GREAT : développer une technologie de nitrure de gallium (GaN), enjeu stratégique pour la défense

Direction : AID / Publié le : 04 mars 2021

Le 7 septembre 2020, l’Agence de l’innovation de défense et le CNRS signaient un nouvel accord général de coopération, venant formaliser une relation bien établie entre les deux institutions en matière de recherche scientifique d’intérêt pour la Défense. Le projet de recherche structurant GREAT (hiGh fREquency GAn elecTronics) proposé par le CNRS, constitue le premier accord d’application de ce partenariat. Il vise à accélérer le développement des prochaines générations de la filière française de nitrure de gallium (GaN) pour des applications défense mais aussi spatiales. Il capitalisera sur les résultats préliminaires du projet « HUGE », labellisé par le réseau national de laboratoires d’excellence (LabEx) « GaNeXT ». Il bénéficiera d’un investissement de 1 587 000 euros de la part du ministère des Armées.

Le projet GREAT a pour objectif d’accompagner le développement d’une technologie GaN européenne robuste pour l’amplification de puissance jusqu’en bande W (94 GHz) et l’optimisation de la filière européenne de composants de prochaine génération, contribuant ainsi à l’autonomie stratégique du continent.

Le nitrure de gallium : un enjeu stratégique pour la Défense.

Le nitrure de gallium (GaN)1 est un matériau particulièrement adapté à la fabrication de circuits intégrés hautes performances fonctionnant jusqu’à 100 GHz pour des applications en télécommunications, spatiales ou militaires. Ces composants permettent notamment d’améliorer le niveau de puissance, le rendement et donc la compacité des systèmes radars, d’antennes actives ou des systèmes de guerre électronique.

Associé à un substrat carbure de silicium (SiC) à haute conductivité thermique, il apporte aux applications de puissance des avantages considérables : une tenue en tension de 5 à 10 fois supérieure aux semi-conducteurs traditionnels et une meilleure dissipation thermique. Ce semi-conducteur permet de réaliser des composants qui allient tension de claquage2, mobilité électronique et courant élevés.

Comparaison des caractéristiques et propriétés électriques des matériaux semi-conducteurs GaN, SiC,

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Les principales limitations du GaN sont le rendement en puissance ajoutée (PAE) qui définit l’efficacité énergétique des amplificateurs, la maitrise des effets de pièges primordiale dans les applications RADAR, ainsi que la fiabilité des composants à grille ultra-courte sub-150nm. Pour dépasser ces points bloquants et donc préparer au mieux les futurs systèmes de défense, le développement des technologies nécessaires aux prochaines générations de composants industriels de puissance à base de GaN est primordial.

Images d’un transistor GaN (vue microscope à balayage), d’une tranche GaN et d’un circuit intégré Ga

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De nouveaux défis à relever par l’exploration scientifique

Le projet GREAT, par son caractère exploratoire, permettra une meilleure compréhension de l’impact de chaque étape technologique sur les performances et le comportement des composants long terme (fiabilité)

Un projet de recherche structurant

GREAT est porté par un consortium constitué de 4 partenaires académiques d’excellence dépendants du CNRS : L’Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN) qui est le coordinateur du projet, l’Institut Lavoisier de Versailles (ILV), l’Institut de recherche de Limoges XLIM, ainsi que le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N).

Afin de favoriser la valorisation future des travaux de GREAT, deux partenaires industriels, déjà associés au projet HUGE du CNRS, sont aussi partie prenante sans financement associé, à ce projet, dont la société franco-allemande UMS (United Monolithic Semiconductors), détentrice des technologies GaN de puissance qualifiées, évoquées plus haut.

De nombreux cas d’application dans le domaine civil

Au-delà des applications Défense, GREAT présente un réel potentiel civil pour des applications dans le domaine des communications terrestres et par satellite. Dans le domaine de la 5G, le GaN pourra être employé à terme pour les fréquences hautes : 24-28 GHz, 39-40 GHz et 57-64 GHz spécifiquement pour les stations déployées dans les zones rurales. Selon les architectures antennes, on peut espérer couvrir les zones situées à quelques kilomètres ou dans les zones blanches. Pour les satellites, la montée en fréquence est aussi nécessaire pour offrir un service de communication équivalent là où les infrastructures télécom classiques ne peuvent être déployées pour des raisons économiques.

 

1-Matériau semi-conducteur III-V à large bande interdite

2-Tension électrique minimale rendant conductrice la partie d’un isolant.



Droits : AID

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