Des prévisions sur la gestion de la chaleur dans de nouveaux matériaux pour l’électronique de puissance
Une grande partie des pertes de rendement observées actuellement dans les dispositifs d’alimentation est due à une mauvaise gestion thermique aux échelles micro et nanométriques, ce qui réduit les performances et la longévité des composants. De nouvelles technologies basées sur le zirconium-nickel-étain (ZrNiSn), le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC) sont en cours de développement afin d’améliorer le rendement énergétique. Dans ces nouvelles technologies, la gestion thermique est étroitement liée à la conception des substrats sur lesquels les dispositifs sont fabriqués. La physique classique des systèmes macroscopiques ne permet toutefois pas de décrire la conduction de la chaleur dans des systèmes nanostructurés. Le projet Horizon 2020 ALMA, financé par l’UE, a résolu ce problème en mettant au point de nouvelles méthodes de conception des matériaux et des structures de gestion de la chaleur, qui permettent aux ingénieurs de prévoir et de comprendre comment l’énergie thermique se propage, de manière quantitative, aux échelles appropriées à ces nouveaux dispositifs. Un nouveau logiciel capable de prédire le transport des phonons Les chercheurs ont créé un logiciel open source hors pair, qui a pris le nom d’almaBTE – le premier logiciel capable de réaliser une modélisation thermique prédictive à plusieurs échelles. Il est compatible avec des applications fondamentales et industrielles, a attiré des centaines d’utilisateurs et peut même être interfacé avec une technologie de conception assistée par ordinateur. Le programme peut s’attaquer sous un angle prédictif à la question du transport des phonons dans les cristaux et les alliages massifs, les couches minces, les super-réseaux et les structures à plusieurs échelles avec des tailles caractéristiques allant du nanomètre au micromètre. Sur un plan plus technique, almaBTE est une suite logicielle qui résout l’équation de transport de Boltzmann dépendante de l’espace et du temps pour les phonons, en utilisant uniquement des quantités calculées ab initio comme données d’entrée. Dans les semi-conducteurs et les isolants, le transport de la chaleur est principalement assuré par les phonons – un quantum d’énergie vibratoire qui provient des atomes oscillants au sein d’un réseau cristallin. Les phonons sont les particules quantiques correspondant aux ondes de réseau vibrationnelles de la même façon que les photons sont les particules quantiques correspondant aux ondes électromagnétiques. De nouveaux matériaux peuvent maintenant être étudiés Le logiciel almaBTE a permis aux chercheurs de faire des choses dont ils ne pouvaient même pas rêver auparavant, comme la modélisation ab initio du transport thermique dans les transistors à effet de champ à ailettes. «Une des réalisations dont je suis le plus fier est toutefois de pouvoir prédire la conductivité thermique dans des systèmes comportant des défauts ponctuels», déclare le Dr Natalio Mingo, coordinateur du projet. «Nous avons étudié le ZrNiSn, le SiC cubique et le GaN avec des défauts; dans tous les cas, nous avons obtenu des résultats qui concordent de manière excellente avec les expériences, et nous avons levé le voile sur de nouveaux phénomènes physiques très intéressants.» ALMA a montré que les scientifiques étaient désormais capables de prédire et de comprendre quantitativement la façon dont la chaleur se propage à des échelles adaptées aux nouveaux dispositifs. Selon le Dr Mingo: «ALMA nous a aidés à étudier de nouveaux matériaux pour l’électronique, comme le SiC et le GaN, ou le phosphore noir, et à découvrir des aspects jusqu’ici inconnus, ces résultats ayant fait l’objet de publications dans des revues avec un facteur d’impact élevé.» De plus, le logiciel gratuit almaBTE développé par ALMA permet aux chercheurs d’étudier d’autres systèmes fondamentalement liés au problème énergétique dont il est ici question. «En guise d’exemple, on peut citer les nouveaux matériaux thermoélectriques nanostructurés, les revêtements thermiques pour turbines, la conception thermique de mémoires à changement de phase et les interconnexions nanoélectroniques, tous ces systèmes souffrant de problèmes d’efficacité énergétique liés à la gestion thermique aux échelles micro et nanométriques», conclut le Dr Mingo.
Mots‑clés
ALMA, thermique, énergie, chaleur, phonon, almaBTE, nitrure de gallium (GaN), carbure de silicium (SiC), énergie électrique
