Le GaN dans la course vers un super semi-conducteur

La course ne fait pas les manchettes. Pourtant, Hassan Maher, professeur de génie électrique et génie informatique à l’Université de Sherbrooke, en parle avec passion. Dans l’industrie des semi-conducteurs, un matériau émergent, le nitrure de gallium (GaN), suscite de nombreux espoirs. Performant, très robuste, le GaN résiste à de fortes chaleurs et permet le passage d’une grande puissance électrique.

L’UdeS est la première université au Canada pour le développement de circuits GaN destinés aux applications de forte puissance. Mais elle n’est pas seule sur le parcours : en Europe, en Asie et aux États-Unis, les scientifiques sont dans les paddocks, et chaque écurie garde jalousement ses secrets. L’équipe qui parviendra à déployer des circuits fiables et robustes avec le GaN pourrait conduire à une petite révolution dans la microélectronique. Et le marché potentiel pour ce super semi-conducteur est estimé à plusieurs milliards de dollars.

Problème de taille

Hassan Maher est professeur à l’UdeS depuis 2012. Auparavant, il a évolué durant une décennie dans l’industrie, en France, où il dirigeait une équipe de chercheurs voués à concevoir des puces à très haute valeur ajoutée pour l’aérospatiale. Ces dispositifs reposent sur des matériaux qui offrent des capacités inégalées. «Mais avant de créer une puce avec des technologies nouvelles, il faut que la fiabilité et la robustesse soient éprouvées, dit le chercheur. Si on implante une puce dans un satellite, en cas de panne, on ne peut pas la redescendre sur terre pour la remplacer!» Il explique que le besoin de créer de nouveaux produits est crucial, en raison de la progression exponentielle de la puissance des circuits électroniques, comme l’avait prédit l’ingénieur Gordon Moore, en 1965.

La loi de Moore

En réduisant les dimensions d'un circuit électronique, on augmente les vitesses de calcul. La loi de Moore est une prédiction qui évoque essentiellement que la puissance des ordinateurs et de ses composants double tous les 18 mois. L’hypothèse tient encore aujourd’hui et constitue un objectif pour l’industrie des semi-conducteurs. Elle apparaît comme l’une des causes des progrès spectaculaires de l'informatique et de l'électronique. Cependant, les limites de la miniaturisation dues aux lois de la physique commencent à apparaître. Le paramètre le plus critique est la longueur de la grille des transistors, et le silicium atteint le maximum de ses capacités, d’où la nécessité d’étudier l’emploi de matériaux plus performants et stables

Aujourd’hui, la miniaturisation des circuits électroniques atteint l’échelle du nanomètre. À titre de comparaison, le diamètre d’un cheveu est de 50 000 nm. Or, la longueur de grille des circuits les plus petits est de l’ordre de 12 nm. «Avec le silicium, le circuit ne peut plus être rapetissé, dit Hassan Maher. On cherche donc à créer des puces plus petites qui permettent plus de puissance, qui subissent moins les complications dues aux effets thermiques et aux interconnexions. Il existe des matériaux largement plus performants que le silicium, mais on ne dispose pas d’infrastructure de fabrication à coût raisonnable.» Parmi ces matériaux émergents, on retrouve le phosphure d’indium (InP), l’arséniure de gallium (GaAs), ainsi que le GaN.

«Il demeure que ces matériaux visent encore des marchés très étroits, dit le chercheur. L’industrie les emploie uniquement quand elle n’a plus le choix. Sinon, elle s’en tient aux produits moins chers.» Pour déployer la technologie du GaN, le professeur Maher mise donc sur une stratégie astucieuse.

Marier le nouveau et l’ancien

Puisque l’infrastructure industrielle est développée en fonction du silicium, Hassan Maher a opté pour une solution élégante et très profitable qui consiste à combiner deux matériaux. «Ce que nous développons ici à Sherbrooke vise à lancer la technologie GaN en ajoutant de petites couches à des gaufres (wafers) de silicium, explique-t-il. Cela permettrait de profiter des possibilités techniques du GaN, tout en rendant la technologie compatible avec l’infrastructure de fabrication déjà présente. Le but ultime, un jour, c’est de créer un circuit où il y aurait du GaN à un endroit, et du silicium ailleurs, sur une même puce.»

Le chercheur indique que cette stratégie, développée à Sherbrooke, permet de composer avec la réticence des décideurs quant au développement de nouveaux matériaux. «Les investisseurs préfèrent souvent les technologies éprouvées. Nous leur proposons d’utiliser le matériau silicium – qui est très connu – et de le propulser vers l’avenir en augmentant ses possibilités techniques offertes par le GaN», dit-il.

