Le nitrure de gallium et le carbure de silicium se battent pour la domination des technologies vertes

Peu importe lequel gagne, ils réduiront les gaz à effet de serre de milliards de tonnes

Les plaquettes semi-conductrices de nitrure de gallium reflètent bien l'auteur Umesh Mishra.

Les semi-conducteurs avancés peuvent-ils réduire suffisamment les émissions de gaz à effet de serre pour faire une différence dans la lutte contre le changement climatique ? La réponse est un oui retentissant. Un tel changement est en fait bien engagé.

À partir de 2001 environ, le nitrure de gallium semi-conducteur composé a fomenté une révolution dans l'éclairage qui a été, selon certaines mesures, le changement technologique le plus rapide de l'histoire de l'humanité. En seulement deux décennies, la part du marché mondial de l'éclairage détenue par les diodes électroluminescentes à base de nitrure de gallium est passée de zéro à plus de 50 %, selon une étude de l'Agence internationale de l'énergie. La firme de recherche Mordor Intelligence a récemment prédit que, dans le monde entier, l'éclairage LED sera responsable de la réduction de 30 à 40 % de l'électricité utilisée pour l'éclairage au cours des sept prochaines années. À l'échelle mondiale, l'éclairage représente environ 20 % de la consommation d'électricité et 6 % des émissions de dioxyde de carbone, selon le Programme des Nations Unies pour l'environnement.

Chaque tranche contient des centaines de transistors de puissance à la pointe de la technologiePeter Adams

Cette révolution est loin d'être terminée. En effet, il est sur le point de passer à un niveau supérieur. La technologie même des semi-conducteurs qui a transformé l'industrie de l'éclairage, le nitrure de gallium (GaN), fait également partie d'une révolution de l'électronique de puissance qui prend actuellement de l'ampleur. C'est l'un des deux semi-conducteurs - l'autre étant le carbure de silicium (SiC) - qui ont commencé à remplacer l'électronique à base de silicium dans les catégories énormes et vitales de l'électronique de puissance.

Les dispositifs GaN et SiC fonctionnent mieux et sont plus efficaces que les composants en silicium qu'ils remplacent. Il existe d'innombrables milliards de ces appareils partout dans le monde, et beaucoup d'entre eux fonctionnent pendant des heures chaque jour, de sorte que les économies d'énergie vont être substantielles. L'essor de l'électronique de puissance GaN et SiC aura finalement un impact positif plus important sur le climat de la planète que le remplacement de l'éclairage à incandescence et d'autres éclairages traditionnels par des LED GaN.

Pratiquement partout où le courant alternatif doit être transformé en courant continu ou vice versa, il y aura moins de watts gaspillés. Cette conversion se produit dans le chargeur mural de votre téléphone ou de votre ordinateur portable, dans les chargeurs et onduleurs beaucoup plus grands qui alimentent les véhicules électriques, et ailleurs. Et il y aura des économies similaires alors que d'autres bastions du silicium tomberont également dans les nouveaux semi-conducteurs. Les amplificateurs de station de base sans fil font partie des applications croissantes pour lesquelles ces semi-conducteurs émergents sont clairement supérieurs. Dans l'effort d'atténuation du changement climatique, l'élimination du gaspillage dans la consommation d'énergie est le fruit à portée de main, et ces semi-conducteurs sont la façon dont nous allons le récolter.

Il s'agit d'un nouvel exemple d'un schéma familier dans l'histoire de la technologie : deux innovations concurrentes qui se concrétisent en même temps. Comment tout cela va-t-il s'effondrer ? Dans quelles applications le SiC dominera-t-il et dans lesquelles le GaN prévaudra-t-il ? Un examen attentif des forces relatives de ces deux semi-conducteurs nous donne des indices solides.

Avant d'en venir aux semi-conducteurs eux-mêmes, examinons d'abord pourquoi nous en avons besoin. Pour commencer : la conversion de puissance est partout. Et cela va bien au-delà des petits chargeurs muraux qui alimentent nos smartphones, tablettes, ordinateurs portables et d'innombrables autres gadgets.

