Énergie sur puce
L’axe Énergie sur puce s’intéresse aux sources d’énergies, du μW au MW. Il inclut les problématiques de la gestion de chaleur des puces microélectroniques, de la récupération de l’énergie dissipée ou la fabrication de micro-batteries Lithium-ion à base de graphène, pour des applications notamment dans l’internet des objets.
Les plus fortes puissances sont abordées par la fabrication de circuits pour l’électronique de puissance RF et de commutation à base de transistors HEMT GaN. Une forte activité est menée dans le domaine du photovoltaïque, en particulier pour des applications en concentration, en s’intéressant à tous les aspects : de la croissance des matériaux, à l’efficacité des systèmes en conditions extérieures, en passant par la micro-fabrication de cellules solaires et à leur caractérisation.
Contacts : Luc Fréchette, Denis Machon
Mots clés :
- Matériaux, Procédés et Structures : III-V, Épitaxie, Micro-nano fabrication, Passivation, graphène
- Mécanismes Physiques : Thermique, Photovoltaïque, Micro-fluidique, Phononique, Plasmonique
- Composants, Dispositifs Systèmes : Cellules multijonctions, MEMS, Transistors HEMT GaN.
- Applications : Solaire concentré, Électronique de puissance, Récupération d’énergie, micro batteries Lithium-ion
La dépendance énergétique et l’accès à l’énergie représentent un défi majeur pour l’espèce humaine au XXIème siècle. Alors que l’ère du pétrole et de l’énergie bon marché atteint ses limites, notre dépendance aux systèmes énergétiques pour l’accès à la nourriture, la santé, la sécurité, les communications n’a jamais été aussi grande. Il est par conséquent indispensable de revoir notre approvisionnement et notre gestion énergétique, de manière durable. Dans ce contexte, l’axe Énergie s’intéresse aux nouvelles sources et à la gestion de l’énergie avec une approche allant du matériau au système. Ces sources d’énergie sont dédiées à la génération d’énergie centralisée (systèmes CPV) comme à la micro génération pour des applications de récolte d’énergie (« energy harvesting »), la réduction des pertes par l’augmentation des rendements des systèmes de conversion ou encore répondre au développement des objets intelligents et connectés lesquels requièrent des sources d’énergies autonomes, décentralisées et miniatures.
Les technologies MEMS sont utilisées pour la collecte de micro énergies, ainsi que pour la gestion de l’énergie thermique des puces. Des approches à bases de matériaux piézoélectriques utilisent notamment des système auto oscillants de condensation / évaporation pour transformer l’énergie thermique en énergie mécanique puis électrique. Ces phénomènes sont également mis à profits dans des micro caloducs permettant d’évacuer la chaleur avec des flux 10 à 20 fois plus importants que le cuivre. Des circuits micro fluidiques incluant des valves auto adaptatives ont également été développés dans le cadre du projet Européen STREAMS couplé à un financement québécois. Ils permettent de refroidir localement les circuits intégrés, ce qui réduit significativement la consommation d’énergie liées au pompage pour des circuits refroidis par des liquides. Enfin, de nouveaux méta matériaux à base de silicium poreux graphénisés ont été développés et sont considérés pour la fabrication de batteries éventuellement intégrées sur puces.
Les aspects photovoltaïques sont abordés par le développement de nouveaux matériaux, architectures et procédés de fabrication pour les cellules adaptées aux systèmes CPV et hybrides (photovoltaïque / thermique). Très peu de groupes adressent l’ensemble des problématiques liées au CPV (Fraunhofer ISE, NREL, UPM, PROMES). Notre spécificité est (1) de développer des substrats avancés d’épitaxie pour réduire les coûts des matériaux des cellules et (2) d’utiliser les procédés de micro/nano fabrication pour développer des architectures innovantes de cellules solaires. Ces recherches ne sont pas développées dans un objectif de record d’efficacité au niveau cellule, mais plutôt d’amélioration du rapport cout / performance au niveau système. Ces études sont supportées par des projets d’envergure avec la compagnie québécoise STACE, leader mondial du domaine. De plus, l’accès au parc solaire de l’Université de Sherbrooke intégré au sein de la plateforme 3IT.Helios ouvre de nouvelles voies de recherche sur les problématiques au niveau système du déploiement de technologies PV et CPV. Le LN2 a ainsi la capacité de développer des projets de recherche allant du matériau au système.
Une activité importante porte sur la prochaine génération de circuits pour l’électronique de puissance dont l’évolution est fortement corrélée aux avancées des technologies de semi-conducteurs. L’utilisation de nouveaux procédés de fabrication basés sur l’usage de matériaux à large bande interdite et à haute mobilité́ constitue la prochaine révolution pour la réalisation de commutateurs et de diodes de puissance. Dans ce cadre, un savoir-faire a été développé pour la fabrication de circuits avec des composants actifs à base de GaN et de composants passifs. Ces activités se concentrent sur 5 axes majeurs : i) Simulation physique en utilisant Silvaco et Sentaurus ; ii) Procédé́ de fabrication de circuits MMICs complexes ; iii) Caractérisation et modélisation des dispositifs et du design kit; iv) après rétro-engineering, conception et caractérisation de convertisseurs de puissance et de circuits MMICs ; (v) Intégration sur puce de fonctions de contrôle, de sécurisation et de surveillance de dispositifs de puissance en matériau GaN. Ainsi et pour une certaine gamme de puissance, les transistors HEMT GaN sont beaucoup plus fiables, présentent de meilleurs rendements et permettent de gagner en densité́ de puissance par la montée en fréquence de fonctionnement.