Expliqué : GaN (Nitrure de Gallium) et l'avenir de la technologie qu'il promet

Au cours des dernières décennies, le secteur technologique a connu un essor dans l’adoption de solutions de charge rapide. Que ce soit sur un smartphone, une tablette ou même un ordinateur portable, les chargeurs rapides commencent à devenir omniprésents. Bien que l’ensemble de ces offres soit basé sur le silicium, la technologie sous-jacente commence à évoluer vers quelque chose de plus puissant, efficace et compact. Tout cela repose fortement sur le GaN (Nitrure de Gallium), un matériau semi-conducteur qui a vu le jour dans les années 90 et qui, depuis, a été continuellement recherché et considéré comme un potentiel remplacement du silicium — sans parler d’un moyen d’atteindre des systèmes plus puissants et efficaces avec une empreinte plus petite. Pour mieux comprendre ce qu’est le GaN et comment il pourrait détenir l’avenir de la technologie dans les années à venir, voici une explication.

L’ère du Silicium

Un rapide aperçu de l’état actuel de la technologie : depuis la création de systèmes informatiques complexes, la technologie de base qui forme un cadre pour ces systèmes a progressivement connu des changements et des avancées qui ont amené la puissance informatique moderne à ce qu’elle est aujourd’hui — dominant pour des demandes diverses.

À l’heure actuelle, la plupart des gens savent que l’élément essentiel dans les systèmes modernes, que ce soit des ordinateurs, des smartphones ou d’autres appareils électroniques modernes, est le silicium (Si). Un matériau semi-conducteur qui a remplacé les solutions de génération antérieure comme le tube à vide grâce à ses propriétés électriques supérieures. Bien qu’en grande partie, une majorité de circuits, de cartes mères et d’autres composants électroniques trouvés dans divers appareils utilisent le silicium comme cœur, le matériau autrefois populaire est maintenant en train d’atteindre son point de saturation.

Pour ceux qui ne le savent pas, la loi de Moore, qui suggère que le nombre de transistors sur une puce double tous les deux ans (tandis que le coût est réduit de moitié), et qui décrit avec précision la croissance de l’informatique moderne, touche à sa fin. Ce que cela signifie essentiellement, c’est qu’à l’heure actuelle, les informaticiens semblent avoir atteint les limites potentielles du silicium (particulièrement avec les MOSFETs à base de silicium), où il ne semble pas plausible d’apporter des avancées et des améliorations significatives ou de correspondre à la loi de Moore. Cependant, la quête de longue date pour trouver une alternative au silicium, qui n’est pas seulement à la hauteur mais supérieure dans certains cas, a conduit à la découverte d’un nouveau matériau semi-conducteur, le GaN ou Nitrure de Gallium.

Qu’est-ce que le GaN et quels avantages a-t-il par rapport au silicium ?

Le GaN ou Nitrure de Gallium est un composé chimique présentant des propriétés semi-conductrices, dont les études remontent aux années 90. Pendant cette période, le composé a commencé son parcours dans les composants électroniques avec les LED, et plus tard, a trouvé son chemin dans les lecteurs Blu-ray. Depuis, le GaN a trouvé son utilisation dans la fabrication de transistors, de diodes et de quelques autres composants. Et donc, de ce qu’il semble, le matériau semble se rapprocher de remplacer le silicium dans différents secteurs.

Un des facteurs distinctifs (et les plus importants) qui séparent le GaN du silicium est un gap de bande plus large, qui est directement proportionnel à la manière dont l’électricité passe à travers un matériau. Pour donner un peu de contexte, le gap de bande offert par le GaN est de 3,4 eV, ce qui, comparé à 1,12 eV du silicium, est nettement plus large. En conséquence, le GaN peut essentiellement supporter des niveaux de tension plus élevés que le silicium et peut transférer de l’énergie à des vitesses plus rapides. En ce qui concerne la sécurité, le GaN parvient à réduire la chaleur dissipée mieux que le silicium, ce qui élargit encore le champ des solutions de charge qui peuvent désormais être à la fois rapides et sûres. En termes simples, ce que ces avantages impliquent, c’est que le GaN peut offrir des vitesses de traitement plus rapides que le silicium tout en étant économe en énergie, en maintenant un facteur de forme relativement plus petit et en gardant le coût beaucoup plus bas.

