Le nitrure de gallium est le silicium du futur

Anker a présenté sa nouvelle brique électrique minuscule, et la société attribue sa petite taille au composant qu’elle utilise à la place du silicium : le nitrure de gallium (GaN). C’est le dernier exemple de la popularité croissante de ce matériau transparent, semblable au verre, qui pourrait un jour détrôner le silicium et réduire la consommation d’énergie dans le monde entier.

Depuis des décennies, le silicium est l’épine dorsale de l’industrie technologique, mais nous « atteignons une limite théorique sur la façon dont il peut être amélioré », dit Danqing Wang, un candidat au doctorat à l’Université Harvard qui mène des recherches sur le GaN. Tous les matériaux ont une « bande interdite », qui est liée à leur capacité à conduire l’électricité. Le GaN a une bande interdite plus large que le silicium, ce qui signifie qu’il peut supporter des tensions plus élevées que le silicium, et que le courant peut traverser le dispositif plus rapidement, explique Martin Kuball, physicien à l’université de Bristol, qui dirige un projet sur le GaN dans l’électronique de puissance. (Dans la vidéo, ci-dessus, Kuball aide à expliquer le GaN alors que l’équipe de Verge Science démonte le nouveau chargeur d’Anker.)

En conséquence, l’électronique GaN est beaucoup plus efficace que ses homologues en silicium, et elle perd moins d’énergie. « Vous pouvez faire des choses très petites, ou vous pouvez emballer plus de GaN dans la même zone », dit Wang. « Les performances sont meilleures ». Et lorsque vous perdez moins d’énergie, non seulement vous pouvez rendre les dispositifs de charge plus petits, mais vous pouvez également utiliser moins d’énergie en premier lieu. Selon Kuball, remplacer toute l’électronique actuelle par du GaN pourrait potentiellement réduire la consommation d’énergie de 10 ou 25 %.

Plus, parce que le GaN peut survivre à des températures plus élevées que le silicium, son utilisation peut influencer la conception dans des environnements plus compliqués. Actuellement, les composants électroniques d’une voiture sont montés loin du moteur pour éviter qu’ils ne deviennent trop chauds, explique M. Kuball. Le GaN efface cette contrainte et pourrait ouvrir de nouvelles possibilités qui changeront la façon dont les voitures seront conçues à l’avenir.

Le matériau est depuis longtemps dominant dans un autre domaine : les lasers et la photonique. Le GaN est l’un des rares matériaux à émettre de la lumière bleue ; il est utilisé dans les disques Blu-ray pour rendre possible la lecture des disques. Il est également fréquemment utilisé dans les LED. L’équipe de Wang fabrique de minuscules lasers GaN de la taille d’un micron – soit 1/100e de la taille d’un cheveu humain et trop petit pour être vu à l’œil nu – qui peuvent être utilisés dans les microscopes pour rendre la recherche plus précise.

Photonique mise à part, pourquoi n’avons-nous pas encore remplacé le silicium par le GaN ? « Le silicium est très mature », explique M. Kuball. « Les gens y sont habitués et font cela depuis longtemps, et évidemment, ce que l’on constate quand on introduit un nouveau type de matériau ou d’électronique, c’est qu’il faut continuer à le tester pour en vérifier la fiabilité. » Le GaN n’est pas non plus un matériau parfait, ajoute Wang, car certaines méthodes de croissance peuvent provoquer des défauts qui le rendent moins efficace.

Mais nous sommes habitués au silicium. Il est bon marché, et toutes les techniques de fabrication sont déjà mises en place pour lui. Le GaN est encore un peu plus cher. « Il faut un certain effort pour passer au nitrure de gallium », dit Wang, même si elle souligne que certaines personnes cherchent des moyens de faire croître des cristaux de nitrure de gallium au-dessus du silicium dans l’espoir de profiter des plateformes de fabrication existantes. Pour sa part, Anker affirme que, bien que le GaN soit plus cher que le silicium à l’heure actuelle, les chargeurs GaN nécessitent moins de composants que les chargeurs en silicium, ce qui rend leur prix compétitif. La société espère utiliser les matériaux GaN dans d’autres composants, y compris les batteries portables.

Les grands fabricants de semi-conducteurs comme Texas Instruments et Nexperia ont des programmes de recherche GaN, selon Kuball, et les startups qui travaillent sur cette technologie ne manquent pas. Pourtant, nous n’avons pas encore vu le véritable impact du GaN dans le domaine de l’électronique de puissance. « Ces petits adaptateurs sont un beau jouet, mais là où le GaN sera vraiment important, c’est dans les convertisseurs pour les voitures électriques et le photovoltaïque », ajoute M. Kuball. En attendant, « c’est une petite chose cool d’avoir quelque chose de plus petit ».

Mise à jour le 12 février 2019, 10h00 ET : Cet article a été initialement publié le 2 novembre 2018, et il a été mis à jour pour inclure la vidéo.

Mise à jour le 2 novembre 2018, 9:20 AM : Cet article a été mis à jour pour inclure une déclaration d’Anker.