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

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

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

La demande en semi-conducteurs augmente rapidement. Ils sont utilisés dans les smartphones, les ordinateurs, les appareils électroménagers, les équipements médicaux et les consoles de jeu. L'essor et l'utilisation des technologies d'intelligence artificielle (IA) accélèrent également les progrès du développement des puces et augmentent la production de semi-conducteurs.

Le rythme soutenu du déploiement de la 5G est un autre facteur qui stimule la demande croissante de puces semi-conductrices.

La « cinquième génération » de technologie de réseau cellulaire, déployée par les opérateurs mobiles du monde entier depuis 2019, offre des vitesses de téléchargement plus élevées et une latence plus faible, ce qui permet une communication quasi instantanée. 

La latence ultra-faible et la grande fiabilité de la 5G sont essentielles aux avancées technologiques. Le réseau 5G, quant à lui, s'appuie sur les semi-conducteurs pour en offrir les avantages.

Des composants semi-conducteurs sont nécessaires pour traiter les signaux transportant les données. Des stations de base aux smartphones et aux objets connectés, ce sont ces puces qui permettent un traitement rapide du signal, une transmission radiofréquence (RF) à large bande et une connectivité sécurisée.

Alors que la 5G est encore en phase de déploiement, les acteurs du secteur ont déjà commencé à discuter le développement de la sixième génération (6G). Cela nécessite cependant des avancées significatives dans la technologie des semi-conducteurs capables de 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 travaillent à l’amélioration des capacités des semi-conducteurs, une récente avancée technologique présente un énorme potentiel pour transformer notre façon de communiquer.

En suralimentant le réseau mobile 6G pour offrir des vitesses plus rapides, une communication plus efficace 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.

Les concepts futuristes tels que ressentir le contact de vos proches qui vivent à l’autre bout du continent ou obtenir un diagnostic médical instantanément sans avoir à sortir de chez vous dépendent tous de la capacité à communiquer et à transférer des quantités massives de données à une vitesse beaucoup plus rapide que celle dont sont capables les réseaux existants.

Des physiciens de l’Université de Bristol ont trouvé une nouvelle façon d’accélérer le processus pour y parvenir.

« Au cours de la prochaine décennie, des technologies auparavant presque inimaginables, capables de transformer un large éventail d’expériences humaines, pourraient être largement disponibles. »

– Co-auteur principal Martin Kuball, professeur de physique à l’Université de Bristol.

Parlant des avantages possibles, qu'il a qualifiés de « de grande portée », Kuball a souligné les progrès dans les soins de santé avec les diagnostics et la chirurgie à distance, les salles de classe virtuelles, le tourisme de vacances virtuel, l'automatisation industrielle pour une plus grande efficacité et les systèmes avancés d'assistance à la conduite (ADAS) pour améliorer la sécurité routière.

La liste des applications possibles de la 6G est infinie, la seule limite étant l'imagination humaine. Nos découvertes innovantes en matière de semi-conducteurs sont donc extrêmement prometteuses et contribueront à accélérer et à accélérer ces développements.

– Kuball 

Que ce le passage à la 6G nécessite est une mise à niveau 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 en pleine évolution, le nitrure de gallium (GaN) est utilisé comme principal composant semi-conducteur. 

Ce semi-conducteur composé est très dur, mécaniquement stable et possède une large bande interdite, ce qui le rend idéal pour les applications haute puissance et haute fréquence. Après le silicium, le GaN est l'un des semi-conducteurs les plus critiques et connaît une adoption croissante dans l'électronique grand public. 

Le GaN est connu pour sa bande interdite plus large que le silicium. Par conséquent, les dispositifs GaN peuvent gérer des densités de puissance plus élevées, ce qui permet des conceptions plus compactes et plus légères, ainsi qu'une meilleure efficacité et une meilleure fiabilité.

Dans les systèmes de communication actuels de cinquième génération, ces appareils deviennent de plus en plus la norme. Les chercheurs explorent désormais cette technologie pour les applications mobiles et sans fil 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. 