La conversion de puissance est le processus qui transforme l'électricité de la forme disponible à la forme requise pour qu'un produit remplisse sa fonction. Une partie de l'énergie est toujours perdue lors de cette conversion, et comme certains de ces produits fonctionnent en continu, les économies d'énergie peuvent être énormes. Considérez: La consommation d'électricité dans l'État de Californie est restée essentiellement stable à partir de 1980, alors même que la production économique de l'État montait en flèche. L'une des principales raisons pour lesquelles la demande est restée stable est que l'efficacité des réfrigérateurs et des climatiseurs a énormément augmenté au cours de cette période. Le facteur le plus important de cette amélioration a été l'utilisation d'entraînements à vitesse variable basés sur le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) et d'autres composants électroniques de puissance, qui ont considérablement augmenté l'efficacité.

Sur les marchés des transistors de puissance haute tension, les dispositifs au nitrure de gallium dominent dans les applications inférieures à environ 400 volts, tandis que le carbure de silicium a maintenant l'avantage pour 800 V et plus (les marchés sont relativement petits au-dessus d'environ 2 000 V). Le paysage de l'important champ de bataille entre 400 et 1 000 V changera à mesure que les dispositifs GaN s'amélioreront. Par exemple, avec l'introduction des transistors GaN 1 200 V, attendus en 2025, la bataille va s'engager sur le très important marché des onduleurs pour véhicules électriques.Chris Philpot

Le SiC et le GaN vont permettre des réductions d'émissions bien plus importantes. Les technologies à base de GaN pourraient à elles seules permettre d'économiser plus d'un milliard de tonnes de gaz à effet de serre en 2041 rien qu'aux États-Unis et en Inde, selon une analyse des données accessibles au public par Transphorm, une société d'appareils GaN que j'ai cofondée en 2007. les données proviennent de l'Agence internationale de l'énergie, de Statista et d'autres sources. La même analyse indique une économie d'énergie de 1 400 térawattheures, soit 10 à 15 % de la consommation d'énergie prévue par les deux pays cette année-là.

Comme un transistor ordinaire, un transistor de puissance peut agir comme un dispositif d'amplification ou comme un interrupteur. Un exemple important du rôle d'amplification est dans les stations de base sans fil, qui amplifient les signaux pour les transmettre aux smartphones. Partout dans le monde, le semi-conducteur utilisé pour fabriquer les transistors de ces amplificateurs passe d'une technologie au silicium appelée semi-conducteur à oxyde métallique à diffusion latérale (LDMOS) au GaN. La technologie la plus récente présente de nombreux avantages, notamment une amélioration de l'efficacité énergétique de 10 % ou plus selon les fréquences. Dans les applications de conversion de puissance, en revanche, le transistor agit comme un interrupteur plutôt que comme un amplificateur. La technique standard est appelée modulation de largeur d'impulsion. Dans un type courant de contrôleur de moteur, par exemple, des impulsions d'électricité à courant continu sont transmises à des bobines montées sur le rotor du moteur. Ces impulsions créent un champ magnétique qui interagit avec celui du stator du moteur, ce qui fait tourner le rotor. La vitesse de cette rotation est contrôlée en modifiant la longueur des impulsions : un graphique de ces impulsions est une onde carrée, et plus les impulsions sont "on" plutôt que "off", plus la vitesse de rotation et le couple fournis par le moteur. Les transistors de puissance effectuent la commutation marche-arrêt.

Cet article a été produit conjointement par IEEE Spectrum et Actes de l'IEEE avec des versions similaires publiées dans les deux publications.

Pour en savoir plus sur le rôle des électrotechnologies dans la limitation du changement climatique, ceux qui ont accès à IEEE Xplore peuvent télécharger un numéro spécial complet sur le sujet.

La modulation de largeur d'impulsion est également utilisée dans les alimentations à découpage, l'un des exemples les plus courants de conversion de puissance. Les alimentations à découpage sont du type utilisé pour alimenter pratiquement tous les ordinateurs personnels, appareils mobiles et appareils fonctionnant en courant continu. Fondamentalement, la tension alternative d'entrée est convertie en courant continu, puis ce courant continu est "haché" en une onde carrée à courant alternatif haute fréquence. Ce hachage est effectué par des transistors de puissance, qui créent l'onde carrée en activant et désactivant le courant continu. L'onde carrée est appliquée à un transformateur qui modifie l'amplitude de l'onde pour produire la tension de sortie souhaitée. Pour obtenir une sortie CC stable, la tension du transformateur est redressée et filtrée.

