La pénurie mondiale de semi-conducteurs retarde la production de tout, des réfrigérateurs aux micro-ondes en passant par les consoles de jeux et les smartphones. Les experts disent que la reprise de l’industrie pourrait prendre des mois, mais en réalité, la pénurie change à jamais l’électronique grand public.
L’industrie dépend du silicium depuis des décennies, mais la pénurie de puces contribue à rendre les appareils électroniques plus respectueux de l’environnement, plus efficaces et plus petits. De plus en plus d’entreprises se tournent vers le nitrure de gallium (GaN), car il est plus facile et plus rapide à produire que les puces en silicium, entre autres avantages.
TechRadar Pro s’est entretenu avec Stephen Oliver, vice-président du marketing d’entreprise et des relations avec les investisseurs chez Navitas Semiconductor, pour découvrir comment la pénurie affecte l’électronique grand public et éloigne l’industrie du silicium. Navitas fournit des puces GaN à des entreprises telles que Anker, Aukey, Belkin, Dell, Hyper, Lenovo, OPPO, RAVPower, Verizon et des dizaines d’autres.
Sommaire
Qu’est-ce que le GaN et pourquoi est-il si important ?
Combinant du gallium (numéro atomique 31) et de l’azote (numéro atomique 7), le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur à large bande interdite avec une structure cristalline hexagonale dure. La bande interdite est l’énergie nécessaire pour libérer un électron de son orbite autour du noyau et, à 3,4 eV, la bande interdite du nitrure de gallium est plus de trois fois celle du silicium, d’où la désignation de bande interdite «large» ou WBG.
Comme la bande interdite détermine le champ électrique auquel un matériau peut résister, la bande interdite plus large du nitrure de gallium permet le développement de semi-conducteurs avec des régions d’appauvrissement très courtes ou étroites, conduisant à des structures de dispositifs avec une densité de porteurs très élevée. Avec des transistors beaucoup plus petits et des chemins de courant plus courts, une résistance et une capacité ultra-faibles sont obtenues, permettant des vitesses jusqu’à 100 fois plus rapides.
L’essentiel est que la technologie GaN peut gérer des champs électriques plus importants dans un facteur de forme beaucoup plus petit que le silicium conventionnel tout en offrant une commutation beaucoup plus rapide. De plus, les technologies GaN peuvent fonctionner à des températures maximales plus élevées que leurs homologues à base de silicium.
Le GaN gagne en importance en raison de sa capacité à offrir des performances considérablement améliorées dans une large gamme d’applications tout en réduisant l’énergie et l’espace physique nécessaires pour fournir ces performances par rapport aux technologies silicium conventionnelles. Dans certaines applications où le silicium en tant que plate-forme de conversion de puissance a atteint ses limites physiques, les technologies de nitrure de gallium deviennent essentielles, tandis que dans d’autres, les avantages de l’efficacité, de la vitesse de commutation, de la taille et du fonctionnement à haute température se combinent pour rendre le GaN de plus en plus attrayant.
Alors que les besoins mondiaux en énergie augmentent, le passage à la technologie GaN aidera à répondre à la demande tout en maintenant les émissions de carbone au minimum. En effet, il a été démontré que la conception et l’intégration de GaN fournissent des semi-conducteurs de puissance de nouvelle génération avec une empreinte carbone dix fois inférieure à celle des puces de silicium plus anciennes et plus lentes. Pour étayer davantage les arguments en faveur du GaN, on estime qu’une mise à niveau du centre de données mondial Si vers GaN réduirait les pertes d’énergie de 30 à 40 %, ce qui se traduirait par une économie de plus de 100 TWHr et de 125 millions de tonnes d’émissions de CO2 d’ici 2030.
Comment est fabriqué le gallium ?
Le gallium n’existe pas sous forme élémentaire dans la nature. Il est généralement dérivé en tant que sous-produit de la fusion du minerai de bauxite en aluminium et du traitement du minerai de sphalérite pour le zinc, il a donc une très faible empreinte carbone d’extraction et de raffinage.
Combien coûte le gallium ?
Plus de 300 tonnes de gallium sont produites chaque année, avec plus d’un million de tonnes estimées en réserves dans le monde. Comme il s’agit d’un sous-produit de transformation, son coût est relativement faible, à environ 300 $/kg, soit 200 fois moins que l’or, à environ 60 000 $/kg.
Où le GaN est-il utilisé en électronique ?
Le nitrure de gallium est utilisé depuis longtemps dans la production de LED et de composants RF, mais il est maintenant en train de devenir une acceptation générale dans un nombre croissant d’applications de commutation et de conversion de puissance. Ici, les circuits intégrés à base de GaN peuvent répondre aux demandes d’amélioration des performances et de l’efficacité du système, d’économiser de l’espace et de fournir un fonctionnement fiable à des températures plus élevées.
Dans les téléphones et les ordinateurs portables, les signaux GSM et Wi-Fi sont transmis et reçus à l’aide d’appareils RF GaN, tandis que les chargeurs et adaptateurs qui alimentent ces appareils intègrent de plus en plus GaN. En effet, le plus grand marché de l’alimentation GaN est actuellement celui de la charge rapide mobile, où les circuits intégrés d’alimentation GaN peuvent permettre une charge trois fois plus rapide dans des adaptateurs deux fois plus petits et moins lourds que les conceptions lentes à base de silicium. De plus, pour les chargeurs à sortie unique, le prix de lancement de GaN au détail est environ la moitié de celui des chargeurs au silicium les meilleurs de sa catégorie et jusqu’à trois fois inférieur dans le cas des chargeurs à sorties multiples.
