Nous suivre Industrie Techno

2. Booster les performances des matériaux

CORINNE ZERBIB redaction@industrie-technologies.com

Sujets relatifs :

Composante clé de l'efficience des composants électroniques, les matériaux qui les constituent font l'objet de nombreux travaux de recherche. L'enjeu consiste non seulement à améliorer les performances du silicium mais aussi à tester de nouveaux semi-conducteurs, qui constituent des candidats prometteurs pour des applications variées.

Entre les usages exponentiels du numérique et de ses gigantesques data centers, les besoins de puissance décuplés des nouveaux véhicules hybrides et électriques et l'essor des systèmes de captation et de transformation des énergies renouvelables, la fourniture d'énergie électrique pourrait devenir insuffisante. C'est pourquoi les limites des matériaux classiques constituant les composants électroniques ont incité les industriels et laboratoires de recherche à investir fortement pour en améliorer l'efficience et trouver de nouveaux matériaux. L'enjeu est simple : il s'agit de trouver des gisements d'économie d'énergie à un coût de fabrication raisonnable, en utilisant une ressource fiable et facilement disponible. Une équation sur laquelle planchent de très nombreux chercheurs dans le monde, générant à la fois une richesse d'innovation et une forte concurrence.

Améliorer la conductivité du silicium

Le silicium reste pour l'instant de loin le premier matériau semi-conducteur utilisé. Les travaux se poursuivent sur ce matériau afin d'en améliorer les performances, en particulier en matière de consommation d'énergie. Ainsi, tout récemment, des physiciens français du laboratoire Physique de la matière condensée (CNRS / École polytechnique) et de l'Institut d'électronique, de micro-électronique et de nanotechnologie (CNRS / université de Lille 1 / université Valenciennes / ISEN / École centrale de Lille) associés à de physiciens suisses viennent de montrer que la technologie du silicium sous contrainte n'a pas encore atteint ses limites. Ils ont ainsi mesuré une amélioration de la conductivité du silicium au-delà de la pression d'un gigapascal en utilisant des échantillons de silicium épais de 400 micromètres et d'une surface de l'ordre du millimètre carré, tout en leur appliquant une pression pouvant atteindre jusqu'à 3 gigapascals. Les déformations du cristal de silicium sous l'effet de contraintes locales améliorent la mobilité des électrons : les composants sont alors plus rapides et moins énergivores.

En repoussant ainsi les limites du silicium, ce dernier devrait-il alors remplacer tous les autres matériaux, comme l'arséniure de gallium dans les composants radiofréquences ? En photonique, il pourrait servir à réaliser des composants passifs. Mais pas des composants actifs comme les diodes laser ou les LED. Pour les diodes, comme d'ailleurs pour les composants de puissance en nitrure de gallium, les recherches visent plutôt à utiliser le silicium comme substrat. L'intérêt est de réduire les coûts en les fabriquant sur des plaquettes de 6, 8 ou 12 pouces, comme pour les puces électroniques, alors que les LED actuelles sont produites sur des substrats en saphir de seulement 4 pouces. Ces composants conserveront encore pour longtemps leurs matériaux propres. Le tout silicium n'est pas pour demain.

Les composants de puissance constituent un champ déterminant pour l'amélioration de l'efficacité énergétique des équipements et réseaux de distribution électriques. L'utilisation de nouveaux matériaux dans la fabrication de ces composants contribuera majoritairement aux économies d'énergie.

À Tours, STMicroelectronics s'est particulièrement investi dans les diodes de puissance afin de réduire les pertes électriques tout en augmentant les tensions produites dans les convertisseurs d'énergie. Au coeur de l'innovation, le carbure de silicium : « Les technologies à base de diodes en silicium sont matures et couramment utilisées. Cependant, dans les nouvelles applications, comme les énergies renouvelables et le véhicule électrique, ces diodes ne satisfont pas les exigences des utilisateurs », explique Thierry Castagnet, responsable du marketing stratégique de la division ASD (Application Specific Devices) et Ipad (Integrated Passive and Active Devices) chez STMicroelectronics à Tours (Indre-et-Loire). « Les diodes en carbure de silicium peuvent commuter rapidement entre les états passant et bloqué, sans pâtir du phénomène de recouvrement inverse qui survient lors de la commutation de diodes bipolaires classiques. En utilisant le carbure de silicium, on va pouvoir exporter la structure et les caractéristiques des diodes Schottky en silicium de tensions inférieures à 200 V vers des tensions de 600 à 1 200 V voire 2 kV. » Résultat : le rendement énergétique du convertisseur passe de 90 % à 95 voire 97 % et sa taille est réduite d'environ 50 %. L'innovation est déjà bien avancée : la production, commencée depuis 2008, franchit un cap supplémentaire vers l'utilisation de masse avec l'introduction de séries 650 V et 1 200 V.

