ElectroTech · 31 October 2026

GaN-on-silicon : pourquoi le silicium redevient un substrat stratégique pour la puissance et la RF

Le nitrure de gallium s’impose depuis quinze ans comme le matériau miracle de l’électronique de puissance et de la RF. Mais son talon d’Achille n’a jamais été le GaN lui-même : c’est son support. SiC coûteux pour la RF, GaN autoporté hors de prix pour la puissance. Or plusieurs signaux convergent en cette fin 2026 — percée d’Atomera, jalon X-band de Qorvo dans le programme DARPA THREADS, foisonnement du GaN bidirectionnel à l’APEC 2026, montée en puissance du sujet sur les stands d’electronica Munich — qui suggèrent que le silicium pourrait redevenir le substrat stratégique. Décryptage sans hype d’un basculement qui n’aura rien d’automatique.

Le substrat qui coûte plus cher que la puce : pourquoi le GaN cherche à divorcer du SiC

Il y a une ironie cruelle dans l’histoire du GaN. Le matériau affiche un champ de claquage critique environ dix fois supérieur à celui du silicium, une mobilité électronique élevée, une tenue en température remarquable. Sur le papier, c’est le composant parfait pour l’amplification RF et la conversion de puissance. Dans la pratique, une part significative du coût d’une puce GaN ne vient pas de la puce elle-même, mais de la galette sur laquelle on l’a fait croître.

Deux filières se partagent aujourd’hui le marché, et toutes deux butent sur le même mur. En RF haute performance, on épitaxie le GaN sur des substrats de carbure de silicium : excellente conductivité thermique, désaccord de maille très faible, mais un matériau coûteux et disponible en quantités limitées. La thèse soutenue en 2024 à l’Université de Lille par Elodie Carneiro (IEMN, directeurs Farid Medjdoub et Fabrice Semond) le formule sans détour : le SiC est généralement le substrat préféré pour sa conductivité thermique, « mais il n’est pas adapté aux applications à grand volume en raison de son coût et de sa faible disponibilité ». En puissance, l’alternative consiste à faire croître une couche épaisse de GaN puis à détacher le substrat — le GaN dit autoporté — ce qui donne d’excellentes performances mais confine à des formats de wafer modestes et à des coûts qui interdisent toute démocratisation vers le chargeur grand public ou l’alimentation de serveur.

Le silicium, lui, a tout ce qui manque à ces deux filières : des fabs CMOS 200 et 300 mm partout dans le monde, une disponibilité sans tension, un coût par wafer qui se compte en dizaines d’euros et non en centaines. La thèse de Lille pose d’ailleurs la conclusion logique : « l’utilisation d’un substrat Si économique résoudrait l’équilibre performances/fiabilité/coût pour le GaN ». Le problème, c’est que ce mariage est chimiquement et cristallographiquement hostile. C’est tout l’enjeu du GaN-on-silicon, et c’est aussi ce qui explique qu’il ait mis vingt ans à sortir des laboratoires.

Rappelons le cadre général, utile pour situer l’enjeu : le silicium reste le matériau fondateur de la microélectronique — abondant, bien maîtrisé, peu coûteux — mais il plafonne au-delà de certaines tensions, températures et fréquences, là précisément où les semi-conducteurs à large bande interdite (SiC, GaN) prennent le relais, comme le résume simplement un dossier de vulgarisation industrielle. Le GaN-on-silicon est précisément la tentative de réconcilier les deux mondes : la performance du wide-bandgap, le coût et la logistique du silicium.

Les signaux de 2026 convergent pourtant. Côté épitaxie, Atomera a annoncé une percée visant à élargir l’adoption du GaN-on-silicon en RF, en appliquant sa technologie de silicium modifié au problème du buffer. Côté défense, Qorvo a franchi un jalon X-band dans le programme DARPA THREADS — un signal fort, car ces programmes ne financent pas des démonstrations de laboratoire mais des filières industrialisables. Côté puissance, l’APEC 2026 a mis en avant trois tendances convergentes : le GaN bidirectionnel, les modules multichip et les régulateurs miniatures. Trois façons différentes d’exploiter un GaN devenu plus accessible et plus intégrable. Et côté salon, la bataille des substrats s’annonce comme l’un des points chauds d’electronica Munich 2026, où GaN et SiC se disputeront l’attention sur les stands des fabricants et distributeurs.

16,9 % de désaccord : la physique intime du mariage forcé GaN/Si

Pour comprendre pourquoi le GaN-on-silicon est difficile — et pourquoi les percées récentes sont significatives — il faut descendre au niveau atomique. Le GaN cristallise en structure wurtzite hexagonale. Le silicium, lui, adopte la structure diamant cubique. Quand on fait croître l’un sur l’autre, il faut choisir une orientation de silicium qui minimise la casse : c’est le Si(111) qui s’en sort le mieux, parce que sa symétrie de surface hexagonale s’accorde tant bien que mal avec celle du GaN.

Cela ne suffit pas. Le désaccord de maille entre GaN et Si(111) est d’environ 16,9 % — un chiffre cohérent avec la littérature académique, qui cite généralement autour de 17 %. Concrètement, cela signifie qu’une couche de GaN qui voudrait s’épitaxier directement sur silicium accumulerait une énergie de contrainte colossale, qui se relaxerait par la formation de dislocations à une densité rédhibitoire. À cela s’ajoute une différence de coefficient de dilatation thermique : le GaN et le Si ne se contractent pas au même rythme quand on redescend de la température de croissance (typiquement 1000-1100 °C en MOCVD) vers l’ambiance. Résultat : la couche de GaN se retrouve en tension à froid, avec un risque de fissuration si elle dépasse une épaisseur critique.

La parade industrielle est connue : intercaler un empilement de couches tampons. On commence par une couche de nucléation en AlN, qui offre un meilleur accord de maille avec le silicium et amorce la croissance. Puis viennent des super-réseaux AlN/AlGaN ou des gradins AlGaN, dont le rôle est double : gérer progressivement la contrainte, et filtrer les dislocations traversantes (TD) qui remontent depuis l’interface. Enfin, une couche de GaN dopée fer (Fe) joue le rôle de buffer semi-isolant, indispensable pour la RF où l’on veut éviter les fuites parasites dans le volume. La thèse de Lille confirme que ces couches tampons épaisses — plusieurs micromètres — sont la norme pour minimiser la densité de dislocations.

Mais ce compromis a un coût, et il est double. D’abord thermique : une couche tampon épaisse dégrade la dissipation de la chaleur vers le substrat, ce qui est précisément le point faible du silicium (conductivité thermique inférieure à celle du SiC, du GaN et même du saphir selon les données fournisseurs). Ensuite économique : plus la couche épitaxiée est épaisse, plus le wafer épitaxié coûte cher — la thèse de Lille le note explicitement. On échange donc un coût de substrat contre un coût d’épitaxie et une pénalité thermique.

Vient enfin l’architecture du composant. Le HEMT (High Electron Mobility Transistor) exploite une hétérojonction AlGaN/GaN : la polarisation spontanée et piézoélectrique de l’AlGaN crée, à l’interface, un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG) très dense et très mobile, sans aucun dopage. C’est l’élégance du GaN : le canal se forme tout seul. Les variantes MIS-HEMT intercalent un diélectrique de grille pour réduire les courants de fuite et améliorer la tenue en tension. Mais dans tous les cas, les dislocations traversantes qui traversent le buffer deviennent des voies de fuite électrique et des centres de piégeage. C’est ce piégeage qui cause le fameux current collapse : sous commutation rapide ou sous forte tension drain-source, des charges se piègent dans le buffer ou à la surface, dégradant temporairement la résistance à l’état passant. Un phénomène bien documenté, mais qui reste le principal obstacle à la fiabilité long terme du GaN-on-Si.

W/mm, fT/fmax, W/cm² : ce que le GaN-on-Si tient vraiment (et ce qu’il ne tient pas encore)

C’est ici qu’il faut être honnête avec le lecteur : les chiffres précis et indépendants manquent. Les spécifications disponibles proviennent essentiellement de fournisseurs de wafers, et concernent surtout le GaN-on-SiC, pas le GaN-on-Si. Il faut donc se garder de toute comparaison chiffrée hasardeuse.

Ce que l’on peut établir avec les données dont on dispose concerne le GaN-on-SiC, qui reste la référence