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Le nouveau matériau qui réduit les chargeurs de téléphone, alimente les voitures électriques et rend la 5G possible

by Nouvelles

Si vous lisez ceci sur un écran, il est probable que vous regardiez littéralement le futur.

Le gallium métallique est présent dans la plupart des écrans LED, ainsi que les lumières LED qui fournissent maintenant beaucoup d’éclairage intérieur. Et bien qu’il ne soit pas aussi connu que le silicium, il prend le relais dans de nombreux endroits où le silicium régnait autrefois en maître, des antennes aux briques de charge et autres systèmes de conversion d’énergie appelés « électronique de puissance ». Dans le processus, il permet une gamme surprenante de nouvelles technologies, des téléphones portables à charge plus rapide aux véhicules électriques plus légers, en passant par des centres de données plus économes en énergie qui exécutent les services et les applications que nous utilisons.

Sous-produit de l’extraction de l’aluminium de la roche, le gallium a une température de fusion si basse qu’il se transforme en un liquide blanc argenté qui coule lorsque vous tiens-le dans ta main. En soi, il n’est pas très utile. Combinez-le avec de l’azote, pour faire du nitrure de gallium, et il devient un cristal dur avec des propriétés précieuses. Il apparaît dans les capteurs laser utilisés dans de nombreuses voitures autonomes, les antennes qui permettent les réseaux sans fil cellulaires rapides d’aujourd’hui et, de plus en plus, dans l’électronique essentielle pour rendre la récolte d’énergie renouvelable plus efficace.

Bon nombre des choses les plus tangibles rendues possibles par le nitrure de gallium, également connu sous le nom de GaN, se produisent dans l’électronique de puissance. Aujourd’hui, vous pouvez acheter de petits chargeurs USB-C avec suffisamment de puissance pour alimenter votre ordinateur portable, votre téléphone et votre tablette simultanément, même s’ils ne sont pas plus gros que les versions beaucoup moins puissantes qui accompagnent nos gadgets depuis des années.

Après des années d’expédition d’iPhones avec une brique de charge horriblement lente, Apple l’a finalement tué. Joanna Stern du WSJ tue plus fort, puis recommande les meilleurs chargeurs rapides et options sans fil d’Anker, Aukey, Belkin et d’autres. Illustration photo : Preston Jessee pour le Wall Street Journal

L’électronique de puissance qui convertit un niveau de tension en un autre est également essentielle à de nombreux aspects des véhicules électriques. Ils sont plus petits, plus légers, plus efficaces et émettent moins de chaleur, de sorte que les véhicules électriques peuvent voyager plus loin avec une charge, explique Jim Witham, directeur général du fabricant de puces GaN Systems. Ces propriétés sont également excellentes pour extraire beaucoup plus d’électricité des sources d’énergie renouvelables telles que les panneaux solaires, ajoute-t-il. Même les petits gains d’efficacité dans la conversion de l’électricité s’additionnent lorsqu’ils se produisent plusieurs fois, comme dans un réseau à énergie renouvelable qui inclut le stockage par batterie.

Matériau miracle que le GaN soit, il fait face à la concurrence du silicium éprouvé et à une liste croissante de nouveaux matériaux qui montrent le potentiel de révolutionner notre électronique. Pourtant, ses usages se multiplient. GaN Systems a également des clients qui testent ses puces dans des centres de données, où la réduction de la consommation d’énergie et de la chaleur perdue peut se traduire par des économies massives sur les factures d’électricité. Aucun de ses clients de centres de données n’a publiquement reconnu avoir utilisé cette technologie.

Il fut un temps, il n’y a pas si longtemps, que le GaN n’était qu’une simple curiosité de laboratoire. Ensuite, le Pentagone s’est intéressé, à la recherche de nouveaux types d’électronique pour piloter les radars de nouvelle génération et les communications sans fil. À partir de 2000, le financement de Darpa, l’agence de recherche avancée du ministère de la Défense, a conduit l’expérimentation nécessaire pour surmonter de nombreux obstacles à sa commercialisation, dit Rachel Olivier, professeur de science des matériaux et directeur du Center for Gallium Nitride de l’Université de Cambridge.

Parallèlement à sa myriade d’applications dans le monde civil, le GaN apparaît désormais dans le matériel militaire utilisé pour tout, du brouillage radio à la défense antimissile, le tout rendu possible par ses propriétés uniques.

Contrairement au silicium, le GaN peut gérer des quantités relativement importantes d’électricité. Il a la propriété inhabituelle d’être à la fois très bon pour déplacer les électrons et très bon pour ne pas leur permettre d’aller là où vous ne voudriez pas qu’ils soient, ce qui le rend à la fois utile et relativement sûr, explique le Dr Oliver.

