femtoseconde. Après l’insertion d’une couche de fixation dans les cavités et la mise en place des lamelles, de la chaleur et de la pression sont appliquées, puis des couches isolantes et métalliques sont ajoutées au-dessus de la structure. L’équipe a utilisé cette technique pour fabriquer un amplificateur de puissance sans fil de 4 watts destiné aux applications 6G dans la bande FR3.
Les applications potentielles pourraient s’étendre aux radars haute puissance, aux communications spatiales, aux drones industriels et à la conversion de puissance dans les centres de données. En pratique, les résultats montrent que l’amélioration du GaN ne dépend pas uniquement du matériau du canal ; les interconnexions, la gestion thermique et le boîtier peuvent tous déterminer si les performances théoriques sont exploitables dans un système réel.