Des semi-conducteurs de puissance au nitrure de gallium sont également déployés dans les serveurs des centres de données. À mesure que le trafic du centre de données s’accélère, la capacité du silicium à traiter la puissance de manière efficace et efficiente se heurte aux obstacles liés au « matériel physique ». En conséquence, l’ancienne puce de silicium lente est dépassée par les circuits intégrés de nitrure de gallium à grande vitesse.
La consolidation du matériel du centre de données, une nouvelle approche d’architecture HVDC et la fiabilité éprouvée des circuits intégrés d’alimentation GaN hautement intégrés de production en série permettent des améliorations majeures de l’efficacité. Le déploiement de GaN représente donc une autre étape vers les objectifs « Net-Zéro » carbone pour l’industrie des centres de données.
Dans l’industrie automobile, le nitrure de gallium devient la technologie de choix pour la conversion de puissance et le chargement des batteries dans les véhicules hybrides et électriques. Les produits énergétiques à base de GaN sont également de plus en plus présents dans les onduleurs utilisés par les installations d’énergie solaire et dans les schémas de conversion de puissance des moteurs et autres applications industrielles.
Pourquoi le GaN n’est-il pas impacté par la pénurie actuelle de puces ?
Le silicium est une marchandise, les fabricants doivent donc fonctionner à un pourcentage de charge élevé, 3 équipes, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 pour gagner de l’argent, avec de longs délais de livraison et des investissements élevés pour augmenter la capacité. Il est très difficile pour les fabricants de puces de silicium de démarrer et de s’arrêter (en raison de l’incertitude de Covid), et il y a une flexibilité très limitée pour récupérer de tout arrêt
D’un autre côté, GaN a un délai d’exécution très rapide de douze semaines avec une capacité de réserve pour augmenter rapidement, contre plus de 52 semaines pour certains dispositifs au silicium. Le GaN peut être produit plus efficacement que le silicium et le processus de fabrication est plus flexible, ce qui fait que le GaN n’est pas impacté comme le silicium.
Le GaN remplacera-t-il un jour le silicium ?
Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau à «large bande interdite» (WBG), la bande interdite étant l’énergie nécessaire pour libérer un électron de son orbite autour du noyau et lui permettre de se déplacer librement à travers le solide. Ceci, à son tour, détermine le champ électrique que le solide est capable de supporter.
Le silicium (Si) a une bande interdite de 1,1 eV, tandis que le GaN a une bande interdite de 3,4 eV. Comme le matériau WBG permet des champs électriques élevés, les régions d’appauvrissement peuvent être très courtes ou étroites, de sorte que les structures de dispositifs peuvent avoir une densité de porteurs plus élevée et être très denses.
Par exemple, un transistor GaN latéral 650 V typique peut supporter plus de 800 V et a une région de dérive de drain de 10-20 µm, soit environ 40-80 V/µm. C’est nettement au-dessus de la limite théorique du silicium, qui est d’environ 20 V/µm. Cependant, il est encore bien en deçà de la limite de bande interdite d’environ 300 V/µm, laissant une marge substantielle pour des améliorations générationnelles dans les dispositifs GaN latéraux à l’avenir.
En termes de dispositif, le facteur de mérite dérivé du produit de la résistance normalisée (RDS (ON)) et de la charge de grille (QG) peut être de cinq à vingt fois meilleur que le silicium, selon la mise en œuvre. En facilitant des transistors beaucoup plus petits et des chemins de courant plus courts, une résistance et une capacité ultra-faibles sont obtenues et les vitesses de commutation sont jusqu’à cent fois plus rapides.
Afin d’exploiter pleinement la capacité des circuits intégrés de puissance GaN, le reste du circuit doit également pouvoir fonctionner efficacement à des fréquences plus élevées. Ces dernières années, des circuits intégrés de contrôle ont été introduits pour prendre des fréquences de commutation de 65-100 kHz jusqu’à 1 MHz+, avec de nouveaux contrôleurs en développement. Les microcontrôleurs et les processeurs de signaux numériques (DSP) peuvent également être utilisés pour mettre en œuvre les topologies de circuits de commutation douce d’aujourd’hui, tandis qu’une large gamme de matériaux magnétiques optimisés pour la plage 1-2 MHz est désormais disponible.
Les circuits intégrés de puissance GaN combinent des avantages en termes de fréquence, de densité et d’efficacité dans les topologies en demi-pont telles que le retour à pince active, le totem-pole PFC et LLC. Avec un changement de topologies à commutation dure à douce, l’équation de perte générale pour un FET primaire peut être minimisée, conduisant à une efficacité améliorée à des fréquences 10 fois plus élevées.
GaN est traité à l’aide d’un équipement CMOS 250-350 nm pour des tailles de caractéristiques relativement importantes pour le traitement de puissance. Les processeurs et les GPU utilisent du silicium à ~ 1 V – et utilisent des équipements de traitement inférieurs à 10 nm pour obtenir des tailles de caractéristiques très fines pour le traitement numérique. Donc, le point optimal est d’utiliser du GaN pour la « conversion de puissance » et du silicium pour le « traitement des données ».
Quel avenir pour le GaN ?
Avec des performances record, les circuits intégrés de puissance au nitrure de gallium sont le catalyseur d’une deuxième révolution dans l’électronique de puissance. GaN couvre actuellement une plage de tension d’appareil de 80 à 900 V – avec des travaux de recherche en cours pour la faire baisser et augmenter.
