Débloquer la révolution 6G avec les semi-conducteurs GaN de nouvelle génération

Les semi-conducteurs sont à la base de l'électronique et de l'industrie. Internet des objets (IoT) et des équipements de télécommunication.

Ce sont des matériaux qui contrôlent le flux du courant électrique. Leur propriété unique de conductivité, qui se situe entre celle d'un conducteur et celle d'un isolant, en fait un composant clé de dispositifs tels que les diodes, les transistors et les circuits intégrés. 

The demand for semiconductors is rapidly rising. They are used in smartphones, computers, appliances, medical equipment, and gaming hardware. Then there’s the growing popularity and usage of artificial intelligence (AI) technologies, which are further boosting advances in chip development and increasing semiconductor production.

Le rythme soutenu du déploiement de la 5G est un autre facteur qui contribue à la bonne santé de la demande de puces à semi-conducteurs.

The “fifth generation” of cellular network technology, which has been deployed by mobile operators worldwide since 2019, offers higher download speeds and lower latency, which allows for near-instantaneous communication. 

La latence ultra-faible et la fiabilité élevée de la 5G sont extrêmement importantes pour les progrès de la haute technologie. Le réseau 5G, quant à lui, s'appuie sur les semi-conducteurs pour offrir ces avantages.

Les composants semi-conducteurs sont ici nécessaires pour traiter les signaux transportant les données. Des stations de base aux smartphones et aux appareils IoT, ce sont les puces qui permettent un traitement rapide des signaux, une transmission radiofréquence (RF) à large bande et une connectivité sécurisée.

Alors que la 5G en est encore au stade du déploiement, les acteurs de l'industrie ont déjà commencé à en discuter. le développement de la sixième génération (6G). Cela nécessite toutefois des avancées significatives dans la technologie des semi-conducteurs qui peuvent gérer une latence extrêmement faible, des débits de données ultra-élevés, une efficacité énergétique élevée, la prise en charge des fréquences térahertz (THz) et, bien sûr, une connectivité massive.

Alors que les entreprises et les chercheurs s'efforcent d'améliorer les capacités des semi-conducteurs, une récente percée technologique présente un énorme potentiel de transformation de la façon dont nous communiquons.

En suralimentant le réseau mobile 6G pour offrir des vitesses plus rapides, des communications plus efficaces et une couverture beaucoup plus large que la génération actuelle (5G), cette dernière avancée promet un avenir qui fera de beaucoup de science-fiction une réalité.

Des concepts futuristes tels que sentir le contact de ses proches vivant à l'autre bout du continent ou obtenir un diagnostic médical instantané sans avoir à sortir de chez soi dépendent tous de la capacité à communiquer et à transférer des quantités massives de données à une vitesse bien supérieure à celle des réseaux existants.

Des physiciens de l'université de Bristol ont trouvé un nouveau moyen d'accélérer le processus pour y parvenir.

“Within the next decade, previously almost unimaginable technologies to transform a wide range of human experiences could be widely available.”

– Co-lead author Martin Kuball, Professor of Physics at the University of Bristol.

Talking about the possible benefits, which he noted are “far-reaching,” Kuball pointed to advances in healthcare with remote diagnostics and surgery, virtual classrooms, virtual holiday tourism, industrial automation for greater efficiency, and advanced driver assistance systems (ADAS) to improve road safety.

“The list of possible 6G applications is endless, with the limit just being human imagination. So our innovative semiconductor discoveries are hugely exciting and will help drive forward these developments at speed and scale.”

– Kuball 

Qu'est-ce que cette Le passage à la 6G nécessite est une mise à jour radicale de la technologie des semi-conducteurs, des systèmes, des circuits et des algorithmes associés. 

L'essor des transistors à base de GaN

Dans le secteur des semi-conducteurs, qui progresse rapidement, le nitrure de gallium (GaN) est utilisé comme principal composant des semi-conducteurs. 

Ce semi-conducteur composé est très dur, mécaniquement stable et possède une large bande interdite, ce qui le rend adapté aux applications à haute puissance et à haute fréquence. Après le silicium, le GaN est l'un des semi-conducteurs les plus critiques, et il est de plus en plus adopté dans l'électronique grand public. 

