nitrure de galliumtransistors etcarbure de siliciumLe MOSFET est un semi-conducteur de puissance émergent depuis deux ou trois ans. Comparé aux semi-conducteurs de puissance en silicium traditionnels, il présente de nombreuses caractéristiques avantageuses : tension de tenue élevée, faible résistance à l'état passant, faibles paramètres parasites, etc. Il possède également des caractéristiques uniques : les paramètres parasites extrêmement faibles et la vitesse de commutation extrêmement rapide des transistors au nitrure de gallium les rendent particulièrement adaptés aux applications haute fréquence. La facilité de pilotage et la grande fiabilité du MOSFET en carbure de silicium le rendent idéal pour les alimentations à découpage hautes performances.

Cet article est basé sur les transistors au nitrure de gallium et les MOSFET au carbure de silicium d'Infineon, et fournit une introduction détaillée à leurs structures, caractéristiques et différences d'application entre les deux.      
Considérés comme les jumeaux incontournables de la troisième génération de semi-conducteurs de puissance, les transistors au nitrure de gallium (GaN) et les MOSFET au carbure de silicium (SiC) suscitent un intérêt croissant dans l'industrie, et notamment auprès des ingénieurs électriciens. Cet intérêt s'explique par les nombreux avantages que présentent leurs matériaux par rapport au silicium traditionnel, comme illustré sur la figure 1. La largeur de bande interdite plus importante et la rigidité diélectrique plus élevée du GaN et du SiC confèrent aux semi-conducteurs de puissance basés sur ces matériaux d'excellentes caractéristiques : tension de tenue élevée, faible résistance à l'état passant et faibles paramètres parasites. Utilisés dans les alimentations à découpage, ils offrent de faibles pertes, une fréquence de fonctionnement élevée et une grande fiabilité, ce qui permet d'améliorer considérablement l'efficacité, la densité de puissance et la fiabilité de ces alimentations.      
          Figure 1 : Comparaison des principales propriétés du silicium, du carbure de silicium et du nitrure de gallium
Grâce à leurs excellentes caractéristiques, les transistors au nitrure de gallium et les MOSFET au carbure de silicium sont de plus en plus utilisés dans l'industrie et leur utilisation à grande échelle est appelée à se développer. La figure 2 présente les domaines d'application et les prévisions de ventes de ces deux semi-conducteurs de puissance, selon les données d'IHS Markit. L'expansion de leurs applications devrait entraîner une augmentation significative de leurs ventes. La figure 3 illustre les prévisions de ventes de ces deux semi-conducteurs de puissance, également fournies par IHS Markit.      
      Figure 2 : Domaines d'application et prévisions de ventes des transistors au nitrure de gallium et des MOSFET au carbure de silicium
      Figure 3 : Prévisions des ventes de transistors au nitrure de gallium et de MOSFET au carbure de silicium
Le chapitre 2 de cet article présente en détail la structure et les caractéristiques des transistors au nitrure de gallium. Le chapitre 3 décrit en détail la structure et les caractéristiques des MOSFET au carbure de silicium. Le chapitre 4 propose une analyse comparative de l'utilisation de ces deux semi-conducteurs de puissance dans un même circuit, afin de mieux mettre en évidence les similitudes et les différences de leurs applications. Enfin, un résumé complet est présenté.      
             Structure et caractéristiques du transistor au nitrure de gallium          

