Un nouveau matériau ouvre la voie à la récupération d’énergie sur puce

Des chercheurs allemands, italiens et britanniques ont réalisé une avancée majeure dans le développement de matériaux adaptés à la récupération d’énergie sur puce. En composant un alliage composé de silicium, de germanium et d’étain, ils ont réussi à créer un matériau thermoélectrique qui promet de transformer la chaleur résiduelle des processeurs informatiques en électricité.

Avec tous les éléments provenant du 4e groupe principal du tableau périodique, ces nouveaux alliages semi-conducteurs peuvent être facilement intégrés dans le processus CMOS de production de puces. Les résultats de la recherche sont publiés dans ACS Matériaux énergétiques appliqués.

L’utilisation croissante des appareils électroniques dans tous les aspects de notre vie entraîne une augmentation de la consommation d’énergie. La majeure partie de cette énergie est dissipée dans l’environnement sous forme de chaleur.

En Europe, les infrastructures et les appareils informatiques, comme les centres de données et les appareils intelligents, gaspillent environ 1,2 exajoule de chaleur à basse température par an. Cela équivaut à peu près à la consommation d’énergie primaire de l’Autriche ou de la Roumanie. Cette chaleur de basse température, inférieure à 80 °C, est traditionnellement difficile à exploiter en raison d’une faible efficacité thermodynamique et de contraintes technologiques.

L’utilisation directe de la chaleur à basse température pour les processeurs informatiques semble donc être une solution idéale. Mais il n’existe que très peu de matériaux permettant de convertir la chaleur en énergie électrique, et aucun d’entre eux n’est compatible avec la technologie actuelle des usines de fabrication de semi-conducteurs.

Une collaboration de recherche entre le Forschungszentrum Jülich et l’IHP – Institut Leibniz de microélectronique haute performance en Allemagne, en collaboration avec l’Université de Pise, l’Université de Bologne en Italie et l’Université de Leeds au Royaume-Uni, a franchi une étape importante dans le développement de matériaux adaptés à la récupération d’énergie sur puce, compatibles avec le processus CMOS de production de puces.

« L’ajout d’étain au germanium réduit considérablement la conductivité thermique du matériau tout en conservant ses propriétés électriques, une combinaison idéale pour les applications thermoélectriques », explique le Dr Dan Buca, responsable du groupe de recherche au Forschungszentrum Jülich.

La confirmation expérimentale de la faible conductivité thermique du réseau, publiée dans ACS Matériaux énergétiques appliquésmet en évidence le grand potentiel de ces alliages GeSn comme matériaux thermoélectriques.

L’idée derrière tout cela : en intégrant ces alliages dans des puces informatiques à base de silicium, il est possible d’utiliser la chaleur résiduelle générée pendant le fonctionnement et de la reconvertir en énergie électrique. Cette récupération d’énergie sur puce pourrait réduire considérablement le besoin de refroidissement et d’alimentation externes, ce qui permettrait de créer des appareils informatiques plus durables et plus efficaces.

De plus, les éléments du groupe IV, également appelés groupe du silicium, constituent la base de tout dispositif électronique et, en exploitant leurs propriétés d’alliage, les domaines d’application s’élargissent désormais pour inclure la thermoélectricité, la photonique et la spintronique. L’intégration monolithique de la photonique, de l’électronique et de la thermoélectricité sur la même puce est l’objectif ambitieux à long terme de la technologie à base de silicium.

En combinant ces domaines, il est possible non seulement d’améliorer les performances des appareils, mais aussi de soutenir le développement de technologies plus durables.

« Avec ce document, nous avons franchi une étape très importante. Nous avons évalué l’un des paramètres les plus critiques pour un matériau thermoélectrique, la conductivité thermique, en utilisant une série de techniques expérimentales différentes sur des échantillons épitaxiaux avec différentes compositions et épaisseurs d’alliage », explique le professeur Giovanni Capellini, chef de projet à l’IHP. « Nos recherches conjointes peuvent avoir un impact considérable dans le domaine des infrastructures « Green IT ». »

Les groupes de recherche du centre de recherche de Jülich et de l’IHP poursuivent leur collaboration fructueuse. Ils ont pour objectif de développer davantage le matériau en étendant la composition de l’alliage à SiGeSn et à l’alliage ultime du groupe IV CSiGeSn, et de fabriquer un dispositif thermoélectrique fonctionnel pour démontrer le potentiel de récupération d’énergie des alliages du groupe IV.

L’activité est soutenue financièrement par une subvention DFG récemment accordée « Alliages SiGeSn pour la récupération d’énergie à température ambiante ». De plus, cette activité pour FZJ est partiellement soutenue par le conseil d’administration via le projet de doctorat collaboratif « Récolte d’énergie CMOS pour les applications big data ».

Un élément thermoélectrique convertit directement les différences de température en énergie électrique. Lorsqu’un gradient de température se produit à travers un matériau thermoélectrique, il induit un flux de porteurs de charge, générant de l’électricité. Ce processus peut être utilisé pour capter et recycler la chaleur résiduelle dans les appareils électroniques, la reconvertir en énergie utilisable et réduire la consommation énergétique globale.

Pour les matériaux thermoélectriques, une conductivité thermique plus faible est souhaitable car elle permet un gradient de température plus important, ce qui est essentiel pour une conversion d’énergie efficace. Les alliages GeSn, avec leur conductivité thermique réduite, excellent dans la création de ce gradient, améliorant ainsi leurs performances thermoélectriques.

Fourni par Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik