En exploitant les propriétés du nitrure de gallium, des scientifiques de l’EPFL ont mis au point un minuscule transistor pouvant supporter des tensions très élevées avec des pertes d’énergie minimales. Cette technologie est particulièrement intéressante pour les centres de données dédiés à l’IA, les véhicules électriques et l’énergie solaire.À l’intérieur de chaque appareil électronique, le flux d’électricité est contrôlé par un interrupteur appelé transistor. Pendant des décennies, ces interrupteurs étaient fabriqués en silicium. Récemment, les ingénieures et ingénieurs se sont tournés vers un matériau appelé nitrure de gallium (GaN), qui permet de concevoir des dispositifs compacts et efficaces, comme les chargeurs de smartphones.Cependant, à très haute tension, les champs électriques à l’intérieur de ces transistors tendent à se concentrer en certains points, pouvant provoquer une défaillance prématurée du composant. Ainsi, les dispositifs en GaN actuels peinent encore à atteindre les niveaux de tension les plus élevés obtenus avec ceux en silicium.Pour surmonter cette limitation, des chercheuses et chercheurs du laboratoire POWERlab (Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL ont mis au point une nouvelle catégorie de transistors en GaN basée sur la superjonction à polarisation. Ces dispositifs, fabriqués à partir de couches de nitrure de gallium déposées sur un substrat de silicium à faible coût, peuvent supporter près de 4 kilovolts (kV) avant de connaître une défaillance électrique, un record pour ce type de technologie. Il conserve de plus une faible résistance électrique, ce qui réduit les pertes d’énergie normalement dissipées sous forme de chaleur.Nos travaux pourraient ouvrir la voie à une électronique de puissance haute tension robuste et efficace, dans des formats beaucoup plus compacts.Le fait de pouvoir supporter des tensions très élevées tout en conservant une faible résistance électrique est essentiel pour une conversion efficace de l’énergie dans les centres de données dédiés à l’IA et les systèmes d’énergie renouvelable. « Nous y parvenons en exploitant un effet naturel de polarisation propre au GaN », explique Elison Matioli, directeur du POWERlab. « Nos travaux pourraient ouvrir la voie à une électronique de puissance haute tension robuste et efficace, dans des formats beaucoup plus compacts. »Concevoir à partir d’un phénomène naturelGrâce à la structure cristalline du nitrure de gallium, des forces électriques internes rassemblent les électrons mobiles en fines couches conductrices de courant. Dans les transistors GaN conventionnels, ces couches d’électrons constituent un point faible : lorsque le composant est mis hors tension, les électrons négatifs sont expulsés du canal de conduction, laissant derrière eux une charge positive non compensée. Ce déséquilibre concentre la tension en un point unique du dispositif, générant un champ électrique intense susceptible de provoquer sa rupture.Le transistor basée sur la superjonction à polarisation. 2026 Alain Herzog CC BY SA 4.0Les travaux du POWERlab, publiés dans Nature Electronics, montrent comment éviter ce déséquilibre. L’équipe a conçu les couches de GaN du transistor de manière à ce qu’une seconde couche de charge positive se forme naturellement aux côtés de la couche d’électrons, créant ainsi un équilibre entre charges positives et négatives. En ajustant précisément l’épaisseur des matériaux, l’équipe s’assure que ces deux couches de charges se compensent sur toute la longueur du dispositif.Résultat : lorsque le transistor est désactivé, les charges excédentaires ne s’accumulent plus localement. La tension peut alors se répartir uniformément sur toute la longueur du composant, un peu comme le poids du corps en s’allongeant, par exemple sur une fine couche de glace, afin de ne pas le concentrer dangereusement en un seul point.Vers une nouvelle génération d’électronique de puissanceCette architecture équilibrée permet au transistor développé par le POWERlab de supporter plus de cinq fois la tension des dispositifs de puissance GaN commerciaux actuels, qui atteignent généralement leur limite entre 600 et 650 volts. « Notre composant conserve ses performances sur une large plage de températures, ce qui le rend adapté aux véhicules électriques ou aux systèmes électriques industriels, où l’électronique doit fonctionner de manière fiable malgré des températures élevées et de fortes contraintes électriques », explique Luca Mazzone, doctorant et co-premier auteur de l’étude.Le doctorant Yuan Zong, également co-premier auteur, souligne un autre avantage majeur de cette approche : elle élimine le recours au dopage chimique, traditionnellement utilisé pour contrôler les charges électriques dans les dispositifs conventionnels. « Dans le GaN, l’équilibrage des charges par dopage peut être très sensible à la température. Notre conception sans dopage est un élément clé de la robustesse du dispositif », explique-t-il.En réalisant des travaux complémentaires, le POWERlab a également montré que l’ajout de multiples canaux de conduction dans les composants d’électronique de puissance permet de répartir le courant, réduisant ainsi la résistance et l’échauffement. Cette approche est comparable à l’ajout de voies supplémentaires sur une autoroute, qui fluidifie le trafic et évite les embouteillages.« Notre prochain objectif est de combiner ces deux approches afin de relever les deux principaux défis de l’électronique de puissance de nouvelle génération : supporter des tensions très élevées en toute sécurité tout en minimisant la résistance électrique et les pertes d’énergie qui en découlent », conclut Elison Matioli.RéférencesMazzone et al., Intrinsic Polarization Superjunctions in III-Nitrides for efficient power electronics. Nature Electronics (2026) DOI :10.1038/s41928-026-01691-4.