La demande en énergie électrique et en densité de conversion de puissance ne cesse de croître, les dispositifs en silicium conventionnels atteignent leurs limites physiques et de performance. Les semiconducteurs à large bande interdite offrent une voie d’évolution. Parmi eux, le GaN combine un champ électrique critique élevé et une grande mobilité électronique avec des architectures de dispositifs permettant des convertisseurs compacts, haute fréquence et économes en énergie. Ma thèse étudie la conception et l’optimisation des transistors de puissance au nitrure de gallium (GaN), en se concentrant sur les transistors latéraux à haute mobilité électronique (HEMTs) et les MOSFETs verticaux à tranchée (V-T-MOSFETs). L’objectif est d’obtenir un fonctionnement robuste et fiable dans la gamme 600–1200 V tout en maintenant une haute efficacité et une commutation rapide.

Le chapitre 1 présentera les technologies de la conversion de puissance actuelles, basé sur le silicium, et expliquera en quoi de nouveaux matériaux, en particulier le GaN, permettrait d’améliorer les perfomances de ces composants grâce à ses propriétés exceptionnelles en termes de champ de claquage, de mobilité des porteurs et de capacité en fréquence. Je présenterai également l’état actuel du marché et de la recherche sur les composants GaN pour la conversion, en passant en revue l’état de l’art des familles de dispositifs latéraux et verticaux.

Le chapitre 2 se concentrera sur l’optimisation des HEMTs GaN latéraux. En combinant des simulations TCAD et la fabrication de prototypes, l’influence de paramètres clés de conception — tels que la concentration en carbone dans le buffer et la composition de la back barrière — est étudiée. Une attention particulière est portée aux HEMTs GaN sur substrats saphir, optimisés en vue d’une voie d’intégration verticale innovante basée sur la technique d’exfoliation étudiée par simulation. La caractérisation expérimentale valide les tendances simulées et propose des lignes directrices de conception pour atténuer le piégeage et améliorer les performances dynamiques.

Le chapitre 3 traite du développement des architectures GaN verticales, en présentant la conception, la fabrication et la caractérisation de V-T-MOSFETs GaN sur silicium. Des techniques de terminaison de bord, incluant l’implantation de fluor et la recroissance de p-GaN, sont évaluées par simulation. Un procédé complet de fabrication d’un transistor vertical GaN-on-Si est développé, et les dispositifs obtenus sont évalués électriquement afin de mettre en évidence à la fois leur potentiel et leurs limitations actuelles.

Le chapitre 4 explore des stratégies d’optimisation futures pour les dispositifs GaN verticaux, incluant la gravure à faible endommagement, l’arrondissement des angles et l’ingénierie du diélectrique de grille pour supprimer la concentration du champ électrique et le piégeage d’interface. Des méthodes visant à améliorer la robustesse, telles que les grilles protégées par une région p (p-shielded gates) et les anneaux de garde (guard rings), sont également discutées. Ces approches décrivent les exigences nécessaires pour des transistors GaN fiables et haute tension destinés aux applications automobiles, aux énergies renouvelables et aux réseaux électriques. »