Cet article se penche sur l’arséniure de gallium, et explore comment il se compare à d’autres matériaux semi-conducteurs populaires, et explore les différents composants utilisant chaque matériau.

Le silicium a longtemps tenu sa place en tant que matériau clé dans les semi-conducteurs. Cependant, l’arséniure de gallium, ainsi que d’autres composés comme le nitrure de gallium et le carbure de silicium, se partagent désormais la scène. Mais qu’est-ce que l’arséniure de gallium et en quoi diffère-t-il des autres composés ? Explorons ce composé et regardons comment il est utilisé comme matériau semi-conducteur.

Qu’est-ce que l’arséniure de gallium ?

L’arséniure de gallium (GaAs) est un composé construit à partir des éléments gallium et arsenic. Il est souvent appelé un composé III-V parce que le gallium et l’arsenic sont dans le groupe III et le groupe V du tableau périodique, respectivement.

Figure 1. Le composé d’arséniure de gallium. Le brun représente le gallium et le violet l’arsenic. Image gracieusement fournie par Shandirai Malven Tunhuma – Université de Pretoria.

L’utilisation de l’arséniure de gallium n’est pas une technologie nouvelle. En fait, la DARPA a financé des recherches sur cette technologie depuis les années 1970. Alors que la technologie à base de silicium a été « la substance de base de la révolution microélectronique, les circuits en GaAs fonctionnent à des fréquences plus élevées et à des puissances d’amplification des signaux qui ont rendu pratique un monde connecté par des téléphones portables de la taille d’une paume. »

L’arséniure de gallium a permis la miniaturisation des récepteurs GPS dans les années 1980. Cela a rendu possible les munitions de précision guidées par laser qui sont entrées dans les arsenaux américains pendant cette période.

Bandgaps dans différents matériaux semi-conducteurs

Sans entrer dans la physique théorique profonde, les bandgaps d’un matériau l’espace entre les couches d’enveloppe atomique d’un matériau. Un espace plus grand signifie qu’il faut plus d’énergie pour que les électrons du semi-conducteur « sautent » vers la coquille suivante et pour que le semi-conducteur passe à l’état conducteur. Comme nous le verrons, cela a un certain nombre de ramifications importantes.

Comparaison des bandes interdites du GaAs, du Si, du SiC et du GaN

Avec une mobilité électronique élevée, les dispositifs semi-conducteurs construits en GaAs peuvent fonctionner à des fréquences de plusieurs centaines de GHz.

Sans être vraiment considéré comme un matériau à « large bande interdite », le GaAs a une bande interdite considérablement plus élevée que celle du silicium. De manière critique, cela rend le GaAs très résistant aux radiations et donc un excellent choix pour les applications de défense et aérospatiales. Un autre argument de vente est que les dispositifs en GaAs sont beaucoup plus résistants à la chaleur et dégagent moins d’EMI.

Le GaAs présente une bande interdite directe par opposition à la bande interdite indirecte du silicium. De ce fait, le GaAs peut émettre de la lumière de manière beaucoup plus efficace que ceux en silicium. Cela donne aux LED en GaAs un net avantage sur celles construites en silicium.

Un avantage majeur du silicium est que dans le monde réel de la fabrication de masse, le silicium est beaucoup plus facile à travailler. Le silicium possède un « oxyde natif », le dioxyde de silicium (SiO2). Cet isolant prêt à l’emploi est un atout inestimable pour la fabrication de dispositifs en silicium. Le GaAs n’a pas d’analogue.

Au moment où nous écrivons ces lignes, des processus de silicium jusqu’au niveau de sept nanomètres sont en cours de développement. 500 nanomètres est à peu près le niveau le plus bas que le GaAs peut atteindre à l’heure actuelle. Et si le GaAs est rapide, il consomme de l’énergie. Donc, pour la logique ordinaire à moyenne et basse vitesse, le silicium peut encore être la voie à suivre

Nitrure de gallium et carbure de silicium

Comme détaillé ci-dessous, le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) présentent des bandes interdites qui sont considérablement supérieures à celles du silicium ou du GaAs.

Comparaison des bandes interdites

Matériau	Bande interdite
Silicium (Si)	1.1 électronvolt (eV)
Arséniure de gallium (GaAs)	1.4 électronvolts (eV)
Carbure de silicium (SiC)	3,0 électronvolts (eV)
Nitrure de gallium (GaN)	3.4 électronvolts (eV)

Le carbure de silicium peut être employé pour construire des MOSFET de puissance pour des applications haute tension, haute puissance fonctionnant à haute fréquence. Ils peuvent tolérer des températures élevées et présentent des valeurs RDS (on) stables avec la température. RDS est la résistance du drain à la source, un paramètre extrêmement critique dans toute application de puissance.

