Progrès de la recherche sur les matériaux et dispositifs en nitrure d'aluminium
Le semi-conducteur à bande interdite ultra-large, représenté par le nitrure d'aluminium, est la quatrième génération de matériaux semi-conducteurs après le silicium, l'arséniure de gallium, le nitrure de gallium et le carbure de silicium. Il est reconnu comme une technologie clé pour le développement rapide de la microélectronique et constitue un atout majeur dans la compétition technologique mondiale. Grâce à sa haute résistance à la puissance, à la tension, aux hautes températures et aux radiations, le semi-conducteur à bande interdite ultra-large est le matériau idéal pour la nouvelle génération de circuits intégrés de puissance, de dispositifs d'électronique de puissance, de dispositifs photoélectriques à courte longueur d'onde et de composants de détection.
matériau en nitrure d'aluminium
Le nitrure d'aluminium (AlN) est un composé III-V typique présentant d'excellentes propriétés physico-chimiques, telles qu'une grande stabilité thermique (point de fusion de 2100 °C), une conductivité thermique élevée [2 W/(cm·K)] et une grande stabilité chimique. L'AlN possède également de bonnes propriétés piézoélectriques et diélectriques, ce qui lui confère un grand potentiel d'application dans la conversion d'énergie, les ondes acoustiques et les dispositifs MEMS, et il est déjà utilisé dans ces derniers. La recherche sur les matériaux AlN se concentre principalement sur deux aspects : la croissance cristalline et l'épitaxie de couches minces. La croissance cristalline repose principalement sur la méthode PVT pour obtenir des cristaux auto-ensemencés et hétéro-ensemencés. L'épitaxie de couches minces d'AlN est principalement réalisée sur des substrats de saphir ou de 4H-SiC par MOCVD, ALD et d'autres méthodes.
dispositif en nitrure d'aluminium
La recherche sur les dispositifs à base d'AlN se concentre principalement sur les diodes, les MESFET, les photodétecteurs, etc. Parmi eux, les diodes à base d'AlN présentent des caractéristiques supérieures et ont fait l'objet de nombreuses études. En 2023, l'Université d'État de l'Arizona a réalisé la première diode Schottky AlN sur un substrat d'AlN, avec une tension de claquage de 3 kV et un courant de fuite de seulement 200 nA. En 2024, l'Université de Nagoya a utilisé une méthode de dopage par polarisation distribuée pour fabriquer une diode verticale pn AlGaN sur un substrat d'AlN, comme illustré sur la figure 8 (a). La rigidité diélectrique a atteint 7,3 MV/cm, et une tension de claquage de 6,5 V ainsi qu'une résistance à l'état passant de 3 mΩ·cm² ont été obtenues. Il s'agit des valeurs minimales rapportées à ce jour pour une diode pn à base d'AlN. La même année, l'université XIdian a mis en œuvre une diode tunnel résonante à double barrière AlN/GaN haute performance avec un courant de crête record de 1551 kA/cm2 et un rapport courant crête-vallée de 1,24.
De plus, grâce à la forte polarisation de l'AlN, la densité électronique surfacique du canal dans l'hétérojonction AlN/GaN est extrêmement élevée, ce qui la rend idéale pour la fabrication de dispositifs RF. Sa résistance de contact ohmique élevée est généralement résolue par épitaxie quadratique. En 2022, l'Université Xidian a proposé un transistor HEMT AlN/GaN à faible endommagement, optimisé pour un traitement d'oxydation par plasma à distance, avec une tension de seuil de 0,4 V et un courant maximal de 1,06 A/mm. En 2023, l'Université de Pékin a présenté un transistor HEMT AlN/GaN avec une longueur de grille de 70 nm, une résistance de contact ohmique aussi faible que 0,09 Ω·mm, un rapport fT/fmax atteignant 140/301 GHz et une densité de courant de saturation de 1,54 A/mm.
Dans son rapport sur l'état de l'industrie de l'électronique de puissance, Yole Intelligence prévoit que d'ici 2028, le marché mondial des dispositifs de puissance atteindra 33,3 milliards de dollars américains, favorisant ainsi le développement rapide du secteur des semi-conducteurs à large bande interdite. Cependant, les systèmes GaN et SiC actuels peinent à répondre aux exigences techniques croissantes des secteurs militaire et civil. Semi-conducteur à bande interdite ultra-large, le Ga₂O₃ permet une modulation précise de la structure électronique de type N, le diamant présente la conductivité thermique la plus élevée à température ambiante et l'AlN possède une bande interdite extrêmement large et de meilleures caractéristiques de polarisation. Ces excellentes propriétés lui confèrent de vastes perspectives d'application dans les domaines des dispositifs électroniques haute tension, haute fréquence, haute température et haute puissance, et permettent de réaliser des produits à faible coût et en petite série, tout en offrant une puissance, une fréquence et un rendement accrus.
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