Forme métallique du gallium; les propriétés inhabituelles d’un composé cristallin, le nitrure de gallium, le rendent utile dans une gamme d’électronique de pointe.


Photo:

Gabriel Zimmer pour le Wall Street Journal

En plus de son talent pour conduire l’électricité, c’est la capacité du GaN à fonctionner à des fréquences beaucoup plus élevées que possible avec du silicium – entre 30 et 500 fois plus rapides dans les applications commerciales – qui permettent des chargeurs beaucoup plus petits ou fournissent plus de puissance que les chargeurs traditionnels.

Alors que notre monde entier devient de plus en plus électrifié, de nos sources d’énergie aux appareils qui l’utilisent, tout ce qui remplit plus efficacement la fonction critique mais facile à négliger de convertir l’électricité d’une forme à une autre a le potentiel de devenir à la fois omniprésent et une énorme source de revenus. C’est pourquoi il existe des dizaines de startups et d’entreprises établies dans cet espace, notamment Navitas Semiconductor, GaN Systems, Power Integrations, Texas Instruments, Infineon et STMicroelectronics.

Le marché de l’électronique de puissance GaN est cependant encore assez naissant. En 2019, l’ensemble du marché de tous les transistors était d’environ 16 milliards de dollars, alors que le marché du type proposé par Navitas, GaN Systems et d’autres était de 45 millions de dollars, a déclaré George Brocklehurst, vice-président de la recherche chez Gartner.

Il existe d’autres matériaux potentiellement révolutionnaires qui commencent à concurrencer le silicium, comme le graphène, mais les micropuces GaN ont l’avantage considérable de pouvoir être produites dans le même type d’installations de fabrication – appelées usines – qui fabriquent les micropuces conventionnelles, explique Stephen Oliver, directeur du marketing chez Navitas.


Toyota a récemment présenté un prototype de véhicule chargé d’électronique à base de nitrure de gallium.

Parce qu’elles ne nécessitent pas la technologie de fabrication de puces la plus avancée, les puces GaN peuvent être produites dans des usines plus anciennes et payantes qui pourraient autrement être inactives. Un effet secondaire heureux a été que l’offre de puces GaN n’a pas été rattrapée par la pénurie mondiale plus large de semi-conducteurs, explique M. Oliver. Les puces de Navitas sont actuellement fabriquées dans la plus ancienne usine encore exploitée par TSMC, le titan taïwanais de la fabrication de puces.

L’adoption du GaN est maintenant si répandue que les prix chutent rapidement. C’est pourquoi vous pouvez maintenant acheter un chargeur GaN pour 20 $ à 70 $ qui est meilleur à tous égards que ceux fournis avec vos gadgets.

Des entreprises comme GaN Systems poussent la technologie dans d’autres domaines. BMW et Toyota sont tous deux des investisseurs dans GaN Systems. En 2019, Toyota a présenté un prototype de véhicule doté d’une électronique de puissance entièrement basée sur GaN, du chargeur embarqué de la voiture à ses lumières LED.

Cela dit, les puces GaN ne sont pas un gagnant de slam-dunk. Les progrès de la science des matériaux ont généré une poignée de concurrents. L’électronique de puissance traditionnelle au silicium est toujours dominante dans la plupart des applications, et dans le monde automobile, le carbure de silicium, une alternative avec bon nombre des mêmes propriétés que le GaN, a des antécédents beaucoup plus longs, explique M. Brocklehurst de Gartner.

Un éventail de substances prometteuses mais moins bien comprises pourrait donner à toutes celles mentionnées précédemment un bon rapport qualité-prix, y compris l’oxyde de gallium et l’oxyde d’aluminium. Les deux sont des semi-conducteurs qui peuvent être transformés en micropuces, explique le Dr Oliver.

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Là où la révolution matérielle n’a pas pris racine, c’est sur le plus grand marché des semi-conducteurs : les processeurs qui alimentent nos ordinateurs. Jusqu’à récemment, dit le Dr Oliver, le GaN n’a fait que la moitié des choses qu’un transistor au silicium traditionnel peut faire.

Jusqu’à présent, GaN ne peut pas gérer les flux de courant électrique nécessaires pour exécuter le type de calculs effectués par les puces logiques traditionnelles en silicium. Mais des découvertes récentes suggèrent que cela pourrait changer.

« Si vous m’aviez demandé il y a quelques années si nous verrions GaN pour la logique, je dirais : ‘Oh, ne sois pas stupide’ », dit-elle. « Mais maintenant, c’est possible et cela peut conduire à des appareils plus rapides. »

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