Le point important ici est que les caractéristiques des transistors de puissance déterminent, presque entièrement, la capacité des circuits à effectuer une modulation de largeur d'impulsion et, par conséquent, l'efficacité avec laquelle le contrôleur régule la tension. Un transistor de puissance idéal, lorsqu'il est à l'état bloqué, bloquerait complètement le flux de courant même lorsque la tension appliquée est élevée. Cette caractéristique est appelée intensité de champ de claquage électrique élevée et indique la tension que le semi-conducteur est capable de supporter. En revanche, lorsqu'il est à l'état passant, ce transistor idéal aurait une très faible résistance au passage du courant. Cette caractéristique résulte de la très grande mobilité des charges - électrons et trous - au sein du réseau cristallin du semi-conducteur. Considérez l'intensité du champ de claquage et la mobilité de la charge comme le yin et le yang d'un semi-conducteur de puissance.

Les transistors GaN sont très inhabituels car la majeure partie du courant qui les traverse est due à la vitesse des électrons plutôt qu'à la charge des électrons.

Le GaN et le SiC se rapprochent beaucoup plus de cet idéal que les semi-conducteurs au silicium qu'ils remplacent. Tout d'abord, considérez l'intensité du champ de claquage. Le GaN et le SiC appartiennent tous deux à une classe appelée semi-conducteurs à large bande interdite. La bande interdite d'un semi-conducteur est définie comme l'énergie, en électron-volts, nécessaire pour qu'un électron du réseau semi-conducteur saute de la bande de valence à la bande de conduction. Un électron dans la bande de valence participe à la liaison des atomes dans le réseau cristallin, tandis que dans la bande de conduction, les électrons sont libres de se déplacer dans le réseau et de conduire l'électricité.

Dans un semi-conducteur à large bande interdite, les liaisons entre les atomes sont fortes et le matériau est donc généralement capable de résister à des tensions relativement élevées avant que les liaisons ne se rompent et que le transistor ne se décompose. La bande interdite du silicium est de 1,12 électron-volt, contre 3,40 eV pour le GaN. Pour le type de SiC le plus courant, la bande interdite est de 3,26 eV. [Voir le tableau ci-dessous, "La ménagerie à large bande"]

La vitesse de fonctionnement et la capacité de bloquer la haute tension sont deux des caractéristiques les plus importantes d'un transistor de puissance. Ces deux qualités sont à leur tour déterminées par des paramètres physiques clés des matériaux semi-conducteurs utilisés pour fabriquer le transistor. La vitesse est déterminée par la mobilité et la vitesse des charges dans le semi-conducteur, tandis que le blocage de la tension est établi par la bande interdite du matériau et le champ de claquage électrique. Source : The Application of Third Generation Semiconductor in Power Industry, Yuqian Zhang, E3S Web of Conferences, Volume 198 , 2020

Examinons maintenant la mobilité, qui est donnée en unités de centimètres carrés par volt seconde (cm 2/V·s). Le produit de la mobilité et du champ électrique donne la vitesse de l'électron, et plus la vitesse est élevée, plus le courant transporté est élevé pour une quantité donnée de charge en mouvement. Pour le silicium, ce chiffre est de 1 450 ; pour le SiC il est d'environ 950 ; et pour GaN, environ 2 000. La valeur exceptionnellement élevée du GaN est la raison pour laquelle il peut être utilisé non seulement dans les applications de conversion de puissance, mais également dans les amplificateurs micro-ondes. Les transistors GaN peuvent amplifier des signaux avec des fréquences aussi élevées que 100 gigahertz, bien au-dessus des 3 à 4 GHz généralement considérés comme le maximum pour le silicium LDMOS. Pour référence, les fréquences d'ondes millimétriques de la 5G plafonnent à 52,6 GHz. Cette bande 5G la plus élevée n'est pas encore largement utilisée, cependant, des fréquences allant jusqu'à 75 GHz sont déployées dans les communications paraboliques, et les chercheurs travaillent maintenant avec des fréquences aussi élevées que 140 GHz pour les communications en chambre. L'appétit pour la bande passante est insatiable.

Ces chiffres de performance sont importants, mais ce ne sont pas les seuls critères par lesquels GaN et SiC doivent être comparés pour une application particulière. D'autres facteurs critiques incluent la facilité d'utilisation et le coût, à la fois pour les appareils et les systèmes dans lesquels ils sont intégrés. Pris ensemble, ces facteurs expliquent où et pourquoi chacun de ces semi-conducteurs a commencé à remplacer le silicium et comment leur future concurrence pourrait s'effondrer.

