Les États-Unis imposent des contrôles à l’exportation sur les substrats semi-conducteurs du matériau, tandis que le Japon mène la course à leur commercialisation.
Par Scott FOSTER
TOKYO – Dans la dernière action en date contre la Chine, le gouvernement américain a imposé des contrôles à l’exportation sur un matériau semi-conducteur de nouvelle génération qui a été initialement développé au Japon.
Le 12 août, le Bureau de l’industrie et de la sécurité (BIS) du ministère américain du commerce – dans le cadre d’un mouvement global vers des sanctions technologiques supplémentaires – a publié une décision qui identifie les substrats semi-conducteurs en oxyde de gallium comme une technologie « émergente et fondamentale » « essentielle à la sécurité nationale des États-Unis. »
L’oxyde de gallium est un matériau prometteur pour la fabrication de dispositifs d’alimentation plus efficaces utilisés dans les véhicules électriques et d’autres applications, notamment militaires. Il est révélateur que l’un des principaux investisseurs de l’entreprise américaine leader dans ce domaine soit le ministère américain de la défense.
Comme l’explique Taiyo Nippon Sanso, une société japonaise participant à sa commercialisation, « ses performances théoriques en tant que dispositif de puissance sont bien supérieures à celles du silicium, et dépassent également celles du carbure de silicium et du nitrure de gallium, ce qui en fait un excellent matériau. »
Les semi-conducteurs de puissance fournissent et contrôlent l’électricité utilisée pour faire fonctionner les moteurs et charger les batteries en convertissant le courant alternatif en courant continu et en ajustant les tensions aux niveaux appropriés. La plupart de ceux qui sont utilisés aujourd’hui sont fabriqués à partir de silicium, de carbure de silicium et de nitrure de gallium. L’oxyde de gallium ne passe que maintenant de la R&D aux premières applications commerciales.
Le développement de plaquettes et de dispositifs à l’oxyde de gallium est en cours aux États-Unis, au Japon, en Europe, en Corée du Sud, à Taïwan et en Chine. Alors que le gouvernement américain tire la sonnette d’alarme quant aux implications de l’oxyde de gallium en matière de sécurité nationale, les Japonais ouvrent la voie à sa commercialisation.
Trois sociétés se distinguent en tant que développeurs et fabricants de substrats, de plaquettes et de dispositifs à l’oxyde de gallium, à savoir Kyma Technologies aux États-Unis et FLOSFIA et Novel Crystal Technology au Japon. Examinons chacun de ces leaders précoces du matériau.
Kyma Technologies
Fondée en 1998 en tant que spin-off de l’Université d’État de Caroline du Nord, Kyma Technologies est située dans la région du Research Triangle en Caroline du Nord et son siège est à Raleigh. Son activité est centrée sur les semi-conducteurs à large bande interdite destinés à l’éclairage spécialisé, aux diodes laser et à l’électronique de puissance.
L’entreprise fabrique du nitrure de gallium, du nitrure d’aluminium, de l’oxyde de gallium et d’autres types de substrats semi-conducteurs, des plaquettes et des dispositifs épitaxiaux, des systèmes de dépôt en phase vapeur et d’autres systèmes de croissance cristalline, tout en fournissant des services de conception, de fabrication et d’ingénierie. Elle a ajouté l’oxyde de gallium à sa gamme de produits en 2016.
Le site Web de Kyma Technologies présente un substrat d’oxyde de gallium d’un pouce, cinq produits de plaquettes de nitrure de gallium et de nitrure d’aluminium et des commutateurs en nitrure de gallium. Il contient des adresses électroniques pour les ventes en Amérique, en Chine, en Europe, au Japon, en Corée, à Taiwan et ailleurs.
Parmi ses actionnaires figurent des fonds de capital-risque ainsi que le ministère américain de la Défense.
FLOSFIA
Fondée en 2011 en tant que spin-off de l’université de Kyoto, FLOSFIA est spécialisée dans les dispositifs semi-conducteurs à l’oxyde de gallium fabriqués à l’aide de sa propre technologie de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) par brouillard. Elle affirme avoir réalisé la première production de masse au monde d’un dispositif d’alimentation à l’oxyde de gallium et avoir produit le dispositif le plus efficace au monde (lo Après avoir commercialisé ses dispositifs d’alimentation, FLOSFIA prévoit maintenant de commencer les expéditions en gros volumes vers l’industrie automobile, la production étant sous-traitée à des fabricants de semi-conducteurs japonais.
Les actionnaires de FLOSFIA comprennent Kyoto University Innovation Capital, University of Tokyo Edge Capital et d’autres fonds d’investissement, ainsi que des sociétés japonaises privées, notamment Brother Industries (équipement électronique), Yaskawa Electric (moteurs et robots industriels), Mitsubishi Heavy Industries (machines électriques et industrielles), DENSO (pièces et équipements automobiles et industriels, et semi-conducteurs ; DENSO est affilié à Toyota) et Fujimi (abrasifs et autres matériaux et équipements utilisés dans la production de semi-conducteurs et autres dispositifs électroniques).
FLOSFIA et DENSO collaborent actuellement au développement d’un « dispositif semi-conducteur de puissance de nouvelle génération qui devrait réduire la perte d’énergie, le coût, la taille et le poids des onduleurs utilisés dans les véhicules électrifiés (VE) » afin « d’améliorer l’efficacité des unités de commande de puissance des VE. » Les autres actionnaires industriels sont susceptibles de trouver leurs propres utilisations du produit.
Novel Crystal Technology
Novel Crystal Technology est une émanation de Tamura Corporation, un fabricant japonais de composants, de produits chimiques et d’équipements électroniques. Tamura affirme avoir produit le premier transistor à l’oxyde de gallium au monde en 2013, « ouvrant ainsi la voie à l’application pratique de dispositifs de puissance à semi-conducteurs innovants de nouvelle génération. »
Mais le premier transistor de ce type a été mis au point l’année précédente par le chercheur Masataka Higashiwaki de l’Institut national des technologies de l’information et des communications (NICT) du Japon. En 2015, la société Novel Crystal Technology a été créée en coopération avec le NICT.
Novel Crystal Technology travaille également avec Taiyo Nippon Sanso, l’Université d’agriculture et de technologie de Tokyo et l’Organisation japonaise des nouvelles énergies et des technologies industrielles (NEDO).
NICT est un « institut de recherche relais » dans le cadre du « projet de promotion des petites et moyennes entreprises », un « projet subventionné » mis en œuvre par la NEDO.
En décembre 2021, après quatre années de travail, la NEDO et Novel Crystal Technology ont annoncé le développement de diodes à l’oxyde de gallium qui « conduiront à une électronique de puissance moins chère et plus performante » et permettront « des dispositifs d’électronique de puissance plus efficaces et miniaturisés tels que des convertisseurs de puissance pour la production d’énergie photovoltaïque, des onduleurs polyvalents à usage industriel et des alimentations électriques ».
Elle prévoit d’externaliser la fabrication et de commencer les ventes dans la seconde moitié de 2023.
Sur son site Web, Novel Crystal Technology présente des plaquettes d’oxyde de gallium de 2 pouces à des fins de R&D et des plaquettes de 4 pouces ont été abordées lors d’un entretien téléphonique. Elles sont vendues à des clients au Japon, aux États-Unis, en Europe, en Corée du Sud et en Chine, dont environ 30 % sur le marché intérieur et les 70 % restants à l’étranger.
Les actionnaires de Novel Crystal Technology comprennent les sociétés japonaises AGC (verre), Hazama Ando (construction), JX Nippon Mining & Metals, ROHM (semi-conducteurs, y compris les dispositifs de puissance), Shindengen (semi-conducteurs de puissance et équipements connexes), Torex Semiconductor, Yaskawa Electric, Iwatani Venture Capital et Tamura.
JX Nippon Mining & Metals Corporation investit dans Novel Crystal Technology dans le cadre de son plan à long terme visant à développer ses activités dans le domaine des nouveaux matériaux qui contribuent à la décarbonisation. Les deux sociétés travaillent ensemble au développement de matières premières pour les dispositifs électriques à l’oxyde de gallium.
