Des composants électroniques pour la 5G

La révolution numérique que nous vivons repose sur la transmission d’une énorme quantité de données, à des débits toujours croissants. C’est ce flux d’informations constant qui nous a permis, par exemple, de rester en contact avec nos proches ou de travailler en distanciel pendant la récente crise sanitaire.

Cette révolution, cependant, a un coût environnemental important. Car la consommation en énergie liée à nos objets électroniques ne cesse de croître. L’accès aux matières premières non-renouvelables au cœur des puces électroniques est d’ailleurs devenu un enjeu géopolitique majeur.

L’institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN¹) à l’Université de Lille est investi fortement dans la recherche de solutions pour bâtir une électronique du futur, toujours plus performante et à plus faible coût environnemental.

C’est dans ce contexte qu’un groupe de recherche de cet institut a joint ses forces à celles d’une équipe texane, pour mettre au point des nouveaux interrupteurs radiofréquence (RF switches). Ces interrupteurs, extrêmement répandus dans les appareils électroniques, assurent de nombreuses fonctions. Ce sont eux par exemple, grâce auxquels les smartphones passent du Bluetooth au Wifi, à la 4G ou 5G. Le problème est qu’ils sont gourmands en énergie, car ils ont besoin d’être alimentés en permanence. La durée de vie de la batterie s’en ressent.

Le groupe texan avait mis au point ses premiers interrupteurs à base de matériaux bidimensionnels (épais d'une seule couche d’atomes) en 2018. Plus économes en énergie, ces dispositifs étaient constitués par une feuille unique de disulfure de molybdène placée entre deux électrodes métalliques. Mais ceux-ci supportent difficilement des puissances électriques élevées. En outre, l’équipe n’avait pas pu déterminer s’ils étaient capables de fonctionner pour des fréquences de signaux électriques allant au-delà de 50 gigahertz. Or les communications modernes réclament de plus en plus d’aller au-delà de ces limites, notamment pour transporter des vidéos haute définition.

C’est lors d’une conférence, au cours d’une discussion dans les rues de San Sebastián, au Pays basque espagnol, que la collaboration autour de ces interrupteurs démarre. Elle se déroule entre Emiliano Pallecchi, de l’IEMN et le responsable de l’équipe texane, Deji Akinwande. Au cours de ces échanges, qui se poursuivent l’année suivante avec deux autres professeurs de l’IEMN, Henri Happy et Guillaume Ducournau, les deux équipes se rendent compte qu’un nouveau matériau, le nitrure de bore hexagonal (hBN) devrait pouvoir tolérer des puissances plus élevées. Il appartient à une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels (matériaux 2D) qui fait actuellement l’objet de recherches à l’Université de Lille.

Encore faut-il pouvoir le tester expérimentalement. Pour cela, l’expertise de l’équipe lilloise, et les installations de très haut niveau de l’IEMN se révèlent nécessaires. Après deux ans de travail, les tests réalisés à l’IEMN montrent que les interrupteurs à base d’hBN tolèrent bien des puissances importantes (100 milliwatts) et fonctionnent jusqu’à des fréquences 200 GHz : un test a montré que l’interrupteur pouvait transmettre très vite un flux vidéo de haute définition.

Comme l’avaient prévu les équipes de recherche, ces interrupteurs sont particulièrement économes en énergie. En effet, ils n'ont pas besoin d'être alimentés en permanence et l’énergie dépensée quand ils commutent est plus faible que pour toutes les autres technologies d’interrupteurs RF. La collaboration lillo-texane, quant à elle, se poursuit, pour améliorer la fiabilité de ces dispositifs, et progresser vers la future électronique des réseaux mobiles de 6ᵉ génération (6G).

La publication scientifique

• Analogue switches made from boron nitride monolayers for application in 5G and terahertz communication systems, Nature Electronics.
• Les co-signataires de l’IEMN sont Emiliano Pallecchi, Guillaume Ducournau et Henri Happy.

¹ (Univ. Lille/CNRS/Centrale Lille/ICL/UPHF)