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

Les semi-conducteurs sont la base des appareils électroniques et Internet des objets (IoT) .

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

La demande de semi‑conducteurs augmente rapidement. Ils sont utilisés dans les smartphones, les ordinateurs, les appareils ménagers, le matériel médical et les équipements de jeu. Ensuite, la popularité croissante et l’utilisation des technologies d’intelligence artificielle (IA) stimulent davantage les avancées dans le développement des puces et augmentent la production de semi‑conducteurs.

Le rythme soutenu du déploiement de la 5G constitue un autre facteur qui alimente les tendances de demande saine pour les puces semi‑conductrices.

La « cinquième génération » de la technologie des réseaux cellulaires, déployée par les opérateurs mobiles du monde entier depuis 2019, offre des vitesses de téléchargement plus élevées et une latence plus faible, permettant une communication quasi instantanée.

L’ultra‑faible latence et la grande fiabilité de la 5G sont extrêmement importantes pour les avancées high‑tech. Le réseau 5G, quant à lui, repose sur les semi‑conducteurs pour offrir ces avantages.

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

Alors que la 5G est encore en phase de déploiement, les acteurs de l’industrie ont déjà commencé à discuter du développement de la sixième génération (6G). Cela nécessite toutefois des avancées significatives dans la technologie des semi‑conducteurs capables de gérer une latence extrêmement faible, des débits de données ultra‑élevés, une haute efficacité énergétique, le support des fréquences térahertz (THz) et, bien sûr, une connectivité massive.

Alors que les entreprises et les chercheurs travaillent à améliorer les capacités des semi‑conducteurs, une percée récente en technologie montre un énorme potentiel pour transformer notre façon de communiquer.

En superchargeant la 6G du réseau mobile pour offrir des vitesses plus rapides, une communication plus efficace et une couverture bien plus large que la génération actuelle (5G), cette avancée promet un avenir qui rendra de nombreuses fictions scientifiques réelles.

Des concepts futuristes tels que sentir le toucher de vos proches vivant à l’autre bout du continent ou obtenir un diagnostic médical instantanément sans quitter votre domicile dépendent tous de la capacité à communiquer et à transférer d’énormes quantités de données à une vitesse bien supérieure à celle des réseaux existants.

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

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

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

En évoquant les bénéfices possibles, qu’il a qualifiés de « étendus », Kuball a souligné les avancées en santé avec le diagnostic et la chirurgie à distance, les salles de classe virtuelles, le tourisme virtuel, l’automatisation industrielle pour une plus grande efficacité, et les systèmes avancés d’aide 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. Ainsi, nos découvertes innovantes en semi‑conducteurs sont extrêmement excitantes et aideront à faire avancer ces développements à grande vitesse et à grande échelle. »

– Kuball 

Ce que ce passage à la 6G nécessite, c’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 rapide 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 adapté aux applications à haute puissance et haute fréquence. Après le silicium, le GaN est l’un des semi‑conducteurs les plus critiques, et il voit une adoption croissante dans l’électronique grand public.

Le GaN est en fait connu pour avoir une bande interdite plus large que le silicium. En conséquence, les dispositifs GaN peuvent gérer des densités de puissance plus élevées, ce qui conduit à des conceptions plus petites et plus légères et offre une efficacité supérieure ainsi qu’une meilleure fiabilité.

Dans les systèmes de communication de cinquième génération actuels, ces dispositifs deviennent de plus en plus la nouvelle norme. Et maintenant, les chercheurs les explorent pour les applications d’infrastructure mobile et sans fil 6G.

C’est grâce à leur puissance de sortie élevée et à leur capacité à fonctionner à haute fréquence que les transistors à haute mobilité d’électrons (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 de plaques de champ ont encore amélioré les performances des HEMT GaN, menant à des puissances allant jusqu’à 40 W mm⁻¹ à 4 GHz et à une efficacité ajoutée de puissance de 60 %.

Mais cela n’est pas suffisant pour permettre les futures applications. Le GaN doit être encore plus rapide et plus 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 de 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 découvrant un effet de verrouillage (latch effect) dans le GaN, qui a débloqué des performances très élevées des dispositifs radiofréquence. Cette génération de dispositifs utilise des canaux parallèles nécessitant des ailerons latéraux de moins de 100 nm, un type de transistor qui contrôle le flux de courant traversant les dispositifs.

Dans les recherches les plus récentes, l’équipe a utilisé plus de 1000 ailerons d’une largeur inférieure à 100 nm dans les SLCFET pour aider à conduire le courant. Selon le co‑auteur principal le Dr Akhil Shaji, associé de recherche honorifique à l’Université de Bristol:

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

Les SLCFET à base de GaN ont le potentiel d’être utilisés pour atteindre les objectifs de puissance de sortie élevés (81 W mm⁻¹) fixés par les projets. Les SLCFET avec jusqu’à dix canaux d’électronique bidimensionnelle (2DEG) empilés peuvent réellement fournir une augmentation de 10 × du nombre de porteurs de charge comparé aux HEMT GaN à canal unique.

La nouvelle architecture, selon l’étude, offre une tension de genou basse, ce qui la rend parfaite pour de grands balancements de tension de sortie combinés à une densité de courant élevée.

Les SLCFET ont présenté une puissance de sortie de plus de 10 W mm⁻¹ à 94 GHz avec 12 V sur le drain et plus de 40 % d’efficacité ajoutée, soutenus par une densité de courant de 4,8 A mm⁻¹ avec une dispersion minimale et un effondrement de courant.

À cette puissance élevée, le défi réside dans le contrôle de la dissipation thermique, mais sans augmenter l’empreinte du dispositif. Bien que la puissance puisse être augmentée en augmentant la tension drain (VDS), l’ionisation d’impact peut détériorer les caractéristiques des SLCFET.

Ensuite, il y a le verrouillage du transistor. Ici, le dispositif reste en état « on » malgré une polarisation de porte en état « off » (VGS), un effet bien connu dans les dispositifs à base de silicium. Cependant, la large bande interdite du GaN minimise l’ionisation d’impact. Les chercheurs ont précédemment confirmé la survenue de l’ionisation d’impact dans le fonctionnement en état « on » des SLCFET.

Améliorer les performances du GaN grâce à l’effet de verrouillage

Les SLCFET à base d’aluminium gallium nitrure (AlGaN) ou de nitrure de gallium (GaN) montrent un fort potentiel comme fondation pour des amplificateurs RF haute puissance et des commutateurs dans les radars avancés du futur.

Ces transistors ont montré les meilleures performances dans la bande de fréquence W, qui s’étend de 75 GHz à 110 GHz. La science derrière cela était cependant inconnue jusqu’à présent.

Selon l’étude publiée dans le journal Nature Electronics¹, il s’agit d’un « effet de verrouillage dans le GaN, qui permet les hautes performances radiofréquence ».

Avec l’effet maintenant reconnu, l’équipe a cherché à déterminer où il se produit exactement. Ils ont utilisé des mesures électriques ultra‑précises et la microscopie optique simultanément pour étudier davantage l’effet et mieux le comprendre.

En analysant plus de 1 000 ailerons, les chercheurs ont localisé l’effet sur l’aileron le plus large. Pour vérifier davantage les observations, l’équipe a construit un modèle 3D à l’aide d’un simulateur.

« Les mesures courant‑tension, les simulations et l’émission électroluminescente corrélée à la condition de verrouillage indiquent que le déclenchement d’une ionisation d’impact localisée dépendante de la largeur de l’aileron est responsable du verrouillage, » note l’étude, ajoutant que cette localisation est attribuée à la présence de variations de largeur d’aileron, dues à la variabilité du processus de fabrication.

Ensuite, l’équipe a abordé les aspects de fiabilité de l’effet pour des applications pratiques. Les tests rigoureux du dispositif sur une longue période ont montré que l’effet de verrouillage n’a aucun effet néfaste sur les performances ou la fiabilité du dispositif.

La condition de verrouillage, selon l’étude, est réversible ainsi que non dégradante et peut conduire à une amélioration des caractéristiques de transconductance des transistors, impliquant une linéarité accrue et une puissance supérieure dans les amplificateurs de puissance radiofréquence.

« Nous avons trouvé qu’un aspect clé de cette fiabilité était une fine couche de revêtement diélectrique autour de chaque aileron. »

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

À la tête du Centre pour la thermographie des dispositifs et la fiabilité (CDTR), Kuball aide à développer les prochains dispositifs électroniques semi‑conducteurs pour les communications et la technologie radar, et à atteindre la neutralité carbone. Le CDTR travaille également à l’amélioration de la gestion thermique du dispositif, de ses performances électriques et de sa fiabilité grâce aux 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 dans les années à venir. »

À présent, dans les travaux futurs, l’équipe se concentrera sur l’augmentation supplémentaire de la densité de puissance que les dispositifs peuvent délivrer. Cela leur permettra d’offrir des performances encore plus élevées et de servir un public plus large.

De plus, les partenaires industriels aideront à rendre ces dispositifs de prochaine génération disponibles commercialement.

Investir dans l’innovation des semi‑conducteurs

Lorsqu’il s’agit d’investir dans la technologie GaN, MACOM (MTSI ) est l’une des rares entreprises publiques américaines qui offre une exposition directe à celle‑ci. Elle utilise à la fois les technologies de processus GaN‑on‑SiC et GaN‑on‑Si pour permettre des architectures système de prochaine génération à travers 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 de DC à plus de 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings est un fabricant de produits semi‑conducteurs haute performance pour les télécommunications ainsi que d’autres industries.

L’entreprise sert plus de 6 000 clients chaque année avec son large portefeuille de produits qui intègre les technologies analogiques, micro‑ondes, radiofréquence (RF), mixtes, et optiques. MACOM se spécialise dans la fabrication de semi‑conducteurs composés, y compris le GaAs, le GaN, l’InP et le silicium spécialisé, la conception de circuits analogiques et mixtes, l’emballage avancé, ainsi que l’assemblage et le test en 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.

En ce qui concerne la performance du marché de MCOM, avec une capitalisation boursière de 9 milliards de dollars, les actions MTSI se négocient actuellement à 123,41 $. Alors que MTSI a baissé de 6,37 % cette année jusqu’à présent, elle a augmenté de 46,7 % depuis son plus bas d’avril et n’est qu’à environ 15,5 % du pic atteint en janvier de la même année. Son BPA (TTM) est de -1,22 et son PER (TTM) de -99,66.

Concernant les finances de l’entreprise, MACOM a récemment publié les résultats du deuxième trimestre fiscal clôturé le 4 avril 2025, où il a enregistré un chiffre d’affaires de 235,9 millions de dollars, soit une hausse de 30,2 % par rapport au même trimestre de l’année précédente.

Le revenu d’exploitation était de 34,9 millions de dollars, soit 14,8 % du chiffre d’affaires, tandis que le bénéfice net était de 31,7 millions de dollars, soit 0,42 $ par action diluée. La marge brute, sur cette période, a bondi de 2,7 % à 55,2 % tandis que la marge brute ajustée a progressé de 0,4 % à 57,5 %.

En commentant la « solide performance du T2 », le président-directeur général Stephen G. Daly a salué le « travail d’équipe exceptionnel à travers l’ensemble de l’organisation MACOM » qui a permis ce succès.

Ces chiffres font suite à un « bon départ » de l’exercice fiscal au T1, où Daly a déclaré que l’accent de l’entreprise continue d’être mis sur le service aux clients et la « construction d’un portefeuille de produits plus fort, plus large et plus compétitif ».

