Le carbone jouera un rôle de plus en plus important dans l’avenir de l’électronique. Cet article explore les avancées dans la science des matériaux, où le carbone devrait révolutionner l’électronique.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.
Le carbone (C) est un élément essentiel. Nous sommes des êtres vivants à base de carbone. La concentration de CO2 gazeux, combinée à l’oxygène, est le baromètre que nous utilisons pour mesurer notre contribution au réchauffement climatique. Sous forme solide, le carbone pur peut être aussi doux que le graphite ou aussi dur que le diamant. Les fibres de carbone renforcent d’innombrables produits, des avions aux cannes à pêche. La datation au radiocarbone 14C est un outil essentiel en archéologie. Un élément plus influent est difficilement imaginable.
Ultra-Large Bande Interdite
Les transistors à large bande interdite (WBG) basés sur le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) ont déjà conduit à des avancées rapides dans les performances de commutation de puissance. Les matériaux à bande interdite plus large ont une conductivité thermique intrinsèque significativement plus élevée et une tension de claquage diélectrique plus élevée que les transistors de puissance MOSFET traditionnels à base de silicium (Si), ce qui signifie que les substrats de transistors peuvent être fabriqués plus petits et plus fins pour les mêmes caractéristiques de performance. La taille réduite réduit également les capacités et résistances de grille et de terminal, entraînant une commutation plus rapide et plus efficace avec une dissipation de puissance inférieure. Les transistors SiC peuvent gérer des tensions plus élevées et commuter plus rapidement et plus efficacement que les Si-MOSFET, tandis que les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) basés sur des substrats GaN peuvent commuter encore plus rapidement que les SiC-MOSFET, les rendant utiles pour l’électronique haute fréquence. La commutation rapide réduit la taille requise des autres composants inductifs et capacitifs, permettant de fabriquer des produits très compacts, efficaces et à haute densité de puissance.
Ces avantages WBG signifient que les transistors SiC et GaN sont déjà largement utilisés dans les technologies vertes telles que les véhicules électriques, les convertisseurs photovoltaïques, les réseaux IoT et les alimentations éco-conçues.
Le carbone offre la prochaine génération de transistors à ultra-large bande interdite (UWBG) dans ce processus. Au lieu de substrats SiC ou GaN, on utilise du diamant pur, qui a une conductivité thermique encore plus élevée (4x meilleure que SiC), une tension de claquage plus grande (6x meilleure que GaN) et une valeur de bande interdite beaucoup plus large que les deux SiC et GaN (Tableau 1) :
Table 1. Comparaison des propriétés de base des transistors en silicium, WBG et UWBG
| Propriété | Si | SiC | GaN | Diamant |
| Bande interdite (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| Conductivité thermique (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| Tension de claquage (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| Mobilité des électrons (cm²/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
La performance des différentes technologies de transistors peut être évaluée en fonction de la Figure de mérite de Baliga (BFOM) – plus la valeur BFOM est élevée, mieux c’est. L’échelle n’est pas linéaire car les indicateurs de performance critiques tels que la tension de claquage et la conductivité dépendent de la valeur du champ électrique critique, qui s’échelonne selon une sixième puissance de la tension électronique de la bande interdite du semi-conducteur. Ainsi, sur la base de la BFOM, les transistors WBG sont environ 730 fois meilleurs que les Si-MOSFET, et un transistor UWBG à base de carbone est environ 15 625 fois meilleur – un énorme bond en performance qui sera essentiel pour transformer notre consommation mondiale d’énergie de combustibles fossiles polluants en énergie électrique verte et efficace.
Les semi-conducteurs en graphène
Le graphène est une forme bidimensionnelle (allotrope) de carbone formée de nanocouches d’un seul atome d’épaisseur, avec les atomes disposés dans un réseau plan en forme de nid d’abeille. Il se comporte comme un semi-métal, permettant à la chaleur et à l’électricité de circuler facilement le long de son plan mais pas transversalement. En tant que matériau en vrac, il absorbe fortement la lumière à toutes les longueurs d’onde visibles, mais il est presque transparent en feuilles simples. Microscopaquement, il est le matériau le plus solide sur Terre car chaque atome est doublement lié à chacun de ses trois voisins. Cette rigidité crée une mobilité électronique exceptionnellement élevée, mesurée à 15 000 cm²/Vs (comparez cette valeur à celles du Tableau 1), ce qui lui permet de conduire l’électricité mieux que l’argent.