Le GaN est en effet connu pour avoir une bande interdite plus large que le silicium. Par conséquent, les dispositifs GaN peuvent supporter des densités de puissance plus élevées, ce qui permet d'obtenir des conceptions plus petites et plus légères et d'offrir une efficacité et une fiabilité accrues.

Dans les systèmes de communication actuels de cinquième génération, ces dispositifs deviennent de plus en plus la nouvelle norme. Aujourd'hui, les chercheurs les étudient pour les applications mobiles et d'infrastructure sans fil de la 6G. 

C'est grâce à leur puissance de sortie élevée et à leur opérabilité à haute fréquence que les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de GaN ont révolutionné les communications sans fil et militaires. 

This has been primarily because of material parameters like a high critical electric field, good room-temperature mobility, and high saturation velocity. Innovations in field plate design have enhanced GaN HEMTs’ performance even further, leading to powers of up to 40 W mm−1 at 4 GHz and 60% power-added efficiency. 

But this isn’t enough to enable future applications. GaN needs to be even quicker and more reliable, and emit greater power to enable the sixth generation of wireless communications.

Improvements in output power are required to maintain signal integrity over long distances, with ambitious projects already setting targets to achieve 81 W mm−1.

Dans ce contexte, l'équipe internationale d'ingénieurs et de scientifiques a développé et testé une nouvelle architecture qui a augmenté les capacités des amplificateurs spéciaux en GaN. 

Ces résultats ont été obtenus en trouvant un effet de verrouillage dans le GaN, ce qui a permis de débloquer des performances très élevées pour les dispositifs à radiofréquence. Cette nouvelle génération de dispositifs utilise des canaux parallèles qui nécessitent des ailettes latérales de moins de 100 nm, un type de transistor qui contrôle le flux de courant traversant les dispositifs.

Dans cette dernière recherche, l'équipe a utilisé plus de 1000 ailettes d'une largeur inférieure à 100 nm dans les SLCFET pour aider à faire passer le courant. Selon le co-auteur principal, le Dr Akhil Shaji, chercheur associé honoraire à l'université de Bristol :

“We have piloted a device technology, working with collaborators, called superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).” 

GaN-based SLCFETs have the potential to be used to achieve the high output power targets (81 W mm−1) set by projects. SLCFETs with up to ten stacked two-dimensional electron gas (2DEG) channels can actually provide a 10x increase in charge carriers compared to single-channel GaN HEMTs.

Selon l'étude, la nouvelle architecture offre une faible tension de genou, ce qui la rend idéale pour les grandes variations de tension de sortie combinées à une densité de courant élevée. 

SLCFETs have exhibited output power of over 10 W mm−1 at 94 GHz with 12 V on the drain and over 40% power added efficiency, supported by a current density of 4.8 A mm−1 with minimum dispersion and current collapse.

At this much power, the challenge comes in controlling heat dissipation, but without elevating the device footprint. While power can be enhanced by increasing the drain voltage (VDS), impact ionization can deteriorate SLCFET’s characteristics. 

Then there’s transistor latching. Here, the device remains in the on state despite being biased in off-state gate bias (VGS), an effect well known in silicon-based devices. However, GaN’s high bandgap minimizes impact ionization. The researchers have previously confirmed the occurrence of impact ionization in SLCFETs’ on-state operation.

Amélioration des performances du GaN grâce à l'effet de verrouillage

Les SLCFET à base de nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN/) ou de nitrure de gallium (GaN) sont prometteurs en tant que base pour les amplificateurs et commutateurs RF à haute puissance des radars avancés du futur. 

Ces transistors ont montré les meilleures performances dans la gamme de fréquences de la bande W, qui s'étend de 75 GHz à 110 GHz. La science qui sous-tend ce phénomène était toutefois inconnue jusqu'à présent. 

Selon l'étude publiée dans la revue journal Nature Electronics¹, it is “a latch-effect in GaN, which enables the high radio frequency performance.”

L'effet étant désormais reconnu, l'équipe a cherché à savoir où il se produit. Elle a utilisé simultanément des mesures électriques ultra-précises et la microscopie optique pour étudier l'effet plus en profondeur et mieux le comprendre.

Après avoir analysé plus de 1 000 nageoires, les chercheurs ont localisé l'effet sur la nageoire la plus large. Pour mieux vérifier les observations, l'équipe a construit un modèle 3D à l'aide d'un simulateur.

“Current–voltage measurements, simulations, and correlated electroluminescent emission at the latching condition indicate that triggering of fin-width-dependent localized impact ionization is responsible for the latching,” noted the study, adding that this localization is attributed to the presence of variation in fin-width, which is due to variability in the fabrication process.

Next, the team tackled the reliability aspects of the effect for practical applications. The rigorous testing of the device over a long period of time showed that the latch effect has no detrimental effect on the device’s performance or reliability.

The latching condition, as per the study, is reversible as well as non-degrading and can lead to improvement in transistors’ transconductance characteristics, implying enhanced linearity and power in radiofrequency power amplifiers.

“We found a key aspect driving this reliability was a thin layer of dielectric coating around each of the fins.”

– Professor Kuball, the Royal Academy of Engineering Chair in Emerging Technologies

À la tête du Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR), M. Kuball contribue à la mise au point de dispositifs électroniques à semi-conducteurs de nouvelle génération pour les communications et la technologie radar, ainsi qu'à l'obtention d'émissions nettes nulles. Le CDTR travaille également à l'amélioration de la gestion thermique du dispositif, de ses performances électriques et de sa fiabilité grâce à des semi-conducteurs à large et ultra large bande interdite. 

The main takeaway of the research, Kuball noted, “was clear – the latch effect can be exploited for countless practical applications, which could help transform people’s lives in many different ways in years to come.”

À l'avenir, l'équipe s'efforcera d'augmenter encore la densité de puissance que les appareils peuvent fournir. Cela leur permettra d'offrir des performances encore plus élevées et de s'adresser à un public plus large. 

En outre, les partenaires industriels contribueront à la commercialisation de ces dispositifs de nouvelle génération.

Investir dans l'innovation en matière de semi-conducteurs

Lorsqu'il s'agit d'investir dans la technologie GaN, MACOM (MTSI +3.85%) est l'une des rares sociétés publiques américaines à offrir une exposition directe à cette technologie. Elle utilise les technologies GaN-on-SiC et GaN-on-Si pour permettre des architectures de systèmes de nouvelle génération dans une large gamme d'applications. La société propose des amplificateurs innovants à faible bruit, des amplificateurs de puissance GaN et des commutateurs couvrant des fréquences allant du courant continu à plus de 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI +3.85%)

MACOM Technology Solutions Holdings est un fabricant de produits semi-conducteurs de haute performance pour les télécommunications et d'autres industries. 

L'entreprise dessert plus de 6 000 clients par an grâce à son large portefeuille de produits qui comprend des technologies de semi-conducteurs analogiques, hyperfréquences, radiofréquences (RF), à signaux mixtes et optiques. MACOM est spécialisée dans les applications, la fabrication de semi-conducteurs composés, y compris GaAs, GaN, InP, et le silicium spécialisé, la conception de circuits analogiques et à signaux mixtes, l'emballage avancé, et l'assemblage et le test en bout de chaîne.

L'entreprise a obtenu plusieurs certifications, notamment la norme aérospatiale AS9100D, la norme automobile IATF16949, la norme de qualité internationale ISO9001 et la norme de gestion environnementale ISO14001.

When it comes to MCOM’s market performance, with a market capitalization of $9 billion, MTSI shares are currently trading at $123.41. While MTSI is down 6.37% this year so far, it is up 46.7% from its early-April low and only about 15.5% away from the peak it hit just this year in January. With that, its EPS (TTM) is -1.22 and P/E (TTM) is -99.66.

En ce qui concerne les données financières de l'entreprise, MACOM a récemment publié ses résultats pour le deuxième trimestre fiscal clos le 4 avril 2025, au cours duquel elle a enregistré un chiffre d'affaires de $235,9 millions, soit une augmentation de 30,2% par rapport au même trimestre de l'année précédente.

Le résultat d'exploitation s'est élevé à 34,9 millions de dollars, soit 14,8% du chiffre d'affaires, tandis que le résultat net a été de 31,7 millions de dollars, soit 0,42T par action diluée. La marge brute, au cours de cette période, a augmenté de 2,7% pour atteindre 55,2%, tandis que la marge brute ajustée a augmenté de 0,4% pour atteindre 57,5%. 

Commenting on the company’s “solid Q2 performance,” President and CEO Stephen G. Daly praised the “exceptional teamwork across the entire MACOM organization” for enabling this success.

These numbers followed “a good start” to the fiscal year in Q1, in which Daly said, the company’s focus continues to be on serving customers and “building a stronger, broader and more competitive product portfolio.”

In 1Q25, MACOM’s revenue was $218.1 million, which jumped by 38.8% from 1Q24, and income from operations was $17.5 million, or 8% of revenue. In the previous quarter, the company actually reported a net loss of $167.5 million, or $2.30 loss per diluted share, due to making a one-time loss of $193.1 million on extinguishment of debt.

Pour le troisième trimestre fiscal se terminant le 4 juillet 2025, MACOM prévoit un chiffre d'affaires compris entre 1T4T246 millions et 1T4T254 millions. Elle s'attend à ce que la marge brute ajustée se situe entre 56,51T3T et 58,51T3T et à ce que le bénéfice ajusté par action diluée se situe entre 1T4T0,87 et 1T4T0,91, en utilisant un taux d'imposition sur le revenu non-GAAP de 31T3T et 76,5 millions d'actions en circulation entièrement diluées.

Dans ce contexte, MACOM a continué à développer ses activités par le biais d'investissements. In Jan. this year, MACOM announced a strategic plan to invest as much as $345 million over a period of five years in its Massachusetts and North Carolina wafer fabrication facilities. The aim of the investment is to modernize existing facilities and introduce advanced manufacturing capabilities for RF, microwave, and millimeter wave technologies in order to enhance MACOM’s product offerings for datacenter, telecommunications, and defense industries. 

Dans son usine du Massachusetts, la société installera une capacité de fabrication de 150 mm de GaN-sur-SiC.

“This plan will strengthen MACOM’s domestic semiconductor manufacturing capabilities,” said Daly, adding that it will also accelerate the company’s growth strategy.

Cette initiative est soutenue par un accord préliminaire avec la Commission européenne. Bureau du programme CHIPSCette loi a consacré un total de 1,43 milliard d'euros à des mesures d'incitation à l'investissement dans des installations et des équipements aux États-Unis. Elle propose un financement et des crédits d'impôt de 1,4 milliard de tonnes au MACOM dans le cadre de la loi CHIPS et de la loi sur la science.

Quelques mois auparavant, MACOM a acquis une société de semi-conducteurs sans usine appelée ENGIN-IC, qui conçoit des MMIC (circuits intégrés monolithiques hyperfréquences) GaN avancés dans le but de mieux servir ses marchés cibles et d'obtenir une plus grande part de marché.

ENGIN-IC se concentre actuellement sur l'industrie de la défense américaine et s'enorgueillit d'un portefeuille de produits comprenant plus de 60 MMIC standard et de nombreux autres MMIC personnalisés.

“ENGIN-IC’s exceptional wideband and high efficiency MMIC and module design expertise will enable us to better support our mutual customers,” said Daly at the time, while ENGIN-IC co-founder and CTO Stephen Nelson shared excitement to “be a part of MACOM’s efforts to lead the industry in GaN semiconductor processes and products.”

Conclusion

La 6G est la prochaine génération de technologies pour les communications sans fil qui promet des vitesses encore plus rapides et une communication plus efficace. La réalisation de cet avenir de communication mondiale, d'automatisation et d'expériences virtuelles immersives dépend toutefois des progrès réalisés dans le domaine des semi-conducteurs. Le matériau semi-conducteur GaN, avec ses qualités uniques de vitesse plus élevée, de résistance plus faible et de tension de claquage plus élevée, démontre son potentiel à révolutionner l'électronique et la communication.

The latest breakthrough in GaN-based SLCFETs, which takes advantage of the novel transistor architectures and uncovers the mechanics of the latch-effect, pushes the boundaries of what’s possible in high-frequency semiconductor performance.

Cette innovation rend le chemin vers la réalité de la 6G plus clair que jamais en révélant à la fois des performances évolutives et une fiabilité robuste.

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Études référencées :

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., et autres. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch-induced sub-60-mV-per-decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5