Explorer les perspectives d'avenir des puces semi-conductrices en silicium

Qu’est-ce qui définit le rôle des semi-conducteurs dans la technologie ?

Les matériaux peuvent être classés en fonction de leur conductivité électrique : le courant circule facilement dans les conducteurs mais ne peut pas dans les isolants. Les semi-conducteurs se situent entre les deux : ils peuvent conduire l’électricité dans des conditions spécifiques, ce qui les rend extrêmement utiles en informatique. En utilisant des semi-conducteurs comme base des micropuces, nous pouvons contrôler le flux d’électricité dans les appareils, permettant ainsi toutes les fonctions remarquables sur lesquelles nous comptons aujourd’hui.

Depuis leur création,siliciuma dominé l’industrie des puces et de la technologie, ce qui a donné naissance au terme « Silicon Valley ». Cependant, ce n’est peut-être pas le matériau le plus adapté aux technologies futures. Pour comprendre cela, il faut revisiter le fonctionnement des puces, les défis technologiques actuels et les matériaux qui pourraient remplacer le silicium à l’avenir.

Comment les micropuces traduisent-elles les entrées en langage informatique ?

Les micropuces sont remplies de minuscules commutateurs appelés transistors, qui traduisent les entrées du clavier et les programmes logiciels en langage informatique : code binaire. Lorsqu'un interrupteur est ouvert, le courant peut circuler, représentant un « 1 » ; lorsqu'il est fermé, il ne le peut pas, ce qui représente un « 0 ». Tout ce que font les ordinateurs modernes se résume en fin de compte à ces commutateurs.

Pendant des décennies, nous avons amélioré la puissance de calcul en augmentant la densité des transistors sur les micropuces. Alors que la première puce électronique ne contenait qu’un seul transistor, nous pouvons aujourd’hui encapsuler des milliards de ces minuscules interrupteurs dans des puces de la taille d’un ongle.

La première puce électronique était en germanium, mais l'industrie technologique s'est vite rendu compte quesiliciumétait un matériau supérieur pour la fabrication de puces. Les principaux avantages du silicium sont son abondance, son faible coût et son point de fusion plus élevé, ce qui signifie qu’il fonctionne mieux à des températures élevées. De plus, le silicium est facile à « doper » avec d’autres matériaux, ce qui permet aux ingénieurs d’ajuster sa conductivité de différentes manières.

À quels défis le silicium est-il confronté dans l’informatique moderne ?

La stratégie classique consistant à créer des ordinateurs plus rapides et plus puissants en réduisant continuellement les transistors danssiliciumles jetons commencent à faiblir. Deep Jariwala, professeur d'ingénierie à l'Université de Pennsylvanie, a déclaré dans une interview accordée au Wall Street Journal en 2022 : « Bien que le silicium puisse fonctionner à des dimensions aussi petites, l'efficacité énergétique requise pour un calcul a augmenté, ce qui le rend extrêmement insoutenable. D’un point de vue énergétique, cela n’a plus de sens.»

Pour continuer à améliorer notre technologie sans nuire davantage à l’environnement, nous devons aborder cette question de durabilité. Dans cette optique, certains chercheurs examinent de près les puces fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs autres que le silicium, notamment le nitrure de gallium (GaN), un composé à base de gallium et d'azote.

Pourquoi le nitrure de gallium attire-t-il l’attention en tant que matériau semi-conducteur ?

La conductivité électrique des semi-conducteurs varie, principalement en raison de ce que l'on appelle la « bande interdite ». Les protons et les neutrons se regroupent dans le noyau tandis que les électrons gravitent autour de lui. Pour qu’un matériau conduise l’électricité, les électrons doivent être capables de passer de la « bande de valence » à la « bande de conduction ». L’énergie minimale requise pour cette transition définit la bande interdite du matériau.

Dans les conducteurs, ces deux régions se chevauchent, ce qui entraîne l’absence de bande interdite : les électrons peuvent traverser librement ces matériaux. Dans les isolants, la bande interdite est très grande, ce qui rend difficile le passage des électrons même avec une énergie importante appliquée. Les semi-conducteurs, comme le silicium, occupent une position intermédiaire ;siliciuma une bande interdite de 1,12 électron-volts (eV), tandis que le nitrure de gallium possède une bande interdite de 3,4 eV, le catégorisant comme un « semi-conducteur à large bande interdite » (WBGS).