Le premier transistor SiC commercialement viable qui était supérieur au silicium a été introduit par Cree (maintenant Wolfspeed) en 2011. Il pouvait bloquer 1 200 volts et avait une résistance respectablement faible de 80 milliohms lors de la conduite du courant. Aujourd'hui, il existe trois types différents de transistors SiC sur le marché. Il y a un MOSFET à tranchée (transistor à effet de champ semi-conducteur à oxyde métallique) de Rohm; DMOS (MOS à double diffusion) d'Infineon Technologies, ON Semiconductor Corp., STMicroelectronics, Wolfspeed et autres ; et un transistor à effet de champ à jonction verticale de Qorvo.

L'un des grands avantages des MOSFET SiC est leur similitude avec les transistors en silicium traditionnels, même le boîtier est identique. Un MOSFET SiC fonctionne essentiellement de la même manière qu'un MOSFET silicium ordinaire. Il y a une source, une porte et un drain. Lorsque le dispositif est allumé, les électrons circulent à partir d'une source de type n fortement dopée à travers une région de masse légèrement dopée avant d'être « drainés » à travers un substrat conducteur. Cette similitude signifie qu'il y a peu de courbe d'apprentissage pour les ingénieurs qui passent au SiC.

Par rapport au GaN, le SiC présente d'autres avantages. Les MOSFET SiC sont intrinsèquement des dispositifs "à ouverture par défaut", ce qui signifie que si le circuit de commande tombe en panne pour une raison quelconque, le transistor arrête de conduire le courant. Il s'agit d'une caractéristique importante, car cette caractéristique élimine en grande partie la possibilité qu'une panne puisse entraîner un court-circuit et un incendie ou une explosion. (Le prix payé pour cette fonctionnalité, cependant, est une mobilité électronique plus faible, ce qui augmente la résistance lorsque l'appareil est allumé.)

GaN apporte ses propres avantages uniques. Le semi-conducteur s'est établi commercialement pour la première fois en 2000 sur les marchés des diodes électroluminescentes et des lasers à semi-conducteurs. C'était le premier semi-conducteur capable d'émettre de manière fiable de la lumière verte, bleue, violette et ultraviolette. Mais bien avant cette percée commerciale en optoélectronique, moi-même et d'autres chercheurs avions déjà démontré la promesse du GaN pour l'électronique de haute puissance. Les LED GaN se sont rapidement imposées car elles comblaient un vide pour un éclairage efficace. Mais le GaN pour l'électronique devait se montrer supérieur aux technologies existantes : notamment les transistors silicium CoolMOS d'Infineon pour l'électronique de puissance, et les transistors silicium-LDMOS et arséniure de gallium pour l'électronique radiofréquence.

Le principal avantage du GaN est sa mobilité électronique extrêmement élevée. Le courant électrique, le flux de charge, est égal à la concentration des charges multipliée par leur vitesse. Ainsi, vous pouvez obtenir un courant élevé en raison d'une concentration élevée ou d'une vitesse élevée ou d'une combinaison des deux. Le transistor GaN est inhabituel car la majeure partie du courant traversant le dispositif est due à la vitesse des électrons plutôt qu'à la concentration de charge. Cela signifie en pratique que, par rapport au Si ou au SiC, moins de charge doit circuler dans l'appareil pour l'allumer ou l'éteindre. Cela, à son tour, réduit l'énergie nécessaire pour chaque cycle de commutation et contribue à un rendement élevé.

L'un des deux principaux types de transistors au nitrure de gallium est appelé dispositif à mode d'enrichissement. Il utilise un circuit de commande de grille fonctionnant à environ 6 volts pour contrôler le circuit de commutation principal, qui peut bloquer 600 V ou plus lorsque le circuit de commande est éteint. Lorsque l'appareil est allumé (lorsque 6 V sont appliqués à la grille), les électrons circulent du drain vers la source dans une région plate appelée gaz d'électrons bidimensionnel. Dans cette région, les électrons sont extrêmement mobiles - un facteur qui permet des vitesses de commutation très élevées - et confinés sous une barrière de nitrure de gallium et d'aluminium. Lorsque l'appareil est éteint, la région sous la grille est appauvrie en électrons, interrompant le circuit sous la grille et arrêtant le flux de courant. Chris Philpot

Pendant ce temps, la mobilité électronique élevée du GaN permet des vitesses de commutation de l'ordre de 50 volts par nanoseconde. Cette caractéristique signifie que les convertisseurs de puissance basés sur des transistors GaN fonctionnent efficacement à des fréquences de plusieurs centaines de kilohertz, contre environ 100 kilohertz pour le silicium ou le SiC.

