Semi-conducteur à large bande interdite - Wide-bandgap semiconductor

Les semi-conducteurs à large bande interdite (également appelés semi-conducteurs WBG ou WBGS ) sont des matériaux semi - conducteurs qui ont une plus grande bande interdite que les semi-conducteurs conventionnels. Les semi-conducteurs conventionnels comme le silicium ont une bande interdite comprise entre 1 et 1,5 électronvolt (eV), tandis que les matériaux à large bande interdite ont des bandes interdites comprises entre 2 et 4 eV. Généralement, les semi-conducteurs à large bande interdite ont des propriétés électroniques qui se situent entre celles des semi - conducteurs et des isolants conventionnels .

Les semi-conducteurs à large bande interdite permettent aux dispositifs de fonctionner à des tensions, des fréquences et des températures beaucoup plus élevées que les matériaux semi-conducteurs conventionnels comme le silicium et l'arséniure de gallium . Ils sont le composant clé utilisé pour fabriquer des LED et des lasers verts et bleus , et sont également utilisés dans certaines applications de radiofréquence , notamment les radars militaires . Leurs qualités intrinsèques les rendent adaptés à un large éventail d'autres applications, et ils sont l'un des principaux prétendants aux dispositifs de nouvelle génération pour une utilisation générale des semi-conducteurs.

La bande interdite plus large est particulièrement importante pour permettre aux appareils qui les utilisent de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées, de l'ordre de 300 °C. Cela les rend très attrayants pour les applications militaires, où ils ont été largement utilisés. La tolérance de température élevée signifie également que ces appareils peuvent fonctionner à des niveaux de puissance beaucoup plus élevés dans des conditions normales. De plus, la plupart des matériaux à large bande interdite ont également une densité de champ électrique critique beaucoup plus élevée, de l'ordre de dix fois celle des semi-conducteurs conventionnels. Combinées, ces propriétés leur permettent de fonctionner à des tensions et des courants beaucoup plus élevés, ce qui les rend très utiles dans les applications militaires, radio et de conversion de puissance . Le département américain de l'Énergie estime qu'ils constitueront une technologie fondamentale dans les nouveaux réseaux électriques et les dispositifs d' énergie alternative , ainsi que les composants d'alimentation robustes et efficaces utilisés dans les véhicules haute puissance, des véhicules électriques rechargeables aux trains électriques . La plupart des matériaux à large bande interdite ont également des vitesses d'électrons libres élevées, ce qui leur permet de fonctionner à des vitesses de commutation plus élevées, ce qui ajoute à leur valeur dans les applications radio. Un seul appareil WBG peut être utilisé pour créer un système radio complet, éliminant le besoin de composants de signal et de radiofréquence séparés, tout en fonctionnant à des fréquences et des niveaux de puissance plus élevés.

La recherche et le développement de matériaux à large bande interdite sont à la traîne par rapport aux semi-conducteurs conventionnels, qui ont fait l'objet d'investissements massifs depuis les années 1970. Cependant, leurs avantages inhérents évidents dans de nombreuses applications, combinés à certaines propriétés uniques que l'on ne trouve pas dans les semi-conducteurs conventionnels, ont suscité un intérêt croissant pour leur utilisation dans les appareils électroniques de tous les jours au lieu du silicium. Leur capacité à gérer une densité de puissance plus élevée est particulièrement intéressante pour les tentatives de maintien de la loi de Moore , car les technologies conventionnelles semblent atteindre un plateau de densité.

Utilisation dans les appareils

Les matériaux à large bande interdite ont plusieurs caractéristiques qui les rendent utiles par rapport aux matériaux à bande interdite plus étroite. L'écart énergétique plus élevé donne aux appareils la possibilité de fonctionner à des températures plus élevées, car les bandes interdites diminuent généralement avec l'augmentation de la température, ce qui peut être problématique lors de l'utilisation de semi-conducteurs conventionnels. Pour certaines applications, les matériaux à large bande interdite permettent aux appareils de commuter des tensions plus importantes. La large bande interdite amène également l'énergie de transition électronique dans la gamme de l'énergie de la lumière visible, et donc des dispositifs électroluminescents tels que des diodes électroluminescentes (DEL) et des lasers à semi-conducteurs peuvent être fabriqués qui émettent dans le spectre visible , ou même produisent rayonnement ultraviolet.