Les matériaux WBGS sont plus proches des isolants dans le spectre de conductivité, nécessitant plus d'énergie pour que les électrons se déplacent entre les deux bandes, ce qui les rend impropres aux applications à très basse tension. Cependant, le WBGS peut fonctionner à des tensions, des températures et des fréquences énergétiques plus élevées que cellesà base de siliciumsemi-conducteurs, permettant aux appareils qui les utilisent de fonctionner plus rapidement et plus efficacement.

Rachel Oliver, directrice du Cambridge GaN Centre, a déclaré à Freethink : « Si vous mettez la main sur un chargeur de téléphone, vous aurez chaud ; c’est l’énergie gaspillée par les puces de silicium. Les chargeurs GaN sont beaucoup plus froids au toucher : il y a beaucoup moins d’énergie gaspillée.

Le gallium et ses composés sont utilisés dans l'industrie technologique depuis des décennies, notamment dans les diodes électroluminescentes, les lasers, les radars militaires, les satellites et les cellules solaires. Cependant,nitrure de galliumest actuellement au centre des préoccupations des chercheurs qui espèrent rendre la technologie plus puissante et plus économe en énergie.

Quelles implications le nitrure de gallium a-t-il pour l’avenir ?

Comme Oliver l'a mentionné, les chargeurs de téléphone GaN sont déjà sur le marché et les chercheurs visent à exploiter ce matériau pour développer des chargeurs de véhicules électriques plus rapides, répondant ainsi à une préoccupation importante des consommateurs concernant les véhicules électriques. "Les appareils comme les véhicules électriques peuvent se recharger beaucoup plus rapidement", a déclaré Oliver. "Pour tout ce qui nécessite une alimentation portable et une charge rapide, le nitrure de gallium présente un potentiel important."

Nitrure de galliumpeut également améliorer les systèmes radar des avions et drones militaires, leur permettant d’identifier des cibles et des menaces à de plus grandes distances, et améliorer l’efficacité des serveurs des centres de données, ce qui est crucial pour rendre la révolution de l’IA abordable et durable.

Étant donné quenitrure de galliumexcelle dans de nombreux aspects et existe depuis un certain temps, pourquoi l'industrie des micropuces continue-t-elle de se développer autour du silicium ? La réponse, comme toujours, réside dans le coût : les puces GaN sont plus chères et plus complexes à fabriquer. Il faudra du temps pour réduire les coûts et augmenter la production, mais le gouvernement américain travaille activement à relancer cette industrie émergente.

En février 2024, les États-Unis ont alloué 1,5 milliard de dollars à l’entreprise de fabrication de semi-conducteurs GlobalFoundries dans le cadre de la loi CHIPS and Science Act pour développer la production nationale de puces.

 Une partie de ces fonds sera utilisée pour moderniser une usine de fabrication au Vermont, lui permettant de produire en massenitrure de gallium(GaN), une capacité qui n'est actuellement pas réalisée aux États-Unis. Selon l'annonce de financement, ces semi-conducteurs seront utilisés dans les véhicules électriques, les centres de données, les smartphones, les réseaux électriques et d'autres technologies. 

Cependant, même si les États-Unis parviennent à rétablir des opérations normales dans l’ensemble de leur secteur manufacturier, la production deGaNpuces dépend d’un approvisionnement stable en gallium, qui n’est actuellement pas garanti. 

Bien que le gallium ne soit pas rare – il est présent dans la croûte terrestre à des niveaux comparables à ceux du cuivre – il n’existe pas dans de grands gisements exploitables comme le cuivre. Néanmoins, des traces de gallium peuvent être trouvées dans les minerais contenant de l'aluminium et du zinc, permettant sa collecte lors du traitement de ces éléments. 

En 2022, environ 90 % du gallium mondial était produit en Chine. Pendant ce temps, les États-Unis n’ont plus produit de gallium depuis les années 1980, 53 % de leur gallium étant importé de Chine et le reste provenant d’autres pays. 

En juillet 2023, la Chine a annoncé qu’elle commencerait à restreindre les exportations de gallium et d’un autre matériau, le germanium, pour des raisons de sécurité nationale. 

