Au-delà de la loi de Moore, la technologie des matériaux semi-conducteurs de troisième génération atteint son apogée.  
     
Depuis le début du XXIe siècle, l'essor de nouvelles applications telles que l'intelligence artificielle, la 5G et la conduite autonome a engendré des exigences accrues en matière de performances des puces. Il a également favorisé l'innovation continue dans les procédés de fabrication des semi-conducteurs et le développement de nouveaux matériaux. La troisième génération de technologies de matériaux semi-conducteurs, susceptible de surpasser la loi de Moore, a atteint son apogée.

Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération, également appelés semi-conducteurs à large bande interdite, sont ceux qui présentent une large bande interdite (Eg ≥ ​​2.3 eV). Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), largement utilisés, ainsi que l'oxyde de zinc (ZnO), le diamant et le nitrure d'aluminium (AlN), moins courants, sont les principaux représentants de cette technologie. Comparés aux semi-conducteurs de première et deuxième générations, outre une bande interdite plus large, les semi-conducteurs de troisième génération offrent une excellente rigidité diélectrique, une conductivité thermique élevée, un taux de saturation électronique important et une résistance aux radiations supérieure. Ils présentent des avantages pour la fabrication de dispositifs haute température, haute fréquence, résistants aux radiations et de forte puissance, et peuvent répondre au besoin urgent de systèmes de conversion d'énergie plus économes en énergie. Selon le rapport 2020 d'Omdia intitulé « SiC and GaN Power Semiconductor Report », le chiffre d'affaires mondial des ventes de semi-conducteurs de puissance SiC et GaN devrait atteindre 854 millions de dollars américains d'ici la fin de 2020. Il enregistrera des taux de croissance annuels à deux chiffres au cours des dix prochaines années et dépassera les 5 milliards de dollars américains d'ici 2029.

De nombreuses applications émergentes, telles que les véhicules électriques, la 5G et le big data, offrent de nouvelles perspectives de développement aux matériaux semi-conducteurs. Dans des applications comme les centres de données énergivores, les chargeurs et les onduleurs de moteurs de traction pour véhicules électriques destinés à remplacer les moteurs à combustion interne, les gains d'efficacité énergétique permettront de réduire les émissions de dioxyde de carbone liées à la consommation d'énergies traditionnelles comme le pétrole et le charbon. Ces nouveaux matériaux favorisent également le déploiement à grande échelle des énergies renouvelables. Par exemple, les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite peuvent améliorer le rendement de la production d'énergie solaire et éolienne.

 

Par ailleurs, avec le déploiement et l'application de l'Internet des objets (IoT) basé sur la 5G, l'Internet de tout se démocratise et des milliards d'utilisateurs, de machines et d'appareils peuvent partager en temps réel d'importantes quantités de données, des images haute résolution et des flux vidéo haute définition. La chirurgie à distance, les véhicules autonomes, la livraison par drone et bien d'autres applications ambitieuses deviendront réalité. Outre les avantages de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique, ces développements sont également indissociables de nouveaux matériaux offrant des performances de traitement accrues, une bande passante plus élevée et une latence réduite.

À la pointe de l'innovation, ST déploie activement des applications technologiques de semi-conducteurs de troisième génération.  
     
Au début des années 1990, ST a développé et commercialisé des transistors et diodes MOSFET en SiC à partir de plaquettes de 2 pouces. Après des années d'investissement à long terme, ST a obtenu des brevets clés pour les procédés de fabrication de base associés. Qu'il s'agisse des couches épitaxiales, de la conception de la terminaison de bord ou des couches d'oxyde de grille, l'expertise de ST dans la fabrication de transistors et de diodes haute tension a joué un rôle important en permettant à ST de devenir un chef de file dans le développement réussi du SiC.ST a su tirer parti de cette dynamique pour devenir un fournisseur clé de SiC dans l'industrie émergente des véhicules électriques (VE).Les produits SiC de ST sont principalement utilisés dans la recharge embarquée des véhicules électriques, les onduleurs principaux, les convertisseurs CC-CC, les variateurs industriels, le photovoltaïque et d'autres applications. Parallèlement, ST poursuit ses efforts de développement de dispositifs GaN pour des applications telles que les stations de base 5G et les tours de communication, les commutateurs de puissance, l'électronique grand public, ainsi que les chargeurs et adaptateurs secteur industriels. Des produits RF GaN sur silicium sont actuellement en cours de conception, ce qui permettra à ST d'optimiser son portefeuille de produits.  
En ce qui concerne les MOSFET SiC, ST met en place une chaîne d'approvisionnement stable : l'acquisition réussie du suédois Norstel AB a permis une intégration verticale complète de la chaîne d'approvisionnement, la signature d'accords d'approvisionnement en plaquettes à long terme avec Cree et SiCrystal, et la poursuite de l'expansion de sa propre capacité de production.ST s'appuie sur son succès dans le domaine du SiCPoursuivre vers le champ GaN, menant activement une série de coopérations avec les acteurs en amont et en aval de la chaîne industrielle : acquisition d’une participation majoritaire dans Exagan, innovateur dans le domaine du nitrure de gallium, adoption du procédé de fabrication de GaN de pointe de TSMC, coopération avec Leti pour développer une technologie de conversion de puissance au nitrure de gallium à base de silicium, collaboration avec MACOM pour augmenter la capacité de production de GaN à base de silicium, etc.          Lancement de la plateforme ST masterGaN® : l’avènement d’une ère de charge GaN plus compacte, plus légère et plus rapide  
     