Cela est principalement dû à des paramètres matériels tels qu'un champ électrique critique élevé, une bonne mobilité à température ambiante et une vitesse de saturation élevée. Les innovations dans la conception des plaques de champ ont encore amélioré les performances des HEMT GaN, permettant des puissances allant jusqu'à 40 W·mm−1 à 4 GHz et un rendement en puissance ajoutée de 60 %. 

Mais cela ne suffit pas pour permettre les applications futures. Le GaN doit être encore plus rapide et fiable, et émettre une puissance supérieure pour permettre la sixième génération de communications sans fil.

Des améliorations de la puissance de sortie sont nécessaires pour maintenir l’intégrité du signal sur de longues distances, des projets ambitieux fixant déjà des objectifs pour atteindre 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 GaN spéciaux. 

Ces résultats ont été obtenus grâce à la découverte d'un effet de verrouillage dans le GaN, qui a permis d'obtenir des performances radiofréquences très élevées. Cette nouvelle génération de dispositifs utilise des canaux parallèles nécessitant des ailettes latérales inférieures à 100 nm, un type de transistor contrôlant le flux de courant traversant les dispositifs.

Dans ses dernières recherches, l'équipe a utilisé plus de 1000 100 ailettes d'une largeur inférieure à XNUMX nm dans des SLCFET pour favoriser la circulation du courant. Selon le Dr Akhil Shaji, co-auteur principal et chercheur associé honoraire à l'Université de Bristol :

« Nous avons piloté une technologie de dispositif, en collaboration avec des collaborateurs, appelée transistors à effet de champ à super-réseau crénelé (SLCFET). » 

Les SLCFET à base de GaN offrent le potentiel d'atteindre les objectifs de puissance de sortie élevée (81 W·mm−1) fixés par les projets. Les SLCFET comportant jusqu'à dix canaux de gaz d'électrons bidimensionnels empilés (2DEG) peuvent en effet multiplier par dix le nombre de porteurs de charge par rapport aux HEMT GaN monocanal.

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

Les SLCFET ont montré une puissance de sortie de plus de 10 W mm−1 à 94 GHz avec 12 V sur le drain et une efficacité de puissance ajoutée de plus de 40 %, soutenue par une densité de courant de 4.8 A mm−1 avec une dispersion et un effondrement de courant minimaux.

À une telle puissance, le défi consiste à contrôler la dissipation thermique, sans pour autant augmenter l'encombrement du dispositif. Si la puissance peut être améliorée en augmentant la tension de drain (VDS), l'ionisation par impact peut dégrader les caractéristiques du SLCFET. 

Il y a ensuite le verrouillage du transistor. Dans ce cas, le dispositif reste à l'état passant malgré une polarisation de grille à l'état bloqué (VGS), un effet bien connu des dispositifs à base de silicium. Cependant, la bande interdite élevée du GaN minimise l'ionisation par impact. Les chercheurs ont précédemment confirmé la présence d'ionisation par impact lors du fonctionnement à l'état passant des SLCFET.

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 haute puissance dans les radars avancés du futur. 

Ces transistors ont affiché les meilleures performances dans la bande de fréquences W, comprise entre 75 et 110 GHz. Cependant, la science derrière ce phénomène était jusqu'à présent inconnue. 

Selon l'étude publiée dans le revue Nature Electronics¹, c'est « un effet de verrouillage dans GaN, qui permet des performances en haute fréquence radio. »

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

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

« Les mesures de courant-tension, les simulations et l'émission électroluminescente corrélée dans la condition de verrouillage indiquent que le déclenchement de l'ionisation par impact localisée dépendante de la largeur des ailettes est responsable du verrouillage », a noté l'étude, ajoutant que cette localisation est attribuée à la présence de variation de la largeur des ailettes, qui est due à la variabilité du processus de fabrication.

L'équipe s'est ensuite penchée sur la fiabilité de l'effet pour des applications pratiques. Des tests rigoureux du dispositif sur une longue période ont montré que l'effet de verrouillage n'avait aucun effet néfaste sur ses performances ni sur sa fiabilité.