Structure d'un transistor au nitrure de gallium

Contrairement aux semi-conducteurs de puissance en silicium, les transistors en nitrure de gallium conduisent l'électricité à travers un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) formé par l'effet piézoélectrique de deux matériaux avec des bandes interdites différentes (généralement AlGaN et GaN) à l'interface, comme illustré sur la figure 4. Étant donné que le gaz d'électrons bidimensionnel ne conduit l'électricité qu'avec une concentration élevée d'électrons, il n'y a pas de problème de recombinaison des porteurs minoritaires (c'est-à-dire de récupération inverse de la diode de corps) du MOSFET en silicium.      
      Figure 4 : Schéma du principe de conduction du nitrure de gallium
La structure du transistor au nitrure de gallium de base illustrée à la figure 4 est celle d'un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) à déplétion. Cela signifie que lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre la grille et la source (VGS = 0 V), le drain du transistor au nitrure de gallium et le composant sont conducteurs ; il s'agit donc d'un transistor normalement conducteur. Ceci diffère totalement des transistors de puissance MOSFET ou IGBT classiques, normalement fermés, dont l'utilisation est très difficile pour les applications industrielles, notamment dans le domaine des alimentations à découpage. Pour pallier ce problème, l'industrie a généralement recours à deux solutions : l'utilisation d'une structure cascode et l'ajout d'une couche de nitrure de gallium de type P sur la grille pour former un transistor à enrichissement (normalement fermé). Ces deux structures sont illustrées à la figure 5.      
      Figure 5 : Deux structures de transistors au nitrure de gallium
Dans cette structure en cascade, le nitrure de gallium est un nitrure de gallium à déplétion, couplé à un MOSFET en silicium basse tension. L'avantage de cette structure réside dans le fait que son comportement de commande est identique à celui d'un MOSFET en silicium traditionnel (puisqu'il pilote un MOSFET en silicium). Cependant, cette structure présente également des inconvénients majeurs. Premièrement, le MOSFET en silicium possède une diode de corps. Lorsque le nitrure de gallium conduit un courant en sens inverse, un problème de récupération inverse de la diode de corps apparaît. Deuxièmement, le drain du MOSFET en silicium est connecté à la source du nitrure de gallium à déplétion. Lors de la commutation du MOSFET en silicium, l'oscillation entre le drain et la source se répercute sur l'oscillation entre la source et la grille du nitrure de gallium. Cette oscillation étant inévitable, il existe un risque d'activation ou de désactivation intempestive du transistor au nitrure de gallium. Enfin, la mise en cascade de deux dispositifs de puissance limite la possibilité de réduire davantage la résistance à l'état passant de l'ensemble du dispositif au nitrure de gallium.      
En raison des problèmes mentionnés ci-dessus concernant la structure en cascade, la technologie dominante pour les transistors au nitrure de gallium dans l'industrie des semi-conducteurs de puissance est celle des transistors au nitrure de gallium à enrichissement. Le transistor au nitrure de gallium CoolGaN d'Infineon Technologies Co., Ltd., dont la structure détaillée est illustrée à la figure 6, en est un exemple.      
      Figure 6 : Schéma de la structure CoolGaN
Comme illustré sur la figure 6, les transistors au nitrure de gallium (GaN) actuellement disponibles sur le marché présentent une structure planaire : la source, la grille et le drain sont coplanaires. Cette structure diffère de la structure verticale des MOSFET en silicium, représentée par la technologie Super Junction. La structure p-GaN située sous la grille constitue le transistor au GaN à enrichissement décrit précédemment. Une autre structure p-GaN, adjacente au drain, permet de résoudre le problème d'effondrement du courant, fréquent dans les transistors au GaN. Le substrat des produits CoolGaN d'Infineon Technologies Co., Ltd. est en silicium, ce qui réduit considérablement le coût des matériaux. Les coefficients de dilatation thermique du silicium et du GaN étant très différents, de nombreuses couches de transition sont interposées entre le substrat et le GaN afin de garantir la résistance du transistor aux défaillances telles que le délaminage de la plaquette, même en conditions de fonctionnement extrêmes (cycles de température élevés et bas, chocs thermiques).      
       

Caractéristiques des transistors au nitrure de gallium

D’après la structure illustrée à la figure 6, CoolGaN possède les caractéristiques indiquées dans le tableau 1 et les avantages qu’il apporte.      
      Tableau 1 : Caractéristiques du CoolGaN et ses avantages
D'après les caractéristiques présentées dans le tableau 1, on constate que les transistors au nitrure de gallium, bien que dépourvus de diode de corps, peuvent conduire un courant inverse. Ils sont donc parfaitement adaptés aux circuits nécessitant un courant inverse pour la commutation de puissance et une commutation rapide, comme le correcteur de facteur de puissance (PFC) sans pont de type totem-pole en mode de conduction continue (CCM), permettant d'atteindre une fiabilité et un rendement extrêmement élevés. Le schéma topologique du circuit est illustré à la figure 7. Sur cette figure, Q1 et Q2 sont des transistors au nitrure de gallium, et Q3 et Q4 sont des MOSFET en silicium.      
      Figure 7 : Schéma de principe d'une topologie de PFC en totem utilisant des transistors au nitrure de gallium
Le tableau 1 montre que le nitrure de gallium présente une vitesse de commutation extrêmement rapide et de faibles pertes de pilotage, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications haute fréquence. Les alimentations à découpage haute fréquence utilisant des transistors au nitrure de gallium offrent l'avantage d'une densité de puissance et d'un rendement élevés. La figure 8 illustre un convertisseur CC-CC de 3.6 kW à topologie LLC. La fréquence de résonance du LLC est de 350 kHz. La densité de puissance du convertisseur atteint 160 W/in³ et son rendement maximal dépasse 98 %.      
      Figure 8 : Circuit de conversion LLC de 3.6 kW utilisant CoolGaN
L'analyse ci-dessus montre que les transistors au nitrure de gallium conviennent aux applications exigeant un rendement élevé, une fréquence élevée et une densité de puissance élevée.      
             Structure et caractéristiques d'un MOSFET en carbure de silicium          