Dans une filière technologique comme celle du GaN, la synthèse du matériau lui-même joue un rôle central au succès commercial des produits. Fort de ce constat, dès ses premiers travaux sur le sujet, Hassan Maher, en collaboration avec quelques chercheurs de l’Université de Sherbrooke, a contribué activement au développement entrepreneurial par l’entremise de plusieurs partenariats avec des entreprises canadiennes pour la mise en place de technologies de synthèse de matériau GaN, contribuant ainsi au développement économique régional.

Un matériau hyper costaud, et vert

Sherbrooke est la seule université canadienne qui possède l’expertise couvrant tous les aspects de la technologie, du matériau de base jusqu’au produit fini. Cette position unique permet à l’équipe du professeur Maher de développer de nouveaux procédés de fabrication en portant une attention toute spéciale à des caractéristiques de développement durable, comme la consommation de produits chimiques et l’énergie consommée.

Les chercheurs planchent également sur des projets pour exploiter le GaN dans des circuits de puissance. «Le GaN peut supporter beaucoup de tension, jusqu’à 1000 volts, avec de meilleures performances et des pertes beaucoup moins élevées que celles associées au silicium, dit Hassan Maher. C’est un matériau très dur et robuste, qui peut supporter de hautes températures. Par exemple, un transistor pourrait demeurer opérationnel par une chaleur de 300 ^oC.» Selon Hassan Maher, lorsque la technologie du GaN sera éprouvée et fiable, les usages pourraient être nombreux.

Usages potentiels pour le GaN

Véhicules électriques et hybrides
Dans une voiture électrique, on trouve une batterie et un moteur, puis entre les deux, des circuits électroniques. Ces composants électroniques chauffent, indiquant qu’il y a une perte d’énergie. De plus, il faut prévoir des circuits de refroidissement pour protéger ces circuits, ce qui implique une dépense d’énergie. Avec le GaN, on pourrait réduire considérablement la perte d’énergie, et le matériau serait lui-même résistant à une chaleur de quelques centaines de degrés, ce qui réduirait le besoin de le refroidir. Le laboratoire central R-D de Toyota au Japon a identifié le GaN comme étant le matériau qui leur permettra de fabriquer des voitures de plus en plus vertes, tout en améliorant leur performance.

Énergie solaire ‒ photovoltaïque concentré
Pour générer de l’électricité à partir de capteurs solaires, une installation comporte des équipements pour transformer et transporter l’énergie. Les matériaux conventionnels engendrent une certaine perte d’énergie à cette étape. Or, les capacités physiques du GaN permettent le passage d’une tension électrique de quelques centaines de volts. Puisque la puissance (en watts) est le produit de la tension (en volts) et du courant (en ampères), on peut profiter des capacités du GaN pour réduire le courant et augmenter la tension, avec très peu de perte, en gardant une puissance constante, ce qui réduit la perte pendant le transport de l’énergie. L’efficacité du système s’en trouve augmentée.

Adaptateurs électriques
Les adaptateurs électriques qui permettent de charger des téléphones mobiles ou des ordinateurs portables convertissent la tension domestique en tension continue aux alentours d’une dizaine de volts. Ces dispositifs ‒ en apparence anodins – occasionnent une «perte d’énergie monstrueuse», parce qu’il y en a des millions qui sont utilisés quotidiennement. L’utilisation du GaN dans ces dispositifs permettrait de réduire considérablement la perte énergétique, en plus de réduire la taille des adaptateurs plus volumineux.

95 % du chemin parcouru

Grâce aux équipements de pointe en nanotechnologies de l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT) à Sherbrooke, l’UdeS dispose d’une expertise unique au Canada dans la recherche sur le GaN. Dans la communauté scientifique, ces travaux sont quasi-confidentiels. «C’est une thématique très prisée qui cependant fait l’objet de très peu de publications donnant les détails des étapes clés dans les procédés de fabrication, dit Hassan Maher. Tout le monde sait que c’est le matériau du futur, mais tous travaillent à huis clos dans le but de mener le plus vite possible cette technologie jusqu’en production à grand volume.»

Cela montre que l’enjeu est de taille. La fiabilité des circuits au GaN n’est pas encore pleinement établie, et la technologie n’est pas encore au point, mais les chercheurs qui offriront des solutions durables pourraient être couronnés champions de la course vers le super semi-conducteur de demain! «Nos résultats sont très bons et très prometteurs. L’étape la plus critique, c’est de confirmer la fiabilité et la durée de vie des puces. Plusieurs paramètres sont à ajuster pour établir la fiabilité. Notre objectif est d’en arriver à fabriquer le composant entièrement ici à Sherbrooke, on y est à 95 %», conclut le chercheur.