Au 1T25, le chiffre d’affaires de MACOM était de 218,1 millions de dollars, soit une hausse de 38,8 % par rapport au 1T24, et le revenu d’exploitation était de 17,5 millions de dollars, soit 8 % du chiffre d’affaires. Au trimestre précédent, l’entreprise avait enregistré une perte nette de 167,5 millions de dollars, soit une perte de 2,30 $ par action diluée, en raison d’une perte ponctuelle de 193,1 millions de dollars liée à l’extinction de la dette.

Pour le troisième trimestre fiscal se terminant le 4 juillet 2025, MACOM prévoit un chiffre d’affaires compris entre 246 millions et 254 millions de dollars. Il s’attend à ce que la marge brute ajustée se situe entre 56,5 % et 58,5 % et que le bénéfice ajusté par action diluée se situe entre 0,87 $ et 0,91 $, en utilisant un taux d’imposition non‑GAAP de 3 % et 76,5 millions d’actions entièrement diluées en circulation.

Parallèlement, MACOM a continué d’étendre ses activités grâce à des investissements. En janvier de cette année, MACOM a annoncé un plan stratégique d’investir jusqu’à 345 millions de dollars sur une période de cinq ans dans ses installations de fabrication de plaquettes au Massachusetts et en Caroline du Nord. L’objectif de cet investissement est de moderniser les installations existantes et d’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 les industries de défense.

Dans son installation du Massachusetts en particulier, l’entreprise installera une capacité de fabrication de GaN‑on‑SiC de 150 mm.

« Ce plan renforcera les capacités de fabrication de semi‑conducteurs domestiques 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 CHIPS Program Office, qui a dédié un total de 39 milliards de dollars à fournir des incitations pour l’investissement dans les installations et l’équipement aux États‑Unis. Il propose 180 millions de dollars de financement et de crédits d’impôt à MACOM dans le cadre du CHIPS and Science Act.

Quelques mois auparavant, MACOM a acquis une société de semi‑conducteurs fabless appelée ENGIN‑IC, qui conçoit des MMIC GaN avancés (circuits intégrés micro‑ondes monolithiques) afin de mieux servir ses marchés cibles et gagner une plus grande part de marché.

Le focus d’ENGIN‑IC est en fait de servir l’industrie de la défense américaine et possède un portefeuille de produits de plus de 60 MMIC standards et de nombreux MMIC personnalisés.

« L’expertise exceptionnelle d’ENGIN‑IC en conception de MMIC et de modules à large bande et haute efficacité nous permettra de mieux soutenir nos clients mutuels, » a déclaré Daly à l’époque, tandis que le co‑fondateur et CTO d’ENGIN‑IC Stephen Nelson a exprimé son enthousiasme à « être partie prenante des efforts de MACOM pour mener l’industrie dans les processus et produits semi‑conducteurs GaN. »

Conclusion

La 6G est la prochaine génération de technologie pour les communications sans fil qui promet des vitesses encore plus rapides et une communication plus efficace. Réaliser cet avenir de communication globale, d’automatisation et d’expériences virtuelles immersives dépend toutefois des avancées dans les semi‑conducteurs. Le matériau semi‑conducteur, le GaN, avec ses qualités uniques de vitesse supérieure, de résistance plus faible et de tension de claquage plus élevée, montre son potentiel à révolutionner l’électronique et la communication.

La dernière percée dans les SLCFET à base de GaN, qui exploite les nouvelles architectures de transistors et révèle la mécanique de l’effet de verrouillage, repousse les limites de ce qui est possible en performance de semi‑conducteurs haute fréquence.

L’innovation rend le chemin vers la réalité 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., & others. (2025). Dispositifs multicanaux en nitrure de gallium avec pentes sous-seuil sub-60 mV par décade induites par effet de verrouillage pour les applications radiofréquence. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5