Les réglementations chinoises n’interdisent pas catégoriquement les exportations de gallium vers les États-Unis, mais elles obligent les acheteurs potentiels à demander un permis et à obtenir l’approbation du gouvernement chinois. 

Les sous-traitants américains de la défense seront presque certainement confrontés à des refus, surtout s’ils figurent sur la « liste des entités peu fiables » de la Chine. Jusqu’à présent, ces restrictions semblent avoir entraîné une augmentation des prix du gallium et un allongement des délais de livraison des commandes pour la plupart des fabricants de puces, plutôt qu’une véritable pénurie, même si la Chine pourrait choisir de renforcer son contrôle sur ce matériau à l’avenir. 

Les États-Unis reconnaissent depuis longtemps les risques associés à leur forte dépendance à l’égard de la Chine pour les minéraux essentiels : lors d’un différend avec le Japon en 2010, la Chine a temporairement interdit l’exportation de métaux des terres rares. Au moment où la Chine a annoncé ses restrictions en 2023, les États-Unis étudiaient déjà des méthodes pour renforcer leurs chaînes d’approvisionnement. 

Les alternatives possibles incluent l’importation de gallium d’autres pays, comme le Canada (s’ils parviennent à augmenter suffisamment leur production), et le recyclage des matériaux des déchets électroniques. La recherche dans ce domaine est financée par l’Advanced Research Projects Agency du ministère américain de la Défense. 

L’établissement d’un approvisionnement national en gallium est également une option. 

Nyrstar, une société basée aux Pays-Bas, a indiqué que son usine de zinc du Tennessee pourrait extraire suffisamment de gallium pour répondre à 80 % de la demande américaine actuelle, mais que la construction de l'usine de traitement coûterait jusqu'à 190 millions de dollars. La société négocie actuellement avec le gouvernement américain un financement pour son expansion.

Les sources potentielles de gallium comprennent également un gisement à Round Top, au Texas. En 2021, l’US Geological Survey a estimé que ce gisement contenait environ 36 500 tonnes de gallium – à titre de comparaison, la Chine a produit 750 tonnes de gallium en 2022. 

Généralement, le gallium se présente sous forme de traces et est extrêmement dispersé ; cependant, en mars 2024, American Critical Materials Corp. a découvert un gisement avec une concentration relativement élevée de gallium de haute qualité dans la forêt nationale de Kootenai, dans le Montana. 

Actuellement, le gallium du Texas et du Montana n'a pas encore été extrait, mais des chercheurs de l'Idaho National Laboratory et d'American Critical Materials Corp. collaborent pour développer une méthode respectueuse de l'environnement pour obtenir ce matériau. 

Le gallium n’est pas la seule option dont disposent les États-Unis pour améliorer la technologie des micropuces : la Chine peut produire des puces plus avancées en utilisant des matériaux sans contraintes, qui dans certains cas peuvent surpasser les puces à base de gallium. 

En octobre 2024, le fabricant de puces Wolfspeed a obtenu jusqu'à 750 millions de dollars de financement par le biais de la loi CHIPS pour construire la plus grande usine de fabrication de puces en carbure de silicium (également connue sous le nom de SiC) aux États-Unis.nitrure de galliummais est préférable pour certaines applications, telles que les centrales solaires de forte puissance. 

Oliver a déclaré à Freethink : « Le nitrure de gallium fonctionne très bien dans certaines plages de tension, tandis quecarbure de siliciumfonctionne mieux chez les autres. Cela dépend donc de la tension et de la puissance auxquelles vous avez affaire. 

Les États-Unis financent également la recherche sur les micropuces basées sur des semi-conducteurs à large bande interdite, dont la bande interdite est supérieure à 3,4 eV. Ces matériaux comprennent le diamant, le nitrure d'aluminium et le nitrure de bore ; Bien qu’elles soient coûteuses et difficiles à traiter, les puces fabriquées à partir de ces matériaux pourraient un jour offrir de nouvelles fonctionnalités remarquables à moindre coût environnemental.

 « Si vous parlez des types de tensions qui pourraient être impliquées dans la transmission de l’énergie éolienne offshore vers le réseau terrestre,nitrure de galliumpeut ne pas convenir, car il ne peut pas gérer cette tension », a expliqué Oliver. "Des matériaux comme le nitrure d'aluminium, qui ont une large bande interdite, le peuvent."