La miniaturisation des alimentations électriques, une tendance qui se poursuit depuis des décennies, devrait continuer à favoriser l'émergence de nouvelles applications commerciales. Par ailleurs, l'augmentation de la densité de puissance est essentielle à l'amélioration de l'efficacité énergétique et constitue un paramètre auquel les concepteurs accordent une grande importance. Cependant, des limitations techniques majeures persistent quant à la réalisation de solutions d'alimentation plus compactes et plus efficaces.  
La technologie des transistors à haute mobilité électronique GaN, véritable moteur d'innovation, révolutionne le monde de l'ingénierie de puissance. Les transistors FET de puissance GaN repoussent les limites de performance des solutions de puissance classiques à base de silicium, offrant une vitesse, un rendement et une densité de puissance supérieurs à ceux des MOSFET en silicium, et ouvrant la voie à de nouveaux marchés d'application. Leader et pionnier du marché de la conversion de puissance depuis des décennies, ST s'appuie sur son expertise technique et système inégalée pour accompagner cette nouvelle vague d'innovation et lancer en permanence de nouveaux produits et solutions afin de couvrir un éventail toujours plus large d'applications.  
ST a récemment lancé masterGaN®, la première plateforme de produits au monde intégrant une puce de commande demi-pont à base de silicium et une paire de transistors GaN. Cette solution intégrée contribuera à accélérer le développement de la prochaine génération de chargeurs et d'adaptateurs secteur légers et économes en énergie (moins de 400 W) destinés à l'électronique grand public et aux applications industrielles.  
   
La technologie GaN permet aux dispositifs électroniques de traiterPlus de pouvoir, tandis que l'appareil lui-même devientPlus petit, plus léger et plus économe en énergieCes améliorations vont transformer les chargeurs ultra-rapides et les chargeurs sans fil pour smartphones, les adaptateurs compacts USB-PD pour PC et consoles de jeux, ainsi que les applications industrielles telles que les systèmes de stockage d'énergie solaire, les alimentations sans interruption ou les téléviseurs OLED haut de gamme et les serveurs cloud.   
Sur le marché actuel du GaN, l'utilisation de transistors de puissance discrets et de circuits intégrés de commande est fréquente, ce qui oblige les concepteurs à maîtriser leur intégration pour optimiser les performances. La solution masterGaN de STMicroelectronics s'affranchit de cette contrainte, réduisant les délais de mise sur le marché et atteignant les performances attendues, tout en simplifiant et en miniaturisant le boîtier, avec un nombre réduit de composants et une fiabilité système accrue. Tirant parti des avantages de la technologie GaN et des produits intégrés de STMicroelectronics, les chargeurs et adaptateurs utilisant ces nouveaux produits sont plus performants que les solutions classiques à base de silicium.Réduction de la taille de 80 %, réduction du poids de 70 % et augmentation de la vitesse de charge de 2 fois.  
   
      Les avantages uniques de la plateforme de produits masterGaN  
     
Matteo Lo Presti, vice-président exécutif et directeur général de la division des produits analogiques de STMicroelectronics, a déclaré : « La plateforme de produits unique masterGaN de ST repose sur notre expertise éprouvée sur le marché et nos capacités de conception, intégrant le processus BCD de puissance intelligente haute tension et la technologie GaN, ce qui peut accélérer le développement de produits compacts, économes en énergie et respectueux de l'environnement. »
 

Le masterGaN1 est le premier produit de la plateforme masterGaN de STMicroelectronics. Il intègre deux transistors de puissance GaN en configuration demi-pont et des circuits de commande côté haut et côté bas. Le masterGaN1 est conditionné dans un boîtier GQFN de 9 mm x 9 mm d'une épaisseur de seulement 1 mm et est désormais produit en série. STMicroelectronics propose également une carte d'évaluation pour permettre à ses clients de démarrer rapidement leurs projets de produits de puissance.

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