Une équipe de recherche indienne développe un interrupteur d’alimentation en nitrure de gallium totalement unique

Des chercheurs de l’Institut indien des sciences (IISc) ont développé un interrupteur d’alimentation entièrement unique en nitrure de gallium (GaN) qui pourrait avoir des packages potentielles dans des systèmes tels que les onduleurs pour voitures électriques et ordinateurs portables, ainsi que dans les communications sans fil. L’ensemble du processus de development du commutateur – de l. a. croissance des matériaux à l. a. fabrication des dispositifs en passant par l’emballage – a été développé en interne au Centre pour l. a. science et l’ingénierie à l’échelle nanométrique (CeNSE) de l’IISc.

En raison de leurs performances et de leur efficacité élevées, les transistors GaN sont sur le level de remplacer les transistors traditionnels à base de silicium comme éléments constitutifs de nombreux appareils électroniques, tels que les chargeurs ultra-rapides pour voitures électriques, téléphones et ordinateurs portables, ainsi que dans les packages spatiales et militaires telles que comme radar. .

“C’est une technologie très prometteuse et disruptive”, déclare Digbijoy Nath, professeur agrégé au CeNSE et auteur correspondant de l’étude publiée dans l. a. revue Science. Génie Microélectronique. “Mais l’importation de matériaux et d’appareils est sévèrement limitée… Nous n’avons pas encore l. a. capacité de produire des plaquettes de nitrure de gallium à l’échelle commerciale en Inde.” Il ajoute que le savoir-faire nécessaire à l. a. fabrication de ces appareils est également un secret bien gardé, avec peu d’études publiées sur les détails des processus impliqués.

Les interrupteurs d’alimentation sont utilisés pour contrôler le flux d’énergie vers les appareils électroniques, essentiellement pour les allumer ou les éteindre. Pour concevoir l’interrupteur d’alimentation GaN, l’équipe IISc a utilisé une method de dépôt chimique en segment vapeur organométallique qui a été développée et perfectionnée pendant une décennie par des chercheurs du laboratoire de Srinivasan Raghavan, professeur et directeur du CeNSE. Il s’agit de faire croître des cristaux d’alliage GaN couche par couche sur une plaquette de silicium de deux pouces pour fabriquer un transistor multicouche.

L’ensemble du processus doit être effectué avec soin dans une salle blanche afin de garantir qu’aucun défaut n’apparaisse en raison de prerequisites environnementales telles que l’humidité ou l. a. température, qui peuvent affecter les performances de l’appareil. L’équipe a également fait appel au professeur agrégé du département de génie électrique Kaushik Basu et à son laboratoire pour construire un circuit utilisant ces transistors et tester leurs performances de commutation.

Les transistors GaN fonctionnent généralement dans ce que l’on appelle le « mode d’épuisement » : ils sont constamment activés à moins qu’une pressure négative ne soit appliquée pour les désactiver. Mais les interrupteurs d’alimentation utilisés dans les chargeurs et les onduleurs doivent fonctionner dans le sens opposé : ils doivent généralement être éteints, ne transportant pas de courant, et ne doivent être allumés que lorsqu’une pressure sure est appliquée (« mode d’optimisation »). Pour réaliser ce processus, l’équipe a combiné un transistor GaN avec un transistor en silicium disponible dans le trade pour maintenir le dispositif naturellement fermé.

“L’emballage de l’appareil a également été développé en interne”, explique Riju Child, Ph.D. étudiant au CeNSE et premier auteur de l’étude. Après emballage et exams, l’équipe a constaté que les performances de l’appareil étaient comparables à celles des commutateurs de pointe disponibles dans le trade, avec un temps de commutation d’environ 50 nanosecondes entre les opérations marche et arrêt.

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’augmenter les dimensions de l’appareil afin qu’il puisse fonctionner à des courants plus élevés. Ils envisagent également de concevoir un convertisseur de puissance succesful d’augmenter ou de diminuer les tensions.

“Si vous regardez les organisations stratégiques en Inde, elles ont du mal à se procurer des transistors GaN… et il est unattainable de les importer au-delà d’une certaine quantité ou d’une certaine puissance/fréquence”, explique Nath. “Il s’agit essentiellement d’une preuve du développement de l. a. technologie nationale GaN.”