Les promesses du carbure de silicium et de la molybdénite

Le carbure de silicium constitue également un des trois axes des recherches réalisées par le Certem+ à Tours, qui opère ses tests dans les locaux mêmes de

STMicroelectronics. Le laboratoire s'inscrit dans le nouveau programme Tours 2015, sur 5 ans (2012 - 2016), qui vise l'étude et le développement de composants nouveaux destinés à la maîtrise avancée de l'énergie dans les dispositifs électroniques. « Le silicium atteint ses limites », considère le professeur Daniel Alquier, directeur adjoint du Greman et directeur scientifique du Certem+. « Nous travaillons sur le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Ces matériaux sont certes très anciens, mais bénéficient récemment de progrès technologiques importants réalisés par leurs fabricants. Désormais, ils sont accessibles à des coûts qui commencent à être raisonnables et à des diamètres de plaquettes intéressants. » Le SiC, jusqu'ici disponible seulement en plaquettes de 50 mm, est aujourd'hui fourni en 100 et bientôt en 150 mm et le matériau est désormais crédité du zéro défaut, donc utilisable pour les applications industrielles. Le GaN, connu pour ses propriétés optiques, et adapté aux composants de puissance, est actuellement utilisé pour les LED bleues en particulier et voit sa qualité également améliorée. « En utilisant des diodes SiC ou GaN dans les convertisseurs de puissance, qu'on retrouve notamment dans les alimentations des serveurs et des PC, on peut gagner quelques watts », indique le professeur Alquier. « Certes, 6 ou 7 watts par rapport aux 400 consommés, c'est peu, mais si on multiplie ce petit gain par le nombre d'appareils installés dans le monde, on économise la production d'une centrale électrique ! »

Parmi les autres matériaux prometteurs, la molybdénite (sulfure de molybène, MoS2) figure en bonne place. Alors que le silicium ne permet pas de faire des couches plus fines que 2 nanomètres, le minéral peut être travaillé en couches d'une épaisseur de trois atomes seulement. Mais surtout, les transistors en molybdénite peuvent être enclenchés et déclenchés beaucoup plus rapidement. Ces résultats ont été obtenus par Andras Kis, professeur assistant au Laboratoire d'électronique et structures à l'échelle nanométrique (Lanes) au sein de l'EPFL à Lausanne. Son équipe a mis au point un circuit intégré composé de transistors réalisés en MoS2.

Prochaine étape : les composants optiques

« La molybdénite est un minéral facile à trouver, et déjà utilisé dans l'industrie, un atout très important », explique Andras Kis. « J'ai choisi de travailler sur ce matériau car il présente de nombreux avantages par rapport aux matériaux classiques : outre son épaisseur très fine, il permet une consommation d'énergie réduite, et présente des propriétés mécaniques bien meilleures que le silicium. » Pour l'instant, le chercheur ne voit pas de limite aux applications de ce matériau qui pourrait en principe remplacer tout circuit électronique aujourd'hui fabriqué en silicium.

La prochaine révolution qui se prépare activement transformera un grand nombre de composants électroniques en composants optiques. Le silicium servira de support au transport à très haut débit des communications entre les différents éléments du circuit imprimé. La photonique sur silicium permettra ainsi une très forte augmentation des capacités de ces circuits, en consommant beaucoup moins d'énergie. « Le silicium devient alors un excellent guide optique, d'autant qu'on peut multiplexer dans un même guide 8 à 16 longueurs d'onde », explique Bruno Mourey qui dirige le département d'optronique au CEA-Leti. « Cette année, la consommation des data centers représente 3 % de la consommation électrique des États-Unis. C'est dire l'enjeu de cette technologie ! »

RENDEMENT

Le recours au carbure de silicium peut faire passer à 97 % le rendement énergétique de certains convertisseurs, contre 90 % habituellement. Source STMicroelectronics

Une LED à la luminosité augmentée

cOpter pour le graphène permet de renforcer la luminosité des LED verticales, donc de limiter leur consommation à brillance égale. C'est ce qu'a constaté une équipe de chercheurs de l'académie des sciences de Pékin et de l'université de Tsinghua. Contrairement à leurs homologues classiques, les LED verticales empilent les couches afin de contrôler le flux d'électrons. Problème : l'opacité de la couche conductrice supérieure limite l'émission de photons.Les scientifiques ont mis au point un procédé pour réaliser cette couche en graphène. Sur un substrat de saphir, des couches de nitrure de gallium sont déposées puis recouvertes d'un miroir métallique puis d'une couche de cuivre. Le substrat de saphir est ensuite ôté. Une couche conductrice en graphène prend alors sa place et reçoit une électrode. Les tests réalisés démontrent une luminosité augmentée d'environ 25 %. La LED ainsi réalisée supporte jusqu'à 9,35 volts pour 1 000 mA.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0948

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2012 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

[Pas à pas] Comment tirer parti de la réalité augmentée dans votre usine

[Pas à pas] Comment tirer parti de la réalité augmentée dans votre usine

Profitant des formidables progrès de l'informatique embarquée et de l'essor de l'usine 4.0, les exemples d'applications[…]

Stockae stationnaire : l'avenir est à l'hybridation

Stockae stationnaire : l'avenir est à l'hybridation

LES DONNÉES, CLÉ DE VOÛTE DE LA DOMOTIQUE

LES DONNÉES, CLÉ DE VOÛTE DE LA DOMOTIQUE

Bâtiments intelligents : des économies du sol au plafond

Bâtiments intelligents : des économies du sol au plafond

Plus d'articles