Figure 2. Carbure de silicium. Image (modifiée) avec l’aimable autorisation de l’Université de Munster.

Le nitrure de gallium a une bande interdite encore plus élevée que le carbure de silicium et une mobilité électronique plus élevée, également. Les capacités de sortie et de grille intrinsèquement plus faibles de la technologie permettent en outre un fonctionnement à grande vitesse. Les dispositifs GaN sont dépourvus de la diode de corps qui est inhérente aux dispositifs à base de silicium. Cela sert à éliminer la perte de récupération, à augmenter l’efficacité opérationnelle et à réduire les EMI.

Figure 3. Nitrure de gallium. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’Université de Bristol.

Le carbure de silicium peut être employé pour construire des MOSFET de puissance pour des applications haute tension, haute puissance fonctionnant à haute fréquence. Ils peuvent tolérer des températures élevées et présentent des valeurs RDS (on) stables avec la température. RDS est la résistance du drain à la source, un paramètre extrêmement critique dans toute application de puissance.

Le nitrure de gallium a une bande interdite encore plus élevée que le carbure de silicium et une mobilité électronique plus élevée, également. Les capacités de sortie et de grille intrinsèquement plus faibles de cette technologie permettent en outre un fonctionnement à grande vitesse. Les dispositifs GaN sont dépourvus de la diode de corps qui est inhérente aux dispositifs à base de silicium. Cela permet d’éliminer la perte de récupération, d’augmenter l’efficacité opérationnelle et de réduire les EMI.

Le dispositif GaN LMG3410R050 de Texas Instruments

L’approche de TI consiste à inclure un circuit de commande de grille en même temps qu’un transistor GaN 600V. Les avantages inhérents du LMG341xR050 (PDF) par rapport aux MOSFETs en silicium comprennent des capacités d’entrée et de sortie ultra-basses pour un fonctionnement à grande vitesse. La réduction des pertes de commutation par une récupération inverse nulle est un autre avantage.

Figure 4. Le LMG3410R050. Image courtoisie de Texas Instruments.

Les dispositifs GaN comme le LMG3410R050 n’ont pas de pertes par récupération inverse car, contrairement aux MOSFETS au silicium, il n’y a pas de jonction PN entre la source et le drain.

Le driver de grille intégré est spécialement accordé au dispositif GaN pour un pilotage rapide sans sonnerie sur la grille. Il économise du temps, de l’espace et des coûts de nomenclature pour les OEM et protège contre les défauts en fournissant une protection contre les surintensités et les surchauffes.

L’engagement d’un milliard de dollars de Cree envers les MOSFETS SiC

Dans le monde des semi-conducteurs à bande interdite élevée, le SiC est un autre concurrent puissant, comme en témoigne l’engagement de Cree envers cette technologie.

Cree propose de nombreux MOSFET SiC, notamment le C2M0045170D. Ce dispositif est évalué à 1700V et 72A. La température de jonction maximale est de 150°C. Fait important, il arbore un RDS (on) de seulement 45 milliohms.

Le CAB450M12XM3 (PDF) de la société est un module demi-pont en carbure de silicium de 1200V et 450A.

Figure 5. Le CAB450M12XM3. Image gracieusement fournie par Cree-Wolfspeed (PDF).

Un fonctionnement en jonction continue à 175°C est possible. Ce dispositif à haute puissance est conçu pour :

• Moteurs et rives de traction
• Chargeurs rapides pour véhicules
• Alimentation sans interruption

Les LED à l’arséniure de gallium

Ces dispositifs sont plus souvent proposés en plaquettes, mais Vishay propose le TSUS4300 (PDF), une LED GaAs discrète rayonnant à 950 nanomètres. L’une de leurs spécifications est qu’ils offrent « une bonne correspondance spectrale avec les photodétecteurs Si », présageant le point central de notre prochaine section ci-dessous.

L’arséniure de gallium est-il un meilleur choix que le silicium ?

Nous avons discuté de certaines généralités et caractéristiques globales, mais les concepteurs doivent analyser soigneusement les besoins particuliers de conceptions spécifiques et ne pas faire leur choix de matériau en fonction d’idées préconçues. Parfois, la réponse ne sera pas celle attendue au départ.

Dans un article écrit par Theresa Corrigan d’Analog Device, les MOSFET CMOS à canal N sont mis en contraste avec les dispositifs GaAs lorsqu’ils servent de commutateurs électroniques à large bande (900 MHz et plus).

Les avantages du GaAs

• Faible résistance à l’allumage
• Faible capacité à l’extinction
• Haute linéarité à haute fréquence

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