Selon l'étude, la condition de verrouillage est réversible et non dégradante et peut conduire à une amélioration des caractéristiques de transconductance des transistors, impliquant une linéarité et une puissance améliorées dans les amplificateurs de puissance radiofréquence.

« Nous avons découvert qu’un aspect clé de cette fiabilité était une fine couche de revêtement diélectrique autour de chacune des ailettes. »

– Professeur Kuball, titulaire de la chaire de technologies émergentes de la Royal Academy of Engineering

À la tête du Centre de thermographie et de fiabilité des dispositifs (CDTR), Kuball contribue au développement de dispositifs électroniques à semi-conducteurs de nouvelle génération pour les technologies de communication et de radar, et à l'atteinte de la neutralité carbone. Le CDTR travaille également à l'amélioration de la gestion thermique des dispositifs, de leurs performances électriques et de leur fiabilité grâce à des semi-conducteurs à large et ultra-large bande interdite. 

Le principal enseignement de la recherche, a noté Kuball, « était clair : l’effet de verrouillage peut être exploité pour d’innombrables applications pratiques, qui pourraient aider à transformer la vie des gens de nombreuses manières différentes dans les années à venir. »

À l'avenir, l'équipe se concentrera sur l'augmentation de la densité de puissance des appareils. Cela leur permettra d'offrir des performances encore supérieures et de desservir un public plus large. 

De plus, les partenaires industriels contribueront à rendre ces appareils de nouvelle génération disponibles sur le marché.

Investir dans l'innovation des semi-conducteurs

Lorsqu'il s'agit d'investir dans la technologie GaN, MACOM (MTSI + 0.42%) est l'une des rares entreprises américaines cotées en bourse à offrir une exposition directe à ce domaine. Elle utilise les technologies de traitement GaN sur SiC et GaN sur Si pour développer des architectures système de nouvelle génération dans un large éventail d'applications. L'entreprise propose des amplificateurs à faible bruit innovants, des amplificateurs de puissance GaN et des commutateurs couvrant des fréquences allant du courant continu à plus de 100 GHz.

MACOM Solutions Technologiques Holdings Inc (MTSI + 0.42%)

MACOM Technology Solutions Holdings est un fabricant de produits semi-conducteurs hautes performances pour les télécommunications ainsi que pour d'autres industries. 

L'entreprise sert plus de 6,000 XNUMX clients chaque année grâce à sa vaste gamme de produits intégrant les technologies des semi-conducteurs analogiques, micro-ondes, radiofréquences (RF), à signaux mixtes et optiques. MACOM est spécialisée dans les applications, la fabrication de semi-conducteurs composés (GaAs, GaN, InP), ainsi que la conception de circuits silicium spécialisés, analogiques et à signaux mixtes, le packaging avancé, l'assemblage et les tests back-end.

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

Concernant la performance boursière de MCOM, avec une capitalisation boursière de 9 milliards de dollars, l'action MTSI s'échange actuellement à 123.41 dollars. Bien que MTSI ait perdu 6.37 % depuis le début de l'année, elle est en hausse de 46.7 % par rapport à son plus bas de début avril et à seulement 15.5 % du pic atteint en janvier dernier. Son BPA (sur 1.22 mois) s'établit donc à -99.66 et son PER (sur XNUMX mois) à -XNUMX.

En ce qui concerne les finances de l'entreprise, MACOM a récemment publié les résultats du deuxième trimestre fiscal clos le 4 avril 2025, au cours duquel elle a enregistré un chiffre d'affaires de 235.9 millions de dollars, 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 s'est établi à 31.7 millions de dollars, soit 0.42 dollar par action diluée. La marge brute, au cours de cette période, a bondi de 2.7 % pour atteindre 55.2 %, tandis que la marge brute ajustée a progressé de 0.4 % pour atteindre 57.5 ​​%. 

Commentant la « solide performance de l'entreprise au deuxième trimestre », le président-directeur général Stephen G. Daly a salué le « travail d'équipe exceptionnel au sein de l'ensemble de l'organisation MACOM » pour avoir permis ce succès.

Ces chiffres font suite à un « bon début » d'exercice au premier trimestre, au cours duquel Daly a déclaré que l'accent de l'entreprise continue d'être mis sur le service à la clientèle et sur la « construction d'un portefeuille de produits plus solide, plus large et plus compétitif ».

Au premier trimestre 1, le chiffre d'affaires de MACOM s'est élevé à 25 millions de dollars, en hausse de 218.1 % par rapport au premier trimestre 38.8, et le résultat d'exploitation à 1 millions de dollars, soit 24 % du chiffre d'affaires. Au trimestre précédent, la société avait enregistré une perte nette de 17.5 millions de dollars, soit une perte de 8 dollars par action diluée, en raison d'une perte exceptionnelle de 167.5 millions de dollars liée à l'extinction de la dette.

Pour le troisième trimestre fiscal clos le 4 juillet 2025, MACOM prévoit un chiffre d'affaires compris entre 246 et 254 millions de dollars. La marge brute ajustée devrait se situer entre 56.5 % et 58.5 % et le bénéfice par action dilué ajusté entre 0.87 $ et 0.91 $, sur la base d'un taux d'imposition non conforme aux PCGR de 3 % et d'un nombre d'actions entièrement diluées en circulation de 76.5 millions.

Au milieu de tout cela, MACOM a continué à développer ses activités grâce à des investissements. En janvier dernier, MACOM a annoncé un plan stratégique visant à investir jusqu'à 345 millions de dollars sur cinq ans dans ses usines de fabrication de plaquettes du Massachusetts et de Caroline du Nord. Cet investissement vise à moderniser les installations existantes et à introduire des capacités de fabrication avancées pour les technologies RF, micro-ondes et ondes millimétriques afin d'améliorer l'offre de produits de MACOM pour les centres de données, les télécommunications et la défense. 

Plus précisément, dans son usine du Massachusetts, la société installera une capacité de fabrication GaN sur SiC de 150 mm.

« Ce plan renforcera les capacités nationales de fabrication de semi-conducteurs de MACOM », a déclaré Daly, ajoutant qu'il accélérera également la stratégie de croissance de l'entreprise.

Cette initiative est soutenue par un accord préliminaire avec le Bureau du programme CHIPS, qui a consacré un total de 39 milliards de dollars à des incitations à l'investissement dans les installations et les équipements aux États-Unis. Il propose un financement de 180 millions de dollars et des crédits d'impôt au MACOM dans le cadre de la loi CHIPS and Science Act.

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

ENGIN-IC se concentre actuellement sur le service à l'industrie de la défense américaine et dispose d'un portefeuille de produits de plus de 60 MMIC standard et de nombreux autres MMIC personnalisés.

« L'expertise exceptionnelle d'ENGIN-IC en matière de conception de modules et de MMIC à large bande et à haute efficacité nous permettra de mieux soutenir nos clients communs », a déclaré Daly à l'époque, tandis que le cofondateur et directeur technique d'ENGIN-IC, Stephen Nelson, partageait son enthousiasme de « faire partie des efforts de MACOM pour diriger l'industrie des processus et des produits semi-conducteurs GaN ».

Conclusion

La 6G est la prochaine génération de technologies de communication sans fil, promettant des débits encore plus élevés et une communication plus efficace. La concrétisation de cet avenir de communication mondiale, d'automatisation et d'expériences virtuelles immersives dépend toutefois des progrès des semi-conducteurs. Le matériau semi-conducteur GaN, avec ses qualités uniques de vitesse supérieure, de faible résistance et de tension de claquage plus élevée, démontre son potentiel pour révolutionner l'électronique et la communication.

La dernière avancée dans les SLCFET à base de GaN, qui tire parti des nouvelles architectures de transistors et révèle la mécanique de l'effet de verrouillage, repousse les limites de ce qui est possible en matière de performances des semi-conducteurs haute fréquence.

L’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.

Cliquez ici pour obtenir une liste des principales actions d’équipements semi-conducteurs.

Études référencées :

1. Kumar, AS, Dalcanale, S., Uren, MJ, et al. (2025). Dispositifs multicanaux en nitrure de gallium avec pentes sous-seuil induites par verrouillage inférieures à 60 mV par décade pour applications radiofréquence. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5