Technologie des semi-conducteurs pour la communication par satellite à large bande atteint une efficacité record

Galette de 4 pouces en GaN sur SiC de la technologie GaN07 du Fraunhofer IAF. Les galettes sont entièrement fabriquées et testées dans la ligne de fabrication de semi-conducteurs interne, y compris la conception, l'épitaxie, le traitement des galettes et la caractérisation. © Fraunhofer IAF / Galette de 4 pouces en GaN sur SiC traitée en frontside de Fraunhofer IAF, utilisant la technologie GaN07. Les galettes sont entièrement fabriquées et testées dans la ligne de processus III-V du Fraunhofer IAF, y compris la conception et la fabrication des masques de traitement, l'épitaxie, le traitement des galettes et la caractérisation. © Fraunhofer IAF

Des chercheurs du Fraunhofer IAF ont développé une technologie de transistor en GaN avec une longueur de porte de 70 nm, atteignant des valeurs record en termes d'efficacité dans des conditions typiques de satellites. La technologie doit permettre à l'avenir la fabrication d'antennes actives compactes pour des transferts de données à haut débit dans les bandes Ka, Q et W, contribuant ainsi à la mise en place et au développement de réseaux de communication mondiaux sans faille et résilients via des satellites à haut débit. Ces résultats de recherche, ainsi que d'autres dans le domaine de l'électronique à haute fréquence, seront présentés par le Fraunhofer IAF du 21 au 26 septembre 2025 lors de l'EuMW à Utrecht.

Les futurs réseaux de communication mondiaux, qui couvriront également les régions isolées, devront résister aux sources de perturbation potentielles et intervenir en cas de catastrophe, tout en étant capables de traiter des débits de données élevés de manière fiable. Une solution prometteuse pour la réalisation de tels réseaux est représentée par les satellites à haut débit (HTS) en orbite terrestre basse (LEO) et/ou géostationnaire (GEO), qui utilisent les bandes de fréquences large bande Ka, Q et W et suivent des schémas de modulation stricts. Le matériel nécessaire à ces systèmes de communication, notamment les antennes actives pour la commande électronique du faisceau (Electronic Beam Steering), dépend de amplificateurs de puissance extrêmement efficaces et à haute linéarité.

La compacité requise pour les antennes actives entraîne des problèmes thermiques avec les composants existants. C’est pourquoi des chercheurs du Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) ont développé des transistors amplificateurs de puissance à haute mobilité électronique (HEMT) basés sur le semi-conducteur à large bande interdite Gallium Nitride (GaN), avec une longueur de porte de seulement 70 nm. Les valeurs d’efficacité mesurées montrent le grand potentiel de cette nouvelle technologie pour les applications futures en communication par satellite.

Composants pour la communication par satellite à large bande

« Les HEMT à GaN développés par le Fraunhofer IAF permettent, grâce à leur haute linéarité et efficacité, de concevoir des systèmes de communication plus compacts et plus économes en énergie pour les satellites. Avec notre technologie innovante, nous apportons une contribution importante à la mise en place et au développement de réseaux mondiaux de communication sans faille et résilients », explique le Dr Philipp Döring, chercheur au département Technologie du Fraunhofer IAF et premier auteur de l’article présentant les GaN-HEMT de 70 nm.

Le document intitulé « High efficiency and high linearity 70 nm GaN technology for future SatCom applications » sera présenté par le Dr Döring le 23 septembre de 14h10 à 14h30 lors de la European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC) à Utrecht, aux Pays-Bas. L’EuMIC fait partie de la European Microwave Week (EuMW).

Transistor GaN de 70 nm avec efficacité record

Les GaN-HEMT ont été développés, fabriqués et caractérisés dans la ligne de semi-conducteurs interne des départements Épitaxie, Technologie et Microélectronique du Fraunhofer IAF. Le système de semi-conducteurs GaN/AlGaN (Nitrure d’aluminium et de gallium) a été déposé par procédé de dépôt chimique en phase vapeur métallorganique (MOCVD) sur des substrats isolants en carbure de silicium (SiC) de 4 pouces. La fabrication a notamment utilisé la lithographie à faisceau d’électrons.

Des mesures de test ont été effectuées à la fois sur des transistors individuels et directement sur la plaquette. Lors de mesures à faible signal, une fréquence de coupure (fT) de 122/95 GHz et une fréquence maximale (fMAX) > 350 GHz ont été observées pour VDS = 7/15 V. Des mesures à haute tension ont révélé une efficacité maximale de 58,6 % et une puissance de sortie maximale de 2,46 W/mm à 38 GHz.

Pour déterminer la linéarité du signal, les chercheurs ont utilisé la méthode Two-Tone-Load-Pull pour tester les valeurs atteintes par le GaN-HEMT de 70 nm selon les exigences actuelles de l’Agence spatiale européenne (ESA) pour la communication par satellite. Sous la contrainte IMD3 ≥ 30 dBC, la technologie a atteint à 30 GHz une efficacité PAE de 54,4 % et une puissance de sortie de 1,01 W/mm. Il s’agit du taux d’efficacité le plus élevé mesuré à ce jour pour une technologie GaN à 30 GHz.

Développement technologique dans le cadre des projets Magellan et GANYDEM170

Ces résultats ont été obtenus dans le cadre des projets Magellan et GANYDEM170. Magellan est financé par l’ESA et vise à développer des amplificateurs de puissance GaN millimétriques à haute efficacité pour des applications d’antennes GEO et LEO. GANYDEM170, financé en tant que projet IPCEI (Important Project of Common European Interest) par le ministère fédéral de l’Économie et de l’Énergie (BMWi), permet de réaliser une technologie industrielle de GaN millimétrique pour des applications de mesure.

Fraunhofer IAF lors de l’EuMW 2025

Lors de l’EuMW 2025, qui se tiendra du 21 au 26 septembre à Utrecht, aux Pays-Bas, le Fraunhofer IAF présentera, aux côtés des résultats du Dr Philipp Döring, d’autres résultats de recherche dans le domaine de l’électronique à haute fréquence à base de GaN. L’institut exposera une large gamme de composants, circuits et modules lors du salon, stand B071. Par ailleurs, Patrick Umbach, Thomas Zieciak, Moïse Safari Mugisho et le Dr Philipp Neininger donneront des présentations lors de l’EuMIC. De plus, la directrice de l’institut, Dr Patricie Merkert, participera au panel Foundry de l’EuMIC, où elle abordera la question de l’intégration monolithique et hétérogène ainsi que celle des chiplets.