L'éclairage à semi-conducteurs utilisant des semi-conducteurs à large bande interdite a le potentiel de réduire la quantité d'énergie requise pour fournir un éclairage par rapport aux lampes à incandescence , qui ont une efficacité lumineuse inférieure à 20 lumens par watt. L'efficacité des LED est de l'ordre de 160 lumens par watt.

Les semi-conducteurs à large bande interdite peuvent également être utilisés dans le traitement des signaux RF . Les transistors de puissance à base de silicium atteignent les limites de fréquence de fonctionnement, de tension de claquage et de densité de puissance . Les matériaux à large bande interdite peuvent être utilisés dans des applications de commutation de puissance et à haute température.

Matériaux

Il existe de nombreux semi-conducteurs composés III-V et II-VI avec des bandes interdites élevées. Les seuls matériaux à bande interdite élevée du groupe IV sont le diamant et le carbure de silicium (SiC).

Le nitrure d'aluminium (AlN) peut être utilisé pour fabriquer des LED ultraviolettes avec des longueurs d'onde allant jusqu'à 200-250 nm .

Le nitrure de gallium (GaN) est utilisé pour fabriquer des LED bleues et des diodes laser .

Nitrure de bore (BN).

Propriétés des matériaux

Les matériaux à large bande interdite sont des semi-conducteurs avec des bandes interdites supérieures à 3 eV.

Bande interdite

La mécanique quantique donne naissance à une série de niveaux d'énergie électronique distincts, ou bandes , qui varient d'un matériau à l'autre. Chaque bande peut contenir un certain nombre d'électrons ; si l'atome a plus d'électrons, ils sont forcés dans des bandes d'énergie plus élevées. En présence d'énergie extérieure, une partie des électrons va gagner de l'énergie et remonter les bandes d'énergie, avant de la relâcher et de retomber dans une bande inférieure. Avec l'application constante d'énergie externe, comme l'énergie thermique présente à température ambiante , un équilibre est atteint où la population d'électrons se déplaçant de haut en bas des bandes est égale.

Selon la distribution des bandes d'énergie, et la "bande interdite" entre elles, les matériaux auront des propriétés électriques très différentes. Par exemple, à température ambiante, la plupart des métaux ont une série de bandes partiellement remplies qui permettent d'ajouter ou de retirer des électrons avec peu d'énergie appliquée. Lorsqu'ils sont étroitement regroupés, les électrons peuvent facilement se déplacer d'un atome à l'autre, ce qui en fait d'excellents conducteurs . En comparaison, la plupart des matériaux plastiques ont des niveaux d'énergie très espacés qui nécessitent une énergie considérable pour déplacer les électrons entre leurs atomes, ce qui en fait des isolants naturels . Les semi-conducteurs sont les matériaux qui ont les deux types de bandes, et à des températures de fonctionnement normales, certains électrons se trouvent dans les deux bandes.

Dans les semi-conducteurs, l'ajout d'une petite quantité d'énergie pousse plus d'électrons dans la bande de conduction , les rendant plus conducteurs et permettant au courant de circuler comme un conducteur. L'inversion de la polarité de cette énergie appliquée pousse les électrons dans les bandes les plus largement séparées, ce qui en fait des isolants et arrête le flux. Comme la quantité d'énergie nécessaire pour pousser les électrons entre ces deux niveaux est très faible, les semi-conducteurs permettent une commutation avec très peu d'apport d'énergie. Cependant, ce processus de commutation dépend de la distribution naturelle des électrons entre les deux états, de sorte que de petites entrées entraînent une modification rapide des statistiques de population. Au fur et à mesure que la température externe change, en raison de la distribution de Maxwell-Boltzmann , de plus en plus d'électrons se retrouveront normalement dans un état ou dans l'autre, provoquant l'action de commutation qui se produira d'elle-même ou s'arrêtera complètement.

La taille des atomes et le nombre de protons dans l'atome sont les principaux prédicteurs de la force et de la disposition des bandes interdites. Les matériaux avec de petits atomes et de fortes liaisons atomiques électronégatives sont associés à de larges bandes interdites. Les éléments élevés dans le tableau périodique sont plus susceptibles d'être des matériaux à large bande interdite. En ce qui concerne les composés III-V, les nitrures sont associés aux bandes interdites les plus importantes, et, dans la famille II-VI, les oxydes sont généralement considérés comme des isolants. Les bandes interdites peuvent souvent être conçues par alliage , et la loi de Vegard stipule qu'il existe une relation linéaire entre la constante de réseau et la composition d'une solution solide à température constante. La position des minima de la bande de conduction par rapport aux maxima dans la structure de la bande détermine si une bande interdite est directe ou indirecte . La plupart des matériaux à large bande interdite sont associés à une bande interdite directe, à l' exception du SiC et du GaP .

