Avec l’évolution continue de la technologie des semi-conducteurs, chaque percée technologique, des matériaux au silicium de première génération aux semi-conducteurs à large bande passante de troisième génération (SiC, GaN), a conduit à l’application de dispositifs électroniques dans des environnements extrêmes tels que les hautes fréquences, les puissances élevées et les températures élevées. Cependant, les matériaux semi-conducteurs de troisième génération présentent encore des limites en ce qui concerne l’intensité du champ de décomposition, la conductivité thermique et l’adaptabilité aux conditions extrêmes, ce qui a incité les chercheurs à explorer les matériaux semi-conducteurs de quatrième génération, plus prometteurs. Il s’agit principalement de matériaux à bande passante ultra-large (UWBG) tels que l’oxyde de gallium (Ga₂O₃), le diamant et le nitrure d’aluminium (AlN). Avec des bandgaps plus larges, des champs de rupture plus forts et une stabilité thermique supérieure, ces matériaux sont considérés comme des catalyseurs clés pour l’électronique de haute puissance de nouvelle génération, les dispositifs RF et l’optoélectronique ultra-violets profonds.

Matériaux clés et leurs propriétés

1. Oxyde de Gallium (Ga₂O₃)

L’oxyde de Gallium est un semi-conducteur émergent à écartement de bande très large avec un écartement de bande d’environ 4,8 à 5,3 eV, plus large que celui du SiC (3,3 eV) et du GaN (3,4 eV). Cela permet théoriquement des tensions de rupture plus élevées. Avec un champ de panne supérieur à 8 MV/ cm-20 fois celui de Si-Ga ₂O₃ montre un grand potentiel dans l’électronique de puissance haute tension. De plus, l’oxyde de gallium peut être produit en utilisant des méthodes de croissance fondante, qui produisent des cristaux simples de haute qualité à des coûts de fabrication inférieurs à la croissance épiaxiale SiC et GaN. Cependant, la difficulté à atteindre le dopage de type p est un défi majeur, ce qui signifie que les applications actuelles sont principalement axées sur les dispositifs de type n tels que les diodes Schottky et les MOSFETs.

Cas d’application:

En 2023, un institut de recherche japonais a développé avec succès un MOSFET Ga₂O₃ de 10 kv avec une densité de puissance supérieure à celle des appareils SiC.

En 2024, une société américaine a développé un amplificateur de puissance RF à base de Ga₂O₃ avec d’excellentes performances dans les bandes d’onde millimétrique, applicable aux stations de base 6G.

2. diamant

Le diamant est considéré comme l’un des matériaux semi-conducteurs les plus remarquables, avec un espace-bande de 5,5 eV, dépassant de loin le SiC et le GaN, avec un champ de rupture de 10-20 MV/cm. Il a également la conductivité thermique connue la plus élevée (>2000 W/m·K), augmentant de manière significative la dissipation thermique de dispositif. Diamond' S la mobilité élevée des électrons le rend idéal pour les applications électroniques à haute fréquence et à haute puissance. Les recherches actuelles portent sur la croissance monocristalline de haute qualité, le dopage de type n (comme le dopage au phosphore) et les techniques de fabrication de dispositifs.

Cas d’application:

En 2022, un laboratoire européen a mis au point avec succès le premier amplificateur de puissance RF à base de diamants, surpassant les dispositifs GaN existants pour les communications radar et satellite.

En 2023, une société japonaise a développé une diode de puissance en diamant avec une résistance exceptionnelle aux radiations pour les applications de l’industrie nucléaire.

3. Nitrure d’aluminium (AlN)

Avec une bande passante d’environ 6,2 eV, AlN se classe parmi les meilleurs semi-conducteurs à bande passante ultra-large. Il possède une excellente conductivité thermique, une résistance à haute température et une tolérance au rayonnement, ce qui le rend très prometteur pour les filtres RF à haute fréquence (par exemple, 5G/6G), les led ultra-violets profonds et les lasers UV. Cependant, la croissance des monocristaux AlN de haute qualité demeure un défi en raison des densités de défauts élevées et de la nécessité de technologies épitaxiales plus avancées.

Cas d’application:

En 2023, un laboratoire américain a mis au point une LED ultra-violette à base d’aln avec une efficacité de 20%, adaptée à la stérilisation à haute efficacité et à l’éclairage médical.

En 2024, une société chinoise a réalisé la production de masse de filtres RF AlN, les intégrant avec succès dans les systèmes de communication 5G.

Développement industriel et défis technologiques

Dans l’électronique de puissance haute tension, les Ga₂O₃ MOSFETs et les diodes Schottky (SBD) conviennent aux systèmes de conversion de puissance dépassant 10 kV, tels que les convertisseurs de réseau électrique, les infrastructures de recharge de véhicules électriques et les systèmes ferroviaires. L’électronique de puissance Diamond, y compris les fet et les diodes de puissance, possède un potentiel pour l’aérospatiale, la défense et les applications de haute puissance dans des environnements extrêmes. Dans les appareils RF à haute fréquence, les filtres AlN/ScAlN devraient être essentiels pour les communications 5G, 6G et térahertz, tandis que les amplificateurs de puissance RF Ga₂O₃ présentent des performances supérieures dans les bandes d’onde millimétrique. De plus, les led et les lasers ultra-violets AlN ont de larges applications dans la désinfection, la photolithographie et l’éclairage spécialisé, tandis que les détecteurs ultraviolets Ga₂O₃ ont une valeur significative pour la détection UV aveugle solaire, l’exploration spatiale et la surveillance de la sécurité.

Pour faire progresser le développement de semi-conducteurs de quatrième génération, il faut relever les défis de la fabrication des matériaux et de la technologie épitaxiale. Ga₂O₃ nécessite une efficacité de dopage de type p améliorée et l’exploration de l’hétéroépitaxie (par exemple Si/Ga₂O₃, GaN/Ga₂O₃). Diamond nécessite des processus de croissance CVD optimisés pour réduire les densités de défauts et améliorer les techniques de dopage de type n. AlN, d’autre part, a besoin de progrès dans les méthodes PVT et MOCVD pour produire des monocristaux de haute qualité, réduire les densités de dislocation et améliorer la fiabilité des appareils.

Perspectives d’avenir

D’ici 2030, les dispositifs d’alimentation Ga₂O₃ devraient entrer sur les marchés commerciaux, remplaçant partiellement les dispositifs SiC/GaN. Les appareils électroniques à base de diamants sont susceptibles d’être mis à l’essai sur des marchés haut de gamme tels que les industries militaire, aérospatiale et nucléaire. Les led ultra-violets profonds à base d’aluminium sont projetées pour réaliser des percées dans les applications de stérilisation et de photolithographie. Grâce à leurs propriétés de bande passante ultra-large, les semi-conducteurs de quatrième génération présentent un grand potentiel dans l’électronique de haute puissance, les communications RF et l’optoélectronique à ultraviolets profonds. Bien qu’il en soit encore à la phase de recherche, les progrès réalisés dans la synthèse des matériaux, la conception des dispositifs et les processus de fabrication accélèrent la commercialisation. A l’avenir, les semi-conducteurs de quatrième génération sont sur le point de conduire une nouvelle révolution technologique dans l’industrie des semi-conducteurs, ouvrant de plus grandes possibilités d’application pour les dispositifs électroniques à haute performance.