Figure 1. Structure cristalline du graphène. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikipedia
Le graphène présente également plusieurs propriétés électriques inhabituelles : il est fortement affecté par un champ magnétique externe, permettant de créer des capteurs à effet Hall sensibles qui peuvent fonctionner aussi bien à température ambiante qu’à des températures cryogéniques (jusqu’à moins de 1°K au-dessus du zéro absolu) et il peut être utilisé pour fabriquer des FET basés sur le graphène (gFET) qui peuvent être utilisés comme biocapteurs. Un gFET utilise une grille liquide où les biomolécules chargées affectent le courant de canal, permettant des mesures basées sur les ions plutôt que sur l’injection de charge. Cela permet des mesures en temps réel des protéines, des biomolécules et des acides nucléiques, permettant des technologies de pointe telles que l’édition de gènes CRISPR, la recherche de médicaments ARN, la détection de la présence de maladies infectieuses chez les humains, les plantes et les animaux, et la recherche sur le cancer.
La recherche se poursuit sur les propriétés électriques uniques du graphène qui pourraient ouvrir le développement de nouveaux dispositifs électroniques. Un domaine de développement est la spintronique, où l’information peut être stockée dans le moment angulaire des électrons (spin-up ou spin-down). La structure régulière et rigide du réseau de graphène pourrait être un matériau de support idéal pour une mémoire non volatile (NVM) à température ambiante et à l’échelle atomique, plus rapide que la RAM conventionnelle et conservant toutes les données lorsqu’elle est éteinte.
Les nanotubes de carbone
Si une feuille de graphène était roulée en cylindre, elle deviendrait une nanostructure avec des propriétés de résistance à la traction exceptionnelle et de conductivité thermique. Les matériaux d’interface thermique en nanotubes de carbone alignés verticalement (CNT) présentent une conductivité thermique très directionnelle, de sorte que la chaleur générée par les dispositifs électroniques de puissance peut être transférée efficacement à un dissipateur thermique approprié sans réchauffer excessivement les composants adjacents. Lors de tests, des conductivités thermiques de près de 15W/°K ont été atteintes – environ 3x plus élevées que la graisse thermique.
De plus, les nanotubes de carbone peuvent être formulés pour agir comme des semi-conducteurs ou des semi-métaux, selon leurs dimensions physiques et/ou leur dopage chimique additionnel. En théorie, un nanotube de carbone pourrait transporter 1000x plus de courant qu’un conducteur en cuivre de taille similaire et, en raison de sa structure cylindrique, ce courant pourrait être dirigé pour ne circuler que long de l’axe du tube et non latéralement, permettant de nombreux nouveaux types de dispositifs électroniques.
D’autres utilisations des nanotubes de carbone sont dans les photovoltaïques, capteurs, affichages, textiles intelligents et récupérateurs d’énergie, mais le développement le plus prometteur concerne les nouveaux types de batteries Li-Ion utilisant des cathodes CNT. Les batteries Li-Ion existantes souffrent de problèmes d’expansion thermique lors de la charge rapide ou des conditions de taux de décharge élevé, ce qui endommage la structure interne. La plus grande résistance mécanique des nanotubes de carbone peut supporter ces contraintes thermiques sans dégradation. Ces nouvelles batteries à cathode CNT peuvent se charger de 10 % à 90 % en 15 minutes et sont légères, avec une densité d’énergie WH/Kg doublée par rapport aux batteries conventionnelles. De plus, elles conserveront 90 % de leur capacité d’origine après 800 cycles de charge/décharge, promettant une révolution dans la conduite des véhicules électriques où une autonomie de 1000 km devient courante.
Cet article est paru initialement dans Bodo’s Power Systems [PDF] magazine.