Structure d'un MOSFET en carbure de silicium

La structure d'un MOSFET planaire classique en carbure de silicium est illustrée à la figure 9. Afin de réduire la résistance du canal, cette structure est généralement conçue avec une couche d'oxyde de grille très mince, ce qui engendre des risques de défaillance de cette couche à des tensions d'entrée de grille élevées. Pour pallier ce problème, le MOSFET en carbure de silicium CoolSiC utilise une structure de grille différente, appelée MOSFET en carbure de silicium à tranchée. Sa structure de grille est illustrée à la figure 10. Grâce à cette structure, la résistance du canal du MOSFET en carbure de silicium est moins dépendante de la couche d'oxyde de grille, ce qui permet de maintenir une résistance à l'état passant extrêmement faible tout en garantissant une fiabilité et une faisabilité élevées de la grille.      
      Figure 9 : Schéma structurel d'un MOSFET planaire en carbure de silicium
      Figure 10 : Structure de grille de tranchée CoolSiC
       

Caractéristiques des MOSFET en carbure de silicium

À l'instar des transistors au nitrure de gallium, les MOSFET en carbure de silicium présentent une faible résistance à l'état passant et de faibles paramètres parasites. De plus, les caractéristiques de leur diode de substrat sont nettement supérieures à celles des MOSFET en silicium. La figure 11 compare les deux principaux indicateurs RDS(on)*Qrr et RDS(on)*Qoss des MOSFET CoolSiC 650 V d'Infineon et du CoolMOS CFD7, ce dernier étant le MOSFET de puissance en silicium offrant les meilleures performances de diode de substrat du marché. Le premier indicateur mesure les caractéristiques de récupération inverse de la diode de substrat, tandis que le second mesure la charge stockée sur le condensateur de sortie du MOSFET. Plus les valeurs de ces deux indicateurs sont faibles, meilleures sont les caractéristiques de récupération inverse et plus faible est la charge stockée (dans une topologie à commutation douce, la zone morte requise pour les transistors de puissance supérieur et inférieur de la structure en demi-pont est réduite). On constate que, comparée aux MOSFET en silicium présentant une résistance à l'état passant similaire, la charge de récupération inverse du MOSFET en carbure de silicium n'est que d'environ 1/6 et la charge sur le condensateur de sortie d'environ 1/5. Par conséquent, le MOSFET en carbure de silicium est particulièrement adapté aux topologies où la diode de corps est bloquée brutalement (comme le PFC sans pont totem pole en mode courant continu) et aux topologies à commutation douce (LLC, pont complet à déphasage, etc.).      
Les MOSFET en carbure de silicium présentent également une caractéristique remarquable : leur tenue aux courts-circuits. Comparée à celle des MOSFET en silicium, leur durée de vie en court-circuit est considérablement améliorée, un atout essentiel pour les applications de commande de moteurs, notamment les onduleurs. La figure 12 compare les performances en court-circuit des transistors CoolSiC et CoolMOS. On constate que le CoolSiC offre d’excellentes caractéristiques, telles qu’une longue durée de vie en court-circuit et un faible courant de court-circuit, ce qui améliore significativement sa fiabilité en cas de court-circuit.      
      Figure 11 : Comparaison des performances des MOSFET en carbure de silicium et des MOSFET en silicium
      Figure 12 : Comparaison des capacités de court-circuit des MOSFET en carbure de silicium
Le chapitre 3 présente les structures et caractéristiques respectives des transistors au nitrure de gallium et des MOSFET au carbure de silicium. La section suivante compare leurs paramètres et leurs circuits.      
             Comparaison des MOSFET en nitrure de gallium et en carbure de silicium          

