Une puce de puissance en GaN conçue en Équateur veut rendre la conversion de l’énergie plus efficace

La demande croissante en électricité de technologies comme l’intelligence artificielle attire l’attention sur les composants qui contrôlent et alimentent les équipements. L’Agence internationale de l’énergie estime qu’aux États-Unis seulement, la consommation électrique des centres de données a augmenté de 12 % par an entre 2015 et 2024. À l’échelle mondiale, elle passerait de 485 TWh en 2025 à environ 950 TWh en 2030, soit presque le double. (iea.org)

Depuis l’Équateur, Nataly Pozo Viera, docteure de Sorbonne Université et chercheuse à l’Universidad San Francisco de Quito, travaille sur une partie peu visible de l’électronique : les systèmes et circuits qui convertissent et contrôlent l’électricité. Après plus de 15 ans de formation et de recherche dans les domaines de l’énergie et de l’électronique de puissance, elle s’est concentrée ces dernières années sur la microélectronique et sur la mise au point d’un circuit intégré de puissance entièrement basé sur le nitrure de gallium (GaN).

Contrairement aux puces qui traitent ou stockent des données, les semi-conducteurs de puissance en GaN contribuent à convertir et à contrôler l’électricité avant qu’elle n’atteigne les équipements. Ce processus peut faire apparaître des effets indésirables dits parasites, qui entraînent des pertes et de la chaleur et influent sur la commutation. Les travaux de Pozo consistent à caractériser ces effets afin d’en comprendre l’influence sur le circuit. Comme l’explique la chercheuse : « Plus il y a d’effets parasites, plus le processus prend du temps et plus les composants chauffent. » Ces connaissances peuvent orienter la conception de circuits plus efficaces, mais il faudra évaluer le convertisseur et le système dans leur ensemble pour vérifier si elles se traduisent par des économies d’énergie.

De « trop ambitieux » à une puce fabriquée

Pozo a grandi dans une zone rurale de la province de Tungurahua, en Équateur. Elle est la première de sa famille à avoir suivi des études dans un domaine STEM. Elle raconte que, lorsqu’elle a entrepris de faire fabriquer un circuit intégré depuis l’Équateur, certaines personnes ont jugé son projet trop ambitieux. Elle a pourtant poursuivi cet objectif tout au long de sa formation et de sa carrière de chercheuse.

Pour se tourner vers la conception de puces, elle a élargi son expérience dans les systèmes énergétiques et étudié la microélectronique et la physique des semi-conducteurs. Son projet a abouti à la fabrication d’un circuit intégré de puissance en GaN. Environ 40 échantillons ont été fabriqués. Leur coût aurait été d’environ 35 000 euros, pris en charge par l’entreprise Accent Plus à l’issue d’un processus de sélection, explique Pozo.

Concevoir en fonction du procédé disponible : repenser et réorganiser les topologies traditionnelles

La contribution de Pozo ne consiste pas seulement à utiliser du GaN, mais à développer une architecture de circuit compatible avec les dispositifs et le procédé de fabrication à la disposition de son équipe.

Le process design kit (PDK), c’est-à-dire l’ensemble des modèles et des règles qui encadrent la conception pour un procédé de fabrication donné, ne proposait pas la logique complémentaire habituellement utilisée dans les circuits en silicium. Il ne suffisait donc pas de remplacer les transistors d’un circuit en silicium par des transistors en GaN. Pozo a développé des topologies compatibles avec la plateforme GaN disponible, qui ne proposait pas de transistors complémentaires de type P. Selon le résumé de ses travaux, sa conception repose sur des dispositifs p-GaN en mode d’enrichissement.

Avant d’envoyer le circuit en fabrication, Pozo a travaillé sur le layout, c’est-à-dire la disposition physique des composants et des interconnexions. Elle a ensuite réalisé des simulations post-layout, qui tiennent compte des effets du tracé et permettent d’estimer le comportement potentiel du circuit fabriqué. En GaN, explique-t-elle, ces effets parasites peuvent faire qu’un circuit fonctionnant dans son schéma initial ne fonctionne plus une fois sa disposition physique prise en compte.

La puce intègre trois dispositifs de puissance et plusieurs circuits auxiliaires : trois gate drivers, qui commandent l’allumage et l’extinction des transistors ; trois comparateurs ; deux circuits latch ; deux circuits de détection du courant ; un circuit de protection contre les surintensités ; et deux circuits logiques de protection contre les courts-circuits, entre autres. L’objectif est ainsi la monolithisation, c’est-à-dire l’intégration sur une même puce des dispositifs de puissance et des circuits auxiliaires de commande et de protection.

Pozo décrit la conception actuelle du dispositif comme un niveau 3 d’intégration. L’étape suivante consisterait à ajouter davantage de fonctions de commande sur la même puce, pour atteindre le niveau 4. Cet objectif d’intégration est distinct du conditionnement, ou packaging. La puce fabriquée nécessite encore un conditionnement adapté pour la protéger et permettre son raccordement dans un système.

En intégrant plusieurs fonctions sur une même puce, la conception de Pozo vise à réduire le nombre de connexions et les effets parasites susceptibles d’influer sur la commutation et de provoquer des pertes d’énergie. Une amélioration de l’efficacité des systèmes d’alimentation pourrait être importante pour les centres de données, dont la consommation électrique augmente. Au Canada, par exemple, ceux-ci représentaient environ 2,1 % de la consommation nationale en 2023, et la demande au Québec devrait augmenter de 4,1 TWh entre 2023 et 2032. Toutefois, les économies d’énergie potentielles devront être vérifiées par des essais dans un convertisseur et une fois toutes les étapes d’intégration terminées.

Du laboratoire aux premiers essais

Après avoir reçu les échantillons, Pozo devait les connecter à une carte pour les tester. À l’Universidad San Francisco de Quito, elle a conçu un circuit imprimé et adapté les contacts afin de réaliser le wire bonding.

La machine disponible pouvait travailler avec des fils d’or de 20 à 25 micromètres environ. Des fils d’aluminium beaucoup plus épais pourraient être nécessaires pour supporter des courants plus élevés. Pozo a réussi à connecter les échantillons, mais le conditionnement spécialisé, nécessaire pour protéger la puce et l’intégrer à un système, reste un défi.

La caractérisation nécessite également des équipements adaptés à la plage électrique du dispositif. Pozo a réalisé les essais statiques, qui comprennent des mesures de tension et de courant, au laboratoire GeePs, en France, car les équipements disponibles en Équateur ne permettaient pas d’atteindre les valeurs nécessaires. Au moment de l’entretien, elle réalisait la caractérisation dynamique, qui permet d’évaluer la commutation. Tester la puce dans un convertisseur soumis à une charge réelle constituera une étape ultérieure.

Applications possibles

Les travaux portent sur la mise au point de convertisseurs DC-DC destinés aux systèmes d’énergie solaire. Conçue pour fonctionner à 1 MHz, la micropuce pourrait permettre de réduire la taille des composants passifs du convertisseur. Selon le résumé de la recherche, la conception devrait pouvoir gérer jusqu’à 200 W de puissance continue et supporter, en mode pulsé, des pics allant jusqu’à 200 V et 10 A. Ces capacités doivent encore être évaluées lors de la caractérisation expérimentale et des essais du système.

Pozo indique également que ses travaux pourraient avoir plusieurs applications dans différents équipements électriques. Leur adaptation et leur mise en œuvre dans les centres de données sont possibles. Cependant, selon la chercheuse, cela nécessiterait plusieurs années d’essais de fiabilité et le respect des normes applicables.

Qui peut participer à la course à la fabrication de puces de puissance en GaN ?

Le parcours de Pozo soulève une question qui dépasse le cas d’une seule puce : de quelles infrastructures, de quels partenariats et de quel accès aux procédés de fabrication les pays ont-ils besoin pour concevoir, intégrer, conditionner et produire à plus grande échelle leurs propres micropuces ? Son projet montre à la fois le potentiel du développement technologique en Équateur et les obstacles à surmonter.

Dans son cas, ces obstacles comprennent l’accès au conditionnement spécialisé, aux équipements de mesure, aux outils commerciaux de conception, au financement et à des partenaires universitaires ou industriels. Comme une partie de ces infrastructures n’est pas disponible en Équateur, certains essais nécessitent des collaborations et des déplacements à l’étranger. Pozo souligne également l’importance de renforcer la formation spécialisée et de créer les conditions nécessaires au maintien de la recherche et de l’industrie en Équateur et en Amérique latine.

En dehors du laboratoire

Depuis plus de dix ans, Pozo fait découvrir les sciences aux communautés rurales au moyen d’activités de robotique, de programmation et d’installations électriques. Elle a également collaboré avec des élèves à la création de prototypes d’aide thérapeutique destinés à des enfants et des adolescents en situation de handicaps multiples. Ces prototypes ont été remis à des écoles de Píllaro, en Équateur.

Au cours des dix dernières années, plus de 2 000 enfants de cantons ruraux équatoriens ont participé à ses activités de formation inclusive en STEM. En 2026, son projet éducatif a formé 120 bénéficiaires directs. Ce nombre devrait doubler d’ici 2027.

Soutenir la recherche

La micropuce de Nataly Pozo, PhD, nécessite un conditionnement spécialisé pour permettre la poursuite des essais et l’évaluation de ses capacités. Cette étape requiert des entreprises, des laboratoires et des partenaires qui puissent apporter leur expertise, leurs équipements ou un soutien financier. Si vous travaillez dans le conditionnement de semi-conducteurs en GaN ou dans l’électronique de puissance, ou si vous souhaitez soutenir cette recherche, vous pouvez contacter Nataly Pozo, PhD, à l’adresse nataly.pozov@ieee.org ou via son profil LinkedIN.

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