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Le nitrure de gallium, un candidat très prometteur pour l’électronique moderne

Depuis que, dans le courant du siècle dernier, on découvrit que les semi-conducteurs pouvaient servir à la fabrication de dispositifs électroniques, c'est une véritable révolution technologique qui s'est produite dans le domaine des applications électroniques et qui s'est traduite par un "bond en avant" pour la société.

Le département américain de l’Énergie a alloué 70 millions de dollars à son investigation.

L’adoption de ce matériau pour l’électronique d’éclairage et d’énergie pourrait réduire la consommation mondiale d’énergie de 25 %

L’université de Cambridge et l’institut technologique de Massachusetts ont créé des groupes de recherche spécialisés dans l’exploration de ses applications électroniques.

 

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Depuis que, dans le courant du siècle dernier, on découvrit que les semi-conducteurs pouvaient servir à la fabrication de dispositifs électroniques, c’est une véritable révolution technologique qui s’est produite dans le domaine des applications électroniques et qui s’est traduite par un «bond en avant» pour la société. Outre le silicium et le graphène (auxquels ce blog a consacré deux longs articles), l’un de ces matériaux «vedette» est le nitrure de gallium (GaN).

 

Wikimedia Commons
Wikimedia Commons

Les plus importants centres de recherche se sont penchés sur son étude

L’université de Cambridge a créé un centre qui se consacre à son étude (The Cambridge Centre for Gallium Nitride). Elle n’ignore pas que ce semi-conducteur est destiné à être un matériau clé pour la prochaine génération de transistors à haute fréquence et à forte puissance, capables de fonctionner dans des conditions de température élevée. Ce n’est cependant qu’un domaine d’étude parmi d’autres. En effet bien d’autres sont explorés en collaboration avec des universités et des industries du monde entier.

 

Photo : Bryce Vickmark (Web du MIT).
Photo : Bryce Vickmark (Web du MIT).

L’Institut technologique de Massachusetts (MIT) consacre lui aussi d’importants moyens à son étude. Tomás Palacios – principal chercheur des laboratoires de technologie des microsystèmes de l’institut – a consacré sa thèse doctorale au nitrure de gallium, l’un des trois matériaux qu’il juge «extrêmes» et qu’il investigue avec son groupe de travail (les deux autres sont le graphène et les matériaux à deux dimensions, soit des cristaux n’ayant que quelques atomes d’épaisseur). Le but de l’équipe est de développer des applications pour l’électronique qui, par delà leur intérêt scientifique, résultent en une technologie et en des produits utiles à la société.

Le nitrure de gallium supporte 10 fois plus de voltage que le silicium

Comme l’explique Tomás Palacios (jeune et brillant scientifique espagnol né en Andalousie et plusieurs fois récompensé) sur le site de l’institut, le nitrure de gallium est un matériel «extrême» car il est capable de supporter dix fois plus de voltage que le silicium, lequel constitue la base de la plupart des dispositifs électroniques actuels. En raison de cette caractéristique, il promet d’être un redoutable candidat pour les nouveaux types de transformateurs (dispositifs électroniques de puissance), comme ceux qui sont utilisés dans les réseaux d’électricité pour transformer les 110 volts en des tensions inférieures ou supérieures.

 

Image : site de l'université de Cambridge. Le nitrure de gallium est un alliage binaire de semi-conducteurs du groupe III/V à bande interdite directe qui s'utilise dans des diodes émettrices de lumière depuis les années 1990 (Wikipédia).
Image : site de l’université de Cambridge. Le nitrure de gallium est un alliage binaire de semi-conducteurs du groupe III/V à bande interdite directe qui s’utilise dans des diodes émettrices de lumière depuis les années 1990 (Wikipédia).

En raison de sa haute tolérance aux tensions élevées, le nitrure de gallium pourrait permettre la création de dispositifs électroniques fonctionnant à une fréquence bien plus grande que l’actuelle. Par exemple, nos téléphones portables opèrent à quelques gigahertz (GHz) et certains systèmes sans fil fonctionnent à environ 20, 30 ou 40 GHz. Le nitrure de gallium “admettrait” d’augmenter ces fréquences plusieurs centaines de fois, jusqu’à atteindre même les térahertz. De fait, un prototype, qualifié comme l’un des plus rapides du monde, a déjà été développé.

Les États-Unis investissent 70 millions de dollars dans son investigation

En mai dernier, le département de l’énergie des États-Unis (DoE) annonçait qu’il allait destiner 140 millions de dollars à la recherche sur les systèmes électroniques de puissance. La moitié de ce montant serait destiné à poursuivre l’étude du nitrure de gallium et de ses applications. Au moment de cette annonce, le DoE a cité une étude affirmant que l’adoption du nitrure de gallium, pour l’éclairage comme pour les transformateurs, pourrait se traduire par une réduction de 25 % de la consommation d’énergie mondiale.

Les LED fondés sur le GaN domineront le marché

Los nitrures ont également permis d’agrandir l’éventail  de fonctionnement des LED et des diodes laser jusqu’à la région de l’ultraviolet, ce qui a ouvert de nouvelles voies aux secteurs de l’éclairage, des télécommunications et de l’électronique de consommation.

 

Les tours d'éclairage transportables d'Inmesol utilisent des LED.
Les tours d’éclairage transportables d’Inmesol utilisent des LED.

D’après une intéressante monographie, très détaillée,publiée par le ministère espagnol de la Défense (Tecnologías de semiconductores GaN y SIC), il est très probable que, vers 2025, les LED fondés sur le GaN domineront le marché et finiront par remplacer les traditionnelles ampoules à incandescence.

 

Sources :

Observatorio Tecnológico de Electrónica
The Cambridge Centre for Gallium Nitride: http://www.gan.msm.cam.ac.uk/
MIT