comparaison des paramètres électriques

Le tableau 2 présente le transistor au nitrure de gallium CoolGaN et le MOSFET au carbure de silicium CoolSiC, en comparant les paramètres clés des deux semi-conducteurs de puissance.      
      Tableau 2 : Comparaison des paramètres clés des MOSFET CoolGaN et CoolSiC en carbure de silicium
Le tableau 2 montre que les paramètres dynamiques des transistors au nitrure de gallium sont inférieurs à ceux des MOSFET au carbure de silicium. Par conséquent, les pertes de commutation des transistors au nitrure de gallium sont moindres que celles des MOSFET au carbure de silicium, et leurs avantages sont d'autant plus marqués aux hautes fréquences de fonctionnement. Lorsque le courant circule en sens inverse (de la source au drain), la chute de tension du transistor au nitrure de gallium est liée à sa tension de commande grille-source. Le choix de la tension la plus élevée ou la plus basse dépend de l'application. La tension de seuil Vgs(th) étant très faible pour le transistor au nitrure de gallium, il est essentiel de porter une attention particulière à la conception de sa commande. Un bruit important sur la grille peut en effet provoquer l'amorçage intempestif du transistor. Par ailleurs, la technologie CoolGaN utilise un mode de commande par courant, contrairement aux commandes par tension traditionnelles. La tension de seuil d'un MOSFET en carbure de silicium est beaucoup plus élevée, et ses exigences de pilotage sont très proches de celles d'un IGBT.      
La figure 13 compare un autre paramètre important : la variation de la résistance à l'état passant RDS(on) en fonction de la température. Il est bien connu que la résistance à l'état passant des transistors de puissance à semi-conducteurs présente un coefficient de température positif ; autrement dit, plus la température de jonction est élevée, plus la résistance à l'état passant est importante. La figure 13 montre que le coefficient d'élévation de température du MOSFET en carbure de silicium est nettement inférieur à celui du transistor en nitrure de silicium et du MOSFET en silicium. À 100 °C, cet écart atteint respectivement 30 % et 50 %. Selon la figure 13, on constate qu'en supposant que la résistance à l'état passant du MOSFET en carbure de silicium et du transistor en nitrure de gallium soit identique à une température de jonction de 25 °C, dans le même circuit d'application, cela signifie que les pertes par conduction des deux (I_Drms^2*R_(DS(on))) sont les mêmes. Cependant, lorsque la température de jonction des deux atteint 100 °C, les pertes par conduction du MOSFET en carbure de silicium ne représentent que 70 % de celles du transistor en nitrure de silicium, ce qui est très intéressant pour les applications soumises à des exigences environnementales difficiles et nécessitant un rendement élevé à haute température.      
      Figure 13 : Courbes de résistance à l'état passant des MOSFET en carbure de silicium, des transistors en nitrure de gallium et des MOSFET en silicium en fonction de la température de jonction
       

Comparaison des applications

Tout d'abord, l'impact des transistors en nitrure de gallium et des MOSFET en carbure de silicium sur l'efficacité de conversion a été testé sur le circuit PFC sans pont totem-pole en mode continu de courant (CCM) illustré à la figure 7. Les conditions de test sont présentées dans le tableau 3.      
      Tableau 3 : Conditions de test du circuit PFC
Lors du test, deux dispositifs de résistance à l'état passant (RDS(on)) ont été testés pour chaque interrupteur de puissance. Pour le transistor au nitrure de gallium, les valeurs étaient respectivement de 35 mΩ et 45 mΩ, et pour le MOSFET au carbure de silicium, de 65 mΩ et 80 mΩ. Les résultats des tests sont présentés sur la figure 14. Les pertes par commutation étant supérieures aux pertes par conduction à faible charge, le rendement des transistors au nitrure de gallium est nettement supérieur à celui des transistors au carbure de silicium. Lorsque la charge augmente progressivement, les pertes par conduction représentent une part plus importante des pertes totales que les pertes par commutation. Parallèlement, l'élévation de température de l'interrupteur de puissance augmente avec la charge. L'évolution de la résistance à l'état passant en fonction de la température de jonction (figure 13) montre que la résistance à l'état passant du transistor au carbure de silicium augmente moins avec la température. Par conséquent, la différence d'efficacité entre les deux commutateurs de puissance à haute température est très faible, bien que la résistance à l'état passant du transistor en carbure de silicium à 25 °C soit supérieure à celle du transistor en nitrure de gallium.      
      Figure 14 : Courbe d'efficacité du transistor MOSFET en carbure de silicium et du transistor en nitrure de gallium au niveau PFC
Nous comparons ensuite les rendements calculés des transistors au nitrure de gallium et des MOSFET au carbure de silicium à différentes fréquences de fonctionnement, dans une topologie de circuit à deux phases entrelacées en demi-pont LLC parallèle pour une puissance de sortie de 3 kW. Le calcul néglige l'impact des pertes accrues dans les composants magnétiques (notamment les inductances de résonance et les inductances de puissance principales) dues à l'augmentation de la fréquence. La topologie du circuit est illustrée à la figure 15. Le modèle de transistor au nitrure de gallium sélectionné est l'IGOT60R070D1 (RDS(on) maximal à 25 °C : 70 mΩ), utilisé en 8 exemplaires. Le modèle de MOSFET au carbure de silicium sélectionné est l'IMZA65R048M1H (RDS(on) maximal à 25 °C : 64 mΩ), également utilisé en 8 exemplaires.      
      Figure 15 : Schéma d'un circuit LLC parallèle décalé biphasé
Sous une charge de 50 % (1500 W) et dans des conditions de température ambiante, la figure 16 compare le rendement à différentes fréquences de fonctionnement. À basse fréquence (< 100 kHz), le rendement des transistors au nitrure de gallium et des MOSFET au carbure de silicium, présentant une résistance à l'état passant similaire, est comparable et atteint un rendement très élevé (> 99.2 %). À 300 kHz, grâce à ses très faibles paramètres parasites, le nitrure de gallium présente une faible part de pertes par commutation dans les pertes totales, ce qui explique la faible diminution de son rendement (0.08 %). En revanche, le rendement des MOSFET au carbure de silicium diminue de 0.58 % (de 99.28 % à 98.7 %). À 500 kHz, l'écart de rendement entre les deux transistors devient significatif (1 %). Bien sûr, dans le cas d'un circuit réel, étant donné que l'augmentation de la fréquence entraîne une forte augmentation des pertes des composants magnétiques, la différence d'efficacité entre les deux ne sera pas aussi importante, mais la tendance de variation de l'efficacité reste la même.      
      Figure 16 : Comparaison de l'efficacité de deux dispositifs de puissance à différentes fréquences de fonctionnement
             Recommandations d'application pour les MOSFET en nitrure de gallium et en carbure de silicium          

D’après les analyses des chapitres 3 et 4, basées sur les transistors au nitrure de gallium et les produits MOSFET au carbure de silicium d’Infineon Technologies Co., Ltd., les recommandations d’application pour ces deux semi-conducteurs de puissance à large bande interdite sont les suivantes :
(1) Pour certaines raisons, le système appliqué doit fonctionner à une fréquence supérieure à 200 kHz. Les transistors au nitrure de gallium sont le premier choix, suivis des MOSFET au carbure de silicium. Si la fréquence de fonctionnement est inférieure à 200 kHz, les deux peuvent être utilisés ;
(2) Le système appliqué nécessite un rendement extrêmement élevé de la charge légère à la demi-charge. Les transistors au nitrure de gallium sont le premier choix, suivis des MOSFET au carbure de silicium ;
(3) Si le système appliqué a une température de fonctionnement maximale élevée, des difficultés à dissiper la chaleur ou nécessite un rendement extrêmement élevé à pleine charge, les MOSFET en carbure de silicium sont le premier choix, suivis des transistors en nitrure de gallium ;
(4) Le système appliqué présente d'importantes interférences de bruit, notamment des interférences de commande de grille. Le MOSFET en carbure de silicium est le premier choix, et le transistor en nitrure de gallium est le deuxième choix ;
(5) Si le système appliqué nécessite un interrupteur de puissance avec une grande capacité de court-circuit, le MOSFET en carbure de silicium est le premier choix ;
(6) Pour les autres systèmes d'application sans exigences particulières, le choix du produit dépend de facteurs tels que la méthode de dissipation de la chaleur, la densité de puissance et la familiarité du concepteur avec les deux.      
             Résumer          

Cet article présente en détail la structure, les caractéristiques, les différences de performances et les applications possibles des semi-conducteurs de puissance à large bande interdite apparus ces dernières années, à savoir les transistors au nitrure de gallium et les MOSFET au carbure de silicium. Grâce à leurs nombreux avantages en termes de performances, supérieurs à ceux des semi-conducteurs en silicium, les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite sont de plus en plus utilisés dans l'industrie.      
     

À mesure que l'industrie se familiarise avec les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite et acquiert une plus grande expérience d'application, leur utilisation augmentera fortement, entraînant une baisse de leurs prix. Ceci favorisera leur utilisation à plus grande échelle, créant ainsi un cercle vertueux. Il est donc essentiel pour les ingénieurs électriciens de maîtriser et d'utiliser ces semi-conducteurs au plus tôt afin d'améliorer la compétitivité et la visibilité de leurs produits, ainsi que leurs propres compétences. Cet article constitue une référence précieuse pour les ingénieurs électriciens souhaitant se familiariser avec les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite et les utiliser.

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