Propriétés optiques

La bande interdite détermine la longueur d'onde à laquelle les LED émettent de la lumière et la longueur d'onde à laquelle le photovoltaïque fonctionne le plus efficacement. Les dispositifs à large bande interdite sont donc utiles à des longueurs d'onde plus courtes que les autres dispositifs à semi-conducteurs. La bande interdite pour GaAs de 1,4 eV, par exemple, correspond à une longueur d'onde d'environ 890 nm, qui est de la lumière infrarouge invisible (la longueur d'onde équivalente pour l'énergie lumineuse peut être déterminée en divisant la constante 1240 nm-eV par l'énergie en eV, donc 1240 nm-eV/1,4 eV = 886 nm). Par conséquent, le photovoltaïque GaAs n'est pas idéal pour convertir la lumière visible de longueur d'onde plus courte en électricité. Le silicium à 1,1 eV (1100 nm) est encore pire. Pour la conversion de l'énergie solaire à l'aide d'une cellule photovoltaïque à jonction unique, la bande interdite idéale a été diversement estimée d'environ 1,0 eV à environ 1,5 eV (selon diverses hypothèses) car ce seuil de faible longueur d'onde couvre presque tout le spectre solaire qui atteint la surface de la Terre. , mais une cellule à jonction unique à bande interdite inférieure gaspille une grande partie de cette puissance en convertissant de manière inefficace les parties de longueur d'onde plus courte du spectre solaire. Pour cette raison, un domaine majeur de la recherche sur l'énergie solaire est le développement de cellules solaires multijonctions qui collectent des parties séparées du spectre avec plus d'efficacité, et le photovoltaïque à large bande interdite est un élément clé pour collecter la partie du spectre au-delà de l'infrarouge.

L'utilisation des LED dans les applications d'éclairage dépend notamment du développement de semi-conducteurs nitrure à large bande interdite.

Le lien entre la longueur d'onde et la bande interdite est que l'énergie de la bande interdite est l'énergie minimale nécessaire pour exciter un électron dans la bande de conduction . Pour qu'un photon non assisté provoque cette excitation, il doit avoir au moins autant d'énergie. Dans le processus inverse, lorsque des paires électron-trou excitées subissent une recombinaison , des photons sont générés avec des énergies qui correspondent à l'amplitude de la bande interdite.

Un phonon est requis dans le processus d'absorption ou d'émission dans le cas d'un semi-conducteur à bande interdite indirecte, de sorte que les semi-conducteurs à bande interdite indirecte sont généralement des émetteurs très inefficaces, bien qu'ils fonctionnent également assez bien comme absorbeurs (comme avec le photovoltaïque au silicium).

Champ de répartition

L'ionisation par impact est souvent attribuée à la cause de la panne. Au point de rupture, les électrons d'un semi-conducteur sont associés à une énergie cinétique suffisante pour produire des porteurs lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes du réseau.

Les semi-conducteurs à large bande interdite sont associés à une tension de claquage élevée. Cela est dû à un champ électrique plus important nécessaire pour générer des porteurs par impact.

A des champs électriques élevés , la vitesse de dérive sature en raison de la diffusion des phonons optiques . Une énergie de phonon optique plus élevée entraîne moins de phonons optiques à une température particulière, et il y a donc moins de centres de diffusion , et les électrons dans les semi-conducteurs à large bande interdite peuvent atteindre des vitesses de crête élevées.

La vitesse de dérive atteint un pic à un champ électrique intermédiaire et subit une petite chute à des champs plus élevés. La diffusion par intervalles est un mécanisme de diffusion supplémentaire dans les champs électriques importants, et elle est due à un déplacement des porteurs de la vallée la plus basse de la bande de conduction vers les vallées supérieures, où la courbure de la bande inférieure augmente la masse effective des électrons et réduit la mobilité des électrons . La chute de vitesse de dérive à des champs électriques élevés due à la diffusion par intervalles est faible par rapport à la vitesse de saturation élevée qui résulte d'une faible diffusion de phonons optiques. Il y a donc une vitesse de saturation globale plus élevée.