Taiyo Nippon Sanso est un producteur japonais de gaz industriels et d’installations et équipements connexes. Ses nouvelles activités stratégiques comprennent les systèmes de dépôt chimique en phase vapeur de type métal-organique (MOCVD) utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs composés, les nanotubes de carbone et la biotechnologie. Elle travaille avec NEDO et Novel Crystal pour développer des systèmes de production de masse pour les plaquettes épitaxiales d’oxyde de gallium.
Atecom Technology, un fabricant et vendeur taïwanais de lingots et de plaquettes de silicium, s’occupe également d’oxyde de gallium. En Chine continentale, Xiamen Powerway Advanced Materials (PAM-XIAMEN) en est aux premiers stades du développement de cette technologie. Pour l’instant, aucun des deux ne semble constituer une menace concurrentielle pour les Japonais ou les Américains.
En règle générale, les Japonais ont consacré d’énormes ressources publiques et privées au développement de l’oxyde de gallium et sont susceptibles d’exploiter au maximum son potentiel industriel. Il est très peu probable qu’ils fournissent leurs secrets techniques à la Chine, même en l’absence de contrôles officiels des exportations américaines.
L’ampleur de l’effort japonais semble désavantager Kyma Technologies, mais sa technologie est comparable et elle devrait bénéficier de la relance de l’industrie technologique américaine soutenue par le gouvernement. S’il y a un acteur qui devrait s’inquiéter d’être laissé pour compte, ce sont les Chinois – ce qui, bien sûr, est l’objectif des contrôles à l’exportation du ministère du Commerce.
Il ne fait aucun doute que nous entendrons à nouveau parler de Kyma Technologies, même si leur travail avec l’armée américaine reste confidentiel ; ce que l’armée japonaise peut faire avec l’oxyde de gallium est une autre question. Mais en regardant la page des FAQ sur le site Web de Kyma Technologies, nous pouvons voir :
Q : « Pourquoi l’oxyde de gallium suscite-t-il tant d’attention ? »
R : « L’oxyde de gallium, en particulier sous sa forme bêta [β-Ga2O3], est un matériau semi-conducteur à bande interdite ultra-large (UWBGS) passionnant en raison de son mélange alléchant de propriétés physiques qui, ensemble, se traduisent par des chiffres de mérite très élevés [expression numérique représentant la performance ou l’efficacité] pour un certain nombre d’applications de l’électronique à haut débit et de l’électronique de puissance. »
L’oxyde de gallium a une bande interdite de 4,5 eV dans sa forme bêta (β-Ga2O3), avec laquelle Kyma, FLOSFIA et Novel Crystal travaillent principalement. En comparaison, la bande interdite du silicium (Si) est de 1,1 eV et les bandes interdites « larges » du carbure de silicium (SiC) et du nitrure de gallium (GaN) sont respectivement de 3,3eV et 3,4eV.
Plus la bande interdite est élevée, plus le dispositif de puissance est efficace. Comme l’explique la série sur la gestion de l’énergie d’Electronic Design :
« Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) permettent de fabriquer des composants électroniques de puissance plus petits, plus rapides, plus fiables et avec un rendement plus élevé que leurs homologues à base de silicium. Ces capacités permettent de réduire le poids, le volume et les coûts du cycle de vie dans une large gamme d’applications de puissance. L’exploitation de ces capacités peut permettre de réaliser des économies d’énergie considérables dans le traitement industriel et les appareils grand public, d’accélérer l’utilisation généralisée des véhicules électriques et des piles à combustible, et de contribuer à l’intégration des énergies renouvelables dans le réseau électrique. »
Le SiC et le GaN sont les semi-conducteurs à large bande interdite les plus utilisés aujourd’hui. Les semi-conducteurs à ultra-large bande interdite ont des bandes interdites supérieures à celles du GaN. Outre l’oxyde de gallium, ils comprennent le nitrure d’aluminium et le diamant.
Sans être supérieur à tous les égards, l’oxyde de gallium a le mérite d’être relativement facile et potentiellement moins cher à fabriquer. Il devrait faire une percée sur le marché des dispositifs d’alimentation au cours des prochaines années et pourrait éventuellement apporter une contribution majeure aux véhicules électriques une fois les économies d’échelle réalisées.
Par SCOTT FOSTER
14 septembre 2022
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Asia Times
https://asiatimes.com/2022/09/gallium-oxide-fuelling-new-chapter-chip-war/