Pris ensemble, le rendement élevé et la haute fréquence permettent au convertisseur de puissance basé sur des dispositifs GaN d'être assez petit et léger : un rendement élevé signifie des dissipateurs thermiques plus petits, et un fonctionnement à haute fréquence signifie que les inductances et les condensateurs peuvent également être très petits.

Un inconvénient des semi-conducteurs GaN est qu'ils ne disposent pas encore d'une technologie d'isolant fiable. Cela complique la conception d'appareils à sécurité intégrée, c'est-à-dire qui s'ouvrent en cas de défaillance du circuit de commande.

Il existe deux options pour obtenir cette caractéristique normalement désactivée. L'une consiste à équiper le transistor d'un type de grille qui supprime la charge dans le canal lorsqu'aucune tension n'est appliquée à la grille et qui ne conduit le courant que lors de l'application d'une tension positive à cette grille. Ceux-ci sont appelés périphériques en mode d'amélioration. Ils sont proposés par EPC, GaN Systems, Infineon, Innoscience et Navitas, par exemple. [Voir illustration, "Enhancement-ModeGaNTransistor"]

L'autre option s'appelle la solution cascode. Il utilise un transistor à effet de champ en silicium à faible perte séparé pour fournir la fonction de sécurité intégrée pour le transistor GaN. Cette solution cascode est utilisée par Power Integrations, Texas Instruments et Transphorm. [Voir l'illustration, "Transistor GaN en mode d'appauvrissement en cascade"]

Pour des raisons de sécurité, lorsque le circuit de commande d'un transistor de puissance tombe en panne, il doit passer à l'état ouvert, sans circulation de courant. C'est un défi pour les dispositifs au nitrure de gallium car ils manquent d'un matériau isolant de grille fiable à la fois dans l'état de blocage haute tension et dans l'état de transport de courant. Une solution, appelée mode d'appauvrissement cascodé, utilise un signal basse tension sur un transistor à effet de champ (FET) au silicium pour contrôler la tension beaucoup plus élevée sur un transistor à haute mobilité électronique en nitrure de gallium [ci-dessus à droite]. Si le circuit de commande tombe en panne, la tension sur la grille du FET tombe à zéro et il arrête de conduire le courant [ci-dessus à gauche]. Le FET ne conduisant plus de courant, le transistor au nitrure de gallium cesse également de conduire, car il n'y a plus de circuit fermé entre le drain et la source du dispositif combiné. Chris Philpot

Aucune comparaison de semi-conducteurs n'est complète sans une prise en compte des coûts. Une règle approximative est la suivante : une taille de matrice plus petite signifie un coût inférieur. La taille de puce est la zone physique du circuit intégré contenant les dispositifs.

Les dispositifs SiC ont maintenant généralement des matrices plus petites que celles au GaN. Cependant, les coûts de substrat et de fabrication du SiC sont plus élevés que ceux du GaN et, en général, les coûts finaux des dispositifs pour les applications à 5 kilowatts et plus ne sont pas très différents aujourd'hui. Les tendances futures, cependant, sont susceptibles de favoriser le GaN. Je fonde cette conviction sur la simplicité relative des dispositifs GaN, ce qui signifie des coûts de production suffisamment bas pour surmonter la plus grande taille de puce.

Cela dit, pour que le GaN soit viable pour de nombreuses applications à haute puissance qui exigent également des tensions élevées, il doit disposer d'un dispositif rentable et hautes performances évalué à 1 200 V. Après tout, il existe déjà des transistors SiC disponibles à cette tension. Actuellement, les transistors GaN disponibles dans le commerce les plus proches sont conçus pour 900 V, produits par Transphorm, que j'ai cofondé avec Primit Parikh. Dernièrement, nous avons également démontré des dispositifs 1 200 V, fabriqués sur des substrats de saphir, qui ont des performances électriques et thermiques comparables à celles des dispositifs SiC.

