Nos téléphones mobiles traitent aujourd’hui bien plus de signaux et de services sans fil que les générations précédentes. Il en va de même pour les équipements sophistiqués derrière les réseaux mobiles, comme les stations de base, et les technologies émergentes telles que les voitures autonomes. À l’intérieur de ces systèmes, les commutateurs radiofréquence agissent comme des contrôleurs de trafic, laissant passer les signaux ou les bloquant selon les besoins. L’unité d’émission et de réception dans un système 2G utilisait environ quatre commutateurs de ce type, tandis que les systèmes 5G et 6G futurs peuvent en nécessiter de 50 à plus de 100. Intégrer autant de commutateurs sur une puce peut augmenter la taille, le coût et la consommation électrique du matériel sans fil.
Une équipe internationale dirigée par le professeur associé Mario Lanza du Département de science et génie des matériaux du College of Design and Engineering, National University of Singapore (NUS CDE), a développé des commutateurs compacts qui conservent leurs réglages sans alimentation continue. Cette étude marque la première utilisation de ce type de dispositif, appelé commutateur radiofréquence memristif, pour reconfigurer des circuits intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) – des puces qui combinent plusieurs fonctions de traitement de signaux haute fréquence.
Fabriqués à partir de nitrure de bore hexagonal (hBN) et intégrés directement sur des micropuces en nitrure de gallium (GaN), les commutateurs ajustent la puissance du signal, redirigent les signaux et modifient les fréquences sélectionnées par un filtre. Leur faible encombrement laisse plus d’espace sur la puce pour d’autres fonctions radio, tandis que leur capacité à conserver un réglage réduit la puissance nécessaire pour maintenir la configuration d’un appareil.
Cette approche pourrait aider des technologies telles que les téléphones, les réseaux mobiles et les voitures autonomes à supporter davantage de fonctions sans fil sans nécessiter de matériel radio plus grand ou plus gourmand en énergie. Les résultats de l’équipe ont été publiés dans Nature le 8 juillet 2026.
Comment le commutateur se souvient
La plupart des commutateurs radiofréquence dans les puces commerciales utilisent des transistors ou des diodes. Bien que fiables, ils occupent de l’espace sur la puce et nécessitent généralement une alimentation continue pour maintenir leur état. Un commutateur memristif fonctionne différemment : sa résistance électrique peut être modifiée et conservée, ce qui lui permet de laisser passer, bloquer ou réduire un signal.
Les chercheurs ont construit chaque commutateur en plaçant une couche de hBN d’environ huit nanomètres d’épaisseur entre deux électrodes en or. Une brève impulsion électrique crée ou rompt un chemin d’or à l’échelle nanométrique à travers le hBN, établissant la résistance du commutateur. L’état électrique résultant persiste après la fin de l’impulsion — en effet, le commutateur se souvient de sa dernière instruction.
Chaque élément de commutation hBN ne mesurait que 2 sur 2 micromètres. En comparaison, les commutateurs conventionnels cités dans l’article occupent au moins 0,1 millimètre carré — soit environ 25 000 fois plus d’espace sur une puce. Cette empreinte plus petite pourrait aider les concepteurs de puces à intégrer le nombre croissant de commutateurs requis par les systèmes 5G et 6G futurs sans augmentation correspondante de la taille de la puce.
Réduire la taille des commutateurs n’était qu’une partie du défi, car les chercheurs devaient également travailler avec l’électronique de contrôle existante de la puce. Ils ont construit les commutateurs hBN sur les couches de câblage supérieures de puces GaN fabriquées commercialement, laissant intact le circuit de transistors sous-jacent. Ils ont ensuite connecté les commutateurs aux transistors GaN déjà présents sur la puce. Ces transistors ont agi comme des pilotes, fournissant et limitant le courant nécessaire pour changer le réglage de chaque commutateur. Cette approche montre que les commutateurs hBN peuvent être ajoutés à une plateforme de puce existante sans repenser sa couche de transistors sous-jacente.
« Des études antérieures ont montré que des dispositifs hBN individuels pouvaient gérer des signaux haute fréquence. La question en suspens était de savoir si les commutateurs et leur électronique de contrôle pouvaient fonctionner ensemble dans des circuits utiles, explique le professeur associé Lanza. « Nos travaux montrent qu’ils peuvent fonctionner comme partie intégrante d’une puce GaN complète. »
Mettre les commutateurs au travail
Les commutateurs ont fonctionné à des fréquences allant jusqu’à 100 gigahertz, couvrant les bandes utilisées par la 5G et explorées pour la 6G. Le meilleur commutateur en série a enregistré une perte de signal de 0,3 décibel, ce qui signifie qu’environ 93 % de la puissance du signal est passée. À titre de comparaison, sur les dispositifs testés à 49 gigahertz, la perte médiane était de 1 décibel. La performance globale s’approchait de celle des alternatives commerciales basées sur des matériaux à changement de phase et surpassait les commutateurs à transistors précédemment rapportés sur GaN et des plateformes semi-conductrices comparables.
« Les dispositifs ont conservé leur état conducteur après deux semaines de stockage et 24 heures de chauffage à 175 degrés Celsius, soit 50 degrés Celsius au-dessus de la température à laquelle des études antérieures rapportent des problèmes de rétention dans les commutateurs à changement de phase, explique le Dr Sebastian Pazos, ingénieur en dispositifs senior travaillant avec le professeur associé Lanza et premier auteur de l’article. »
La meilleure paire commutateur-pilote a effectué 3 250 cycles de commutation, contre 2 000 dans les dispositifs hBN autonomes antérieurs de l’équipe, et 30 dans une étude distincte de commutateurs similaires. Cependant, les chercheurs ont noté que cela ne démontre pas encore une fiabilité commerciale, car plusieurs dispositifs ont échoué après des dizaines à des centaines de cycles lorsque leurs fines électrodes ont été endommagées. Davantage de développement est donc nécessaire pour atteindre une fiabilité commerciale.
L’équipe a intégré les commutateurs dans trois circuits fonctionnels : un atténuateur ajustait la puissance du signal ; un diviseur de puissance sélectionnait une route de signal ; et un filtre décalait les fréquences qu’il laissait passer de 6 gigahertz. Ces résultats ont démontré que les commutateurs pouvaient contrôler des fonctions de circuit complètes, plutôt que de fonctionner uniquement comme des dispositifs de laboratoire.
Un pas vers la préparation commerciale
L’équipe a noté que deux défis techniques subsistent. Le transfert de hBN sur une puce déjà fabriquée ajoute une complexité de fabrication, tandis que les commutateurs doivent supporter beaucoup plus de cycles de fonctionnement avant que la viabilité commerciale puisse être atteinte.
Des recherches de suivi sont en cours pour prioriser une intégration sans transfert en produisant du hBN en couches directement sur GaN à des températures compatibles avec la fabrication de micropuces. De plus, les chercheurs proposent d’utiliser des électrodes plus épaisses et des surfaces GaN plus lisses et planarisées pour améliorer la durabilité. L’équipe a également recommandé d’utiliser des modèles informatiques pour aider les chercheurs à concevoir des circuits plus grands et à prédire leurs performances avant fabrication.
Article : Reconfigurable mmWave microchips co-integrating hBN switches on GaN – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : NUS Singapor