Une des raisons derrière la baisse des coûts de production est liée au fait que les composants GaN utiliseront les mêmes procédures de fabrication que celles utilisées dans la fabrication des composants à base de silicium existants pour leur production. Cependant, à ce stade, vous pouvez remarquer que les dispositifs GaN, par exemple, les adaptateurs de charge à base de GaN, sont actuellement légèrement plus chers que leurs homologues en silicium. C’est parce que le coût de fabrication est toujours plus élevé lorsque vous devez produire des composants ou des dispositifs en petites quantités, par opposition aux cas où la fabrication se fait en gros, ce qui réduit considérablement le coût de production. Donc, une fois que nous commencerons à voir une augmentation de l’adoption du GaN dans divers composants électroniques et technologies connexes, le coût final du produit serait considérablement inférieur à celui des offres en silicium.

Cependant, cela ne veut pas dire que le GaN peut remplacer complètement le silicium. Puisqu’à la fin de la journée, cela dépend du scénario d’utilisation et des exigences d’un système. Par exemple, le GaN peut ne pas être un choix idéal pour les systèmes qui, disons, ont des limites de température basses ou ne nécessitent pas de transferts d’énergie plus rapides. Et donc, le silicium restera toujours pertinent dans de tels systèmes.

Où le GaN est-il (et peut-il être) utilisé ?

La technologie GaN va bientôt connaître une immense adoption dans le domaine de la technologie de charge. Alors que les smartphones poussent des solutions de charge plus rapides sur leurs dernières offres, et que les clients semblent les apprécier, nous nous rapprochons d’un point où de plus en plus de fabricants cherchent à adopter le GaN plutôt que le silicium. Cela signifie évidemment que les prochains chargeurs pour vos ordinateurs portables, tablettes ou même smartphones offriront plus de puissance (~ 65W), chargeront les appareils rapidement et auront une taille compacte, tout en étant sûrs à utiliser. Certains des chargeurs à base de GaN actuellement disponibles chez des fabricants d’accessoires tiers incluent ceux de marques populaires comme RAVPower, Aukey et Anker, pour n’en nommer que quelques-uns.

Bien qu’à l’heure actuelle, l’adoption du GaN ne soit pas révolutionnaire, elle semble certainement prometteuse dans les années à venir. Pour commencer, vous pouvez vous attendre à ce que le GaN fasse lentement son chemin dans l’avancement et l’amélioration du réseau 5G, ce que certains experts suggèrent peut mieux aider avec les fréquences sub-6GHz et mmWave. Sans oublier, la nécessité d’augmenter l’efficacité énergétique du réseau, que la technologie GaN semble offrir mieux que ses homologues. Bien que l’utilisation du GaN pour la 5G soit assez diversifiée, nous ne faisons qu’effleurer la surface dans cette discussion. Cependant, il convient de mentionner que le type de vitesses de connexion et de couverture qui est anticipé avec les réseaux 5G nécessite quelque chose de similaire à ce que le GaN promet.

De même, un autre domaine dans lequel le potentiel du GaN peut aider à l’amélioration et à l’avancement, et à son tour, remplacer le silicium, est les composants électroniques comme les transistors et les amplificateurs. Sans oublier, les dispositifs optoélectroniques, y compris les lasers, les LED et quelques autres dispositifs électroniques, qui voient beaucoup de potentiel dans le GaN. Récemment, des chercheurs ont également découvert les avantages potentiels de l’utilisation du GaN dans les voitures autonomes, qui dépendent fortement du LiDAR (détection et télémétrie par lumière) pour mesurer les distances entre différents objets.

Qu’est-ce qui empêche le GaN de faire son chemin vers le grand public ?

Bien que dans une large mesure, la technologie GaN semble prometteuse en matière d’offre de plus d’énergie et de vitesses plus rapides à coût réduit et taille compacte, il existe encore beaucoup d’incertitudes et de complexités, qui doivent être abordées, qui la retiennent de remplacer le silicium dans divers secteurs. La plus grande d’entre elles est liée à son adoption dans le développement de MOSFETs qui rivalisent tête-à-tête, sinon mieux, que ceux basés sur le silicium. Cependant, des études pour trouver un moyen d’intégrer le GaN dans la production de MOSFETs et d’autres domaines sont menées depuis quelques années pour le bien de l’avenir de la technologie. Donc, cela ne devrait pas prendre longtemps avant que nous commencions à voir le GaN faire son chemin dans les produits grand public.