Les projections de la société de recherche Omdia pour les MOSFET SiC 1 200 V indiquent un prix de 16 cents par ampère en 2025. Selon moi, en raison du coût inférieur des substrats GaN, le prix des transistors GaN 1 200 V de première génération en 2025 être inférieur à celui de leurs homologues SiC. Bien sûr, ce n'est que mon opinion; nous saurons tous avec certitude comment cela se déroulera dans quelques années.

Avec ces avantages et inconvénients relatifs à l'esprit, examinons les applications individuelles, une par une, et faisons la lumière sur la façon dont les choses pourraient évoluer.

•Onduleurs et convertisseurs pour véhicules électriques : L'adoption par Tesla du SiC en 2017 pour les onduleurs embarqués ou de traction de son modèle 3 a été une victoire précoce et majeure pour le semi-conducteur. Dans un véhicule électrique, l'onduleur de traction convertit le courant continu des batteries en courant alternatif pour le moteur. L'onduleur contrôle également la vitesse du moteur en faisant varier la fréquence du courant alternatif. Aujourd'hui, Mercedes-Benz et Lucid Motors utilisent également du SiC dans leurs onduleurs et d'autres fabricants de véhicules électriques prévoient d'utiliser du SiC dans leurs prochains modèles, selon des informations. Les dispositifs SiC sont fournis par Infineon, OnSemi, Rohm, Wolfspeed et autres. Les onduleurs de traction EV varient généralement d'environ 35 kW à 100 kW pour un petit EV à environ 400 kW pour un gros véhicule.

Cependant, il est trop tôt pour appeler ce concours pour SiC. Comme je l'ai noté, pour percer sur ce marché, les fournisseurs de GaN devront proposer un dispositif de 1 200 V. Les systèmes électriques des véhicules électriques fonctionnent désormais généralement à seulement 400 volts, mais la Porsche Taycan dispose d'un système de 800 V, tout comme les véhicules électriques d'Audi, Hyundai et Kia. D'autres constructeurs automobiles devraient suivre leur exemple dans les années à venir. (Le Lucid Air a un système de 900 V.) Je m'attends à voir les premiers transistors GaN commerciaux de 1 200 V en 2025. Ces appareils seront utilisés non seulement dans les véhicules, mais aussi dans les chargeurs de véhicules électriques publics à grande vitesse.

Les vitesses de commutation plus élevées possibles avec le GaN seront un puissant avantage dans les onduleurs EV, car ces commutateurs utilisent ce que l'on appelle des techniques à commutation dure. Ici, le moyen d'améliorer les performances consiste à passer très rapidement de marche à arrêt pour minimiser le temps pendant lequel l'appareil maintient à la fois une haute tension et transmet un courant élevé.

En plus d'un onduleur, un VE a aussi généralement unchargeur embarqué , qui permet au véhicule d'être chargé à partir du courant mural (secteur) en convertissant le courant alternatif en courant continu. Là encore, le GaN est très attractif, pour les mêmes raisons qui en font un bon choix pour les onduleurs.

•Applications de réseau électrique : La conversion de puissance à très haute tension pour les appareils de 3 kV et plus restera le domaine du SiC pendant au moins la prochaine décennie. Ces applications incluent des systèmes pour aider à stabiliser le réseau, convertir le courant alternatif en courant continu et inversement à des tensions de niveau de transmission, et d'autres utilisations.

•Chargeurs de téléphone, tablette et ordinateur portable : À partir de 2019, des chargeurs muraux à base de GaN sont devenus disponibles dans le commerce auprès de sociétés telles que GaN Systems, Innoscience, Navitas, Power Integrations et Transphorm. Les vitesses de commutation élevées du GaN associées à ses coûts généralement plus faibles en ont fait l'opérateur historique des marchés de faible puissance (25 à 500 W), où ces facteurs, associés à une petite taille et à une chaîne d'approvisionnement robuste, sont primordiaux. Ces premiers convertisseurs de puissance GaN avaient des fréquences de commutation aussi élevées que 300 kHz et des rendements supérieurs à 92 %. Ils ont établi des records de densité de puissance, avec des chiffres aussi élevés que 30 W par pouce cube (1,83 W/cm3), soit environ le double de la densité des chargeurs à base de silicium qu'ils remplacent.

Un système automatisé de sondes applique une haute tension pour tester des transistors de puissance sur une plaquette. Le système automatisé, chez Transphorm, teste chacune des quelque 500 matrices en quelques minutes. Pierre Adams

•Micro-onduleurs solaires : La production d'énergie solaire a pris son essor ces dernières années, tant dans les applications à l'échelle du réseau que dans les applications distribuées (domestiques). Pour chaque installation, un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu des panneaux solaires en courant alternatif pour alimenter une maison ou libérer l'électricité sur le réseau. Aujourd'hui, les onduleurs photovoltaïques à l'échelle du réseau sont le domaine des IGBT au silicium et des MOSFET SiC. Mais le GaN commencera à faire des percées sur le marché du solaire distribué, en particulier.

Traditionnellement, dans ces installations distribuées, il y avait un seul boîtier onduleur pour tous les panneaux solaires. Mais de plus en plus, les installateurs privilégient les systèmes dans lesquels il y a un micro-onduleur séparé pour chaque panneau, et le courant alternatif est combiné avant d'alimenter la maison ou d'alimenter le réseau. Une telle configuration signifie que le système peut surveiller le fonctionnement de chaque panneau afin d'optimiser les performances de l'ensemble du réseau.

Les micro-onduleurs ou les systèmes d'onduleurs traditionnels sont essentiels au centre de données moderne. Associés à des batteries, ils créent unAlimentation sans interruption pour éviter les pannes. De plus, tous les centres de données utilisent des circuits de correction du facteur de puissance, qui ajustent les formes d'onde du courant alternatif de l'alimentation pour améliorer l'efficacité et supprimer les caractéristiques qui pourraient endommager l'équipement. Et pour ceux-ci, GaN fournit une solution à faible perte et économique qui déplace lentement le silicium.

•Bornes de base 5G et 6G : La vitesse supérieure et la densité de puissance élevée du GaN lui permettront de gagner et finalement de dominer les applications dans les régimes micro-ondes, notamment les réseaux sans fil 5G et 6G, et les radars commerciaux et militaires. La principale concurrence ici sont les réseaux de dispositifs LDMOS en silicium, qui sont moins chers mais ont des performances inférieures. En effet, le GaN n'a pas de véritable concurrent aux fréquences de 4 GHz et plus.

Pour les réseaux sans fil 5G et 6G, le paramètre critique est la bande passante, car elle détermine la quantité d'informations que le matériel peut transmettre efficacement. Les systèmes 5G de nouvelle génération auront près de 1 GHz de bande passante, permettant une vidéo et d'autres applications incroyablement rapides.

Les systèmes de communication par micro-ondes qui utilisent les technologies silicium sur isolant fournissent une solution 5G+ utilisant des dispositifs en silicium haute fréquence où la faible puissance de sortie de chaque dispositif est surmontée avec de grands réseaux de dispositifs. Le GaN et le silicium coexisteront pendant un certain temps dans cet espace. Le gagnant d'une application spécifique sera déterminé par un compromis entre l'architecture du système, le coût et les performances.

•Radar : L'armée américaine déploie de nombreux systèmes radar au sol basés sur l'électronique GaN. Ceux-ci incluent le radar orienté tâche sol / air et le radar à réseau actif à balayage électronique construit par Northrup-Grumman pour le US Marine Corps. Le radar SPY6 de Raytheon a été livré à l'US Navy et testé pour la première fois en mer en décembre 2022. Le système étend considérablement la portée et la sensibilité du radar embarqué.

Aujourd'hui, le SiC domine dans les onduleurs EV, et généralement partout où la capacité de blocage de tension et la gestion de la puissance sont primordiales et où la fréquence est faible. Le GaN est la technologie préférée lorsque les performances haute fréquence sont importantes, comme dans les stations de base pour 5G et 6G, et pour les radars et les applications de conversion de puissance haute fréquence telles que les adaptateurs de prise murale, les micro-onduleurs et les alimentations.

Mais le bras de fer entre GaN et SiC ne fait que commencer. Quelle que soit l'évolution de la concurrence, application par application et marché par marché, nous pouvons dire avec certitude que l'environnement de la Terre sera gagnant. D'innombrables milliards de tonnes de gaz à effet de serre seront évités dans les années à venir alors que ce nouveau cycle de remplacement et de rajeunissement technologique progresse inexorablement.