Vitesse de saturation

Les masses efficaces élevées des porteurs de charge sont le résultat de faibles courbures de bande, qui correspondent à une faible mobilité. Les temps de réponse rapides des dispositifs avec des semi-conducteurs à large bande interdite sont dus à la vitesse de dérive élevée des porteurs à de grands champs électriques, ou à la vitesse de saturation .

discontinuité de la bande interdite

Lorsque des semi-conducteurs à large bande interdite sont utilisés dans des hétérojonctions , des discontinuités de bande formées à l'équilibre peuvent être une caractéristique de conception, bien que la discontinuité puisse entraîner des complications lors de la création de contacts ohmiques .

Polarisation

Les structures de wurtzite et de zincblende caractérisent la plupart des semi-conducteurs à large bande interdite. Les phases wurtzites permettent une polarisation spontanée dans la direction (0001). Un résultat de la polarisation spontanée et de la piézoélectricité est que les surfaces polaires des matériaux sont associées à une densité de support de feuille plus élevée que la masse. La face polaire produit un champ électrique puissant, ce qui crée des densités de charge d'interface élevées.

Propriétés thermiques

Le silicium et d'autres matériaux courants ont une bande interdite de l'ordre de 1 à 1,5 électronvolt (eV), ce qui implique que de tels dispositifs semi-conducteurs peuvent être contrôlés par des tensions relativement basses. Cependant, cela implique également qu'ils sont plus facilement activés par l'énergie thermique, ce qui interfère avec leur bon fonctionnement. Cela limite les dispositifs à base de silicium à des températures de fonctionnement inférieures à environ 100 °C, au-delà desquelles l'activation thermique incontrôlée des dispositifs rend difficile leur bon fonctionnement. Les matériaux à large bande interdite ont généralement des bandes interdites de l'ordre de 2 à 4 eV, ce qui leur permet de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées de l'ordre de 300 °C. Cela les rend très attractifs dans les applications militaires, où ils ont été largement utilisés.

Les températures de fusion, les coefficients de dilatation thermique et la conductivité thermique peuvent être considérés comme des propriétés secondaires essentielles au traitement, et ces propriétés sont liées à la liaison dans les matériaux à large bande interdite. Des liaisons fortes entraînent des températures de fusion plus élevées et des coefficients de dilatation thermique plus faibles. Une température de Debye élevée entraîne une conductivité thermique élevée. Avec de telles propriétés thermiques, la chaleur est facilement éliminée.

Applications

Applications haute puissance

La tension de claquage élevée des semi-conducteurs à large bande interdite est une propriété utile dans les applications à haute puissance qui nécessitent des champs électriques importants.

Des dispositifs pour des applications à haute puissance et à haute température ont été développés. Le nitrure de gallium et le carbure de silicium sont des matériaux robustes bien adaptés à de telles applications. En raison de leur robustesse et de leur facilité de fabrication, les semi-conducteurs en carbure de silicium devraient être largement utilisés, créant une charge plus simple et plus efficace pour les véhicules hybrides et tout électriques , réduisant les pertes d'énergie, construisant des convertisseurs d' énergie solaire et éolienne plus durables et éliminant transformateurs de sous-station de réseau encombrants. Le nitrure de bore cubique est également utilisé. La plupart d'entre eux sont destinés à des applications spécialisées dans les programmes spatiaux et les systèmes militaires. Ils n'ont pas commencé à déplacer le silicium de sa place de leader sur le marché général des semi-conducteurs de puissance.

Diodes électroluminescentes

Les LED blanches offrant plus de luminosité et une durée de vie plus longue ont remplacé les ampoules à incandescence dans de nombreuses situations. La prochaine génération de lecteurs DVD ( formats Blu-ray et HD DVD ) utilise des lasers violets à base de GaN .

Transducteurs

Les grands effets piézoélectriques permettent d'utiliser des matériaux à large bande interdite comme transducteurs .

Transistor à haute mobilité électronique

Le GaN à très grande vitesse utilise le phénomène des densités de charge d'interface élevées.

En raison de son coût, le nitrure d'aluminium est jusqu'à présent principalement utilisé dans des applications militaires.

Importants semi-conducteurs à large bande interdite

Nitrure d'aluminium
Le nitrure de bore , le h-BN et le c-BN peuvent former des LED UV.
diamant
Nitrure de gallium
Carbure de silicium
Dioxyde de silicone

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