Nouvelle génération de transistors de puissance : verte et canadienne

Projet de recherche de 5 M$ avec GaN Systems et Varitron

Un projet de recherche d’envergure entamé en 2017 et qui s’échelonnera jusqu’en 2021 avec l’ajout de nouveaux joueurs : au total, l’équipe de 25 chercheurs aura bénéficié d’un budget de 5,2 M$, incluant les fonds en nature, pour contribuer au développement de la nouvelle génération de transistors de puissance à base de nitrure de gallium (GaN). Diminuer les pertes d’énergie par six dans l’utilisation des véhicules électriques et augmenter ainsi leur autonomie pour mieux concurrencer les voitures à essence : voilà un exemple d’application visée par ce projet de grande portée.

Pr Hassan Maher
Pr Hassan Maher
Photo : UdeS

Outre le chercheur principal, le Pr Hassan Maher, plusieurs professeurs de la Faculté de génie sont associés à ce projet intitulé « Procédés avancés pour transistors de puissance GaN à haute performance et pour convertisseurs de puissance à haute efficacité énergétique » : David Danovitch, João Pedro Trovao, Richard Arès, Julien Sylvestre, Abdelatif Jaouad, François Boone et Vincent Aimez.

Le partenariat a débuté avec GaN Systems, leader mondial dans la technologie des transistors avec nitrure de gallium, grâce à une subvention de recherche et développement coopérative (RDC) du Conseil de recherches en sciences naturelles et génie (CRSNG). Varitron, le plus important fournisseur de services de fabrication d’équipements électroniques au Québec, s’est récemment rallié au projet, amenant du coup avec lui une subvention additionnelle de Prompt-Québec.

Pour développer la nouvelle génération verte de transistors, les partenaires ont choisi Sherbrooke pour toutes les expertises complémentaires et variées de l’équipe en place ainsi que pour les infrastructures de l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT) et du Centre de Collaboration MiQro Innovation à Bromont (C2MI). Toute cette chaîne d’innovation permet de valider grandeur nature les prototypes sans sortir de l’UdeS : les circuits qui sont fabriqués sont testés directement dans les applications photovoltaïques, dans les véhicules électriques ou dans les adaptateurs de portables, illustre Pr Maher. Le produit obtenu à la fin de la chaîne est un démonstrateur prêt pour l’utilisation par le consommateur, ce qui rend hors norme ce projet mené dans un cadre universitaire.

Nouvelle génération de transistors

Salle de photolithographie au 3IT. Définition des structures des transistors.
Salle de photolithographie au 3IT. Définition des structures des transistors.
Photo : Karine Couillard

Le transistor est l’élément de base de l’électronique; il est utilisé dans la plupart des circuits électroniques. Il sert à gérer, convertir contrôler, amplifier la puissance électrique. C’est le cerveau du circuit électronique ! Par exemple, il gère l’énergie des prises standards de 110 volts pour la convertir à la demande électrique de l’utilisateur, que ce soit pour un MacBook ou une cafetière. La différence ici, c’est que nous sommes en haute puissance. On parle plutôt de transistors qui gèrent des tensions de 650 volts et non pas de 110. Même que l’objectif, avec ce projet, est justement d’atteindre une gestion de 1200 volts. On se dirige carrément vers une nouvelle génération de transistors.

En remplacement du silicium, élément arrivé à sa fin de vie considérant les limitations physiques intrinsèques au matériau atteintes, le transistor à base de GaN a fait son entrée par la grande porte il y a quelques années dans la fabrication des transistors. Il est notamment beaucoup plus rapide, plus efficace énergétiquement, plus performant, il génère moins de perte d’énergie par perte de chaleur et il peut travailler à des températures beaucoup plus hautes. Toutes ces caractéristiques nous permettent d’ailleurs d’associer le qualificatif « vert » au composant.

Observation d'un échantillon porté à haute température pendant la croissance épitaxiale de nitrure de gallium (GaN)
Observation d’un échantillon porté à haute température pendant la croissance épitaxiale de nitrure de gallium (GaN)
Photo : Michel Caron – UdeS

Plus près de la source de chaleur

Les transistors à base de GaN offrent déjà des avantages de performance significatifs par rapport aux solutions classiques à base de silicium, mais doivent continuer d’être optimisés électriquement et thermiquement afin d’atteindre la plus haute puissance possible correspondant aux capacités théoriques. Et c’est possible, avance le Pr Maher. Contrairement au transistor à base de silicium, le transistor à base de GaN peut aller se positionner plus près de l’endroit où l’énergie solaire est convertie en énergie électrique dans les modules photovoltaïques à concentration (CPV). Le transport et la gestion de l’énergie électrique produite sont ainsi optimisés, ce qui améliore considérablement le rendement du module photovoltaïque.

Nouvelle technologie entièrement produite au Canada

Ce projet de recherche vise donc à développer de nouvelles approches de fabrication de transistors à base de GaN ainsi que l’intégration de circuits électroniques plus petits, plus légers et plus performants, paramètres critiques pour les applications nécessitant la haute puissance électrique. On veut les transistors les plus efficaces possible pour la fabrication de futurs composants compétitifs.

GaN Systems définit le cahier des charges des paramètres électriques et thermiques des dispositifs et leur mise en boitier, Varitron fait de même pour la partie conception et assemblage du circuit électrique, et l’UdeS met en œuvre ses expertises pour concevoir, optimiser et réaliser un prototype répondant à ce cahier des charges préalablement établi. D’ici quelques années, ce partenariat pourrait mener à une proposition de produits commerciaux intéressants pour le marché mondial avec une nouvelle technologie entièrement développée et, on l’espère, fabriquée au Canada, et soutenir ainsi l’innovation canadienne en matière de dispositifs de puissance.

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