- Le nitrure de gallium permet des modules radio très performants adaptés aux fréquences élevées nécessaires à la 6G.
- Les modules radio GaN offrent une efficacité énergétique supérieure et réduisent significativement les pertes par dissipation thermique.
- Deux variantes existent : GaN sur silicium pour un coût réduit et GaN sur carbure de silicium pour des puissances plus élevées avec un meilleur refroidissement.
- Une liaison expérimentale a atteint 100 Gbit/s sur 500 mètres, démontrant le potentiel du GaN pour la 6G.
À l'Institut Fraunhofer pour la physique appliquée des solides IAF à Fribourg, en Allemagne, des recherches sont menées sur des modules radio à haute efficacité énergétique qui permettent une meilleure utilisation de la bande passante et des débits de transmission de données plus élevés que les technologies utilisées jusqu'à présent.
La clé réside dans le semi-conducteur nitrure de gallium (GaN). Il peut être utilisé pour combler le fossé technologique qui existe entre les technologies 5G et 6G.
Module radio haute performance à base de nitrure de gallium
Modules radio à base de nitrure de gallium
L'expansion des réseaux et la numérisation des communications nécessitent des composants innovants, plus performants que leurs prédécesseurs. Les modules radio, les batteries, les capteurs et autres composants électrotechniques font donc l'objet d'un développement constant. À l'Institut Fraunhofer pour la physique appliquée des solides IAF, des recherches sont menées sur des modules radio haute performance qui peuvent, d'une part, constituer une nouvelle base pour les réseaux 5G et, d'autre part, rendre possible la 6G. Les modules radio du Fraunhofer IAF sont basés sur le nitrure de gallium, qui est traité sur des plaquettes de silicium.
Le semi-conducteur nitrure de gallium
Le gallium est un métal issu de la production métallurgique. De couleur blanc argenté, il se liquéfie facilement (à moins de 30 °C) et ses propriétés chimiques sont similaires à celles de l'aluminium. En combinaison avec l'azote, le nitrure de gallium est produit selon un processus de fabrication complexe. Il s'agit d'un semi-conducteur cristallin robuste qui est utilisé depuis les années 1990 pour les LED bleues et vertes. Il est parfois considéré comme « le » matériau semi-conducteur de l'avenir, car les puces en nitrure de gallium permettent au courant de passer beaucoup plus rapidement et avec moins de dissipation que les puces en silicium.
En tant que composant des batteries rechargeables, le nitrure de gallium permet une dissipation d'énergie plus faible que les autres semi-conducteurs, car il y a moins de perte d'énergie sous forme de chaleur. Cela fait du nitrure de gallium un matériau économe en énergie qui peut permettre de réaliser d'importantes économies d'énergie dans de nombreuses applications. Dans un module radio, par exemple, il permet des fréquences de commutation élevées. Dans le même temps, l'efficacité avec laquelle l'énergie fournie est convertie en énergie micro-ondes est considérablement accrue par rapport aux modules radio conventionnels à base de silicium, ce qui permet de réduire considérablement la taille des systèmes.
Le Fraunhofer IAF a présenté deux variantes du module radio : le module radio à nitrure de gallium sur silicium et le module radio à nitrure de gallium sur carbure de silicium. Le silicium est un matériau de substrat peu coûteux, ce qui permet de commercialiser le module radio à un prix attractif. Le carbure de silicium, quant à lui, est utilisé comme support pour la version à plus haute puissance. Il est plus économe en énergie tout en permettant un meilleur refroidissement que le silicium. Il est ainsi possible de concevoir des modules dix fois plus petits. Cependant, le carbure de silicium est très coûteux à produire (il faut 14 jours et une température de 2 500 °C) et c'est l'un des matériaux semi-conducteurs les plus chers au monde. Une plaquette de 4 pouces coûte environ 1 000 dollars américains.
Le nitrure de gallium pour la 6G
Le nitrure de gallium pour les communications radio de demain
Le module radio du Fraunhofer IAF atteint des fréquences élevées pertinentes pour les communications mobiles 6G jusqu'à 60 GHz tout en permettant l'utilisation d'une bande passante énorme. À 56 à 63 GHz, il est possible d'utiliser 7 GHz de la bande passante absolue avec le module radio à base de nitrure de gallium.
À titre de comparaison, la 4G/LTE utilise des bandes dans la gamme de fréquences 450 à 2 600 MHz avec une bande passante absolue maximale de 30 MHz ; la 5G utilise une bande passante de 15 MHz dans la gamme 2,1 à 3,6 GHz. Une bande passante de 7 GHz permet d'envoyer d'énormes quantités de données en très peu de temps.
La technologie haute fréquence au quotidien
L'Internet des objets (IoT) et l'IoT industriel (IIoT) dépendent de modules radio haute performance. Les performances maximales sont actuellement atteintes avec la norme 5G sur les bandes de fréquences autour de 26, 28 et 39 GHz. Bien que ce spectre permette des débits de transmission de données élevés, les ondes radio ont une portée courte en raison de leurs propriétés physiques. C'est pourquoi des tours de transmission sont nécessaires à des distances plus courtes les unes des autres, ainsi qu'une augmentation de la puissance de transmission. La consommation d'énergie des systèmes de communication est donc très élevée et continuera d'augmenter à mesure que l'IoT se développera.
« Vers une électronique à consommation zéro »
Comment développer une technologie plus puissante alors que nous devons utiliser les ressources de manière plus durable et, en particulier, économiser l'électricité ?
Le module radio au nitrure de gallium a été développé pour répondre à cette question. Il s'inscrit dans le cadre du projet phare « Vers une électronique à consommation énergétique nulle » de l'institut Fraunhofer, avec lequel la Fraunhofer-Gesellschaft poursuivait deux objectifs complémentaires : développer une électronique à faible consommation d'énergie pour l'IoT et rendre la communication elle-même plus efficace sur le plan énergétique. Le module radio au nitrure de gallium répond à ces deux objectifs. Il offre des performances élevées avec une faible consommation d'énergie, tout en permettant des gains d'efficacité dans l'utilisation de la bande passante.
Actuellement, le rendement d'utilisation en fonctionnement à 26 GHz est inférieur à 10 %. Cela signifie que 90 % de l'énergie fournie ne peut être utilisée. L'objectif déclaré de « Towards Zero Power Electronics » était d'atteindre un rendement d'au moins 30 %. Les démonstrateurs développés dans le cadre du projet ont atteint cet objectif.
Une plus grande efficacité pour la 6G
Les bandes de fréquences comprises entre 71 et 84 GHz joueront un rôle majeur pour la norme de communication mobile 6G. Actuellement, il n'est pas possible d'obtenir de bonnes performances à large bande dans cette gamme. Le professeur Rüdiger Quay, directeur de l'institut Fraunhofer IAF, déclare : « La 6G sera en mesure d'offrir des performances incroyables, mais il est déjà évident qu'elle pose un très gros problème d'efficacité. »
La recherche sur les nouvelles technologies à haute fréquence est une tâche essentielle pour garantir que la 6G permette non seulement de nouvelles applications à l'avenir grâce à une transmission de données accrue, mais aussi qu'elle préserve la ressource de plus en plus précieuse qu'est l'électricité.
6G – Record mondial au Fraunhofer IAF
Batteries et chargeurs
Les capacités de commutation plus élevées combinées à de faibles pertes d'énergie font du nitrure de gallium un matériau idéal pour les convertisseurs de puissance. Ceux-ci font partie intégrante des téléphones portables et sont déjà souvent fabriqués en nitrure de gallium. Le fait que les chargeurs soient aujourd'hui beaucoup plus petits qu'il y a dix ans est également dû au nitrure de gallium. Le flux de courant efficace dans le semi-conducteur signifie que beaucoup moins de chaleur est générée, ce qui permet de placer les composants plus près les uns des autres sans créer de risques pour la sécurité. La conception compacte nécessite généralement moins de matériaux, par exemple pour le boîtier du module. Cela rend également les chargeurs en nitrure de gallium plus économes en ressources à cet égard.
Capteur radio pour les données environnementales
Un sous-projet de « Towards Zero Power Electronics » a développé un nœud de capteur RF Wake-Up à faible consommation d'énergie qui fonctionne sans alimentation électrique continue. L'objectif était de garantir que les capteurs qui mesurent les variables environnementales telles que les particules ne doivent pas fonctionner en continu, mais peuvent également être utilisés avec de faibles quantités d'énergie, par exemple grâce à la récupération d'énergie, en utilisant intelligemment la demande. Pour atteindre l'efficacité nécessaire à cet effet, du nitrure de gallium sur silicium a été utilisé pour le module central, le « Core ». D'autres appareils électroniques peuvent être connectés au Core, qui peut fonctionner avec très peu d'énergie.
Le nœud de capteur RF Wake-Up, par exemple, est activé avec une puissance de l'ordre du micro-watt, puis lu.
Surveillance de l'état des machines industrielles
Les nœuds de capteurs peuvent collecter des données sur l'état d'un système d'alimentation industriel, tel qu'un appareillage de commutation. Le Fraunhofer IISB a construit un convertisseur de puissance à cette fin. L'idée de base est que le module de capteur est réveillé par une rafale de données et lu complètement. Il repasse ensuite en mode veille. Les données d'état indiquent si le système a surchauffé à un moment donné ou s'il a même été endommagé. La lecture avec une rafale est rendue possible par le module radio au nitrure de gallium. Cette nouvelle forme de surveillance, conçue pour la communication IIoT et M2M, permet de surveiller l'état des systèmes dans leur historique. Les défaillances du système peuvent ainsi être prévues et évitées.
6G – Record mondial à l'Institut Fraunhofer IAF
La 6G n'est pas encore réalisable avec les technologies existantes. « Le nitrure de gallium est la clé pour atteindre l'efficacité et les performances nécessaires aux communications mobiles 6G », souligne le professeur Rüdiger Quay. Cela a été prouvé sur une liaison radio expérimentale. En collaboration avec leurs partenaires du projet, les chercheurs du Fraunhofer IAF ont réussi à atteindre la première performance de transmission au monde de 100 Gbit/s sur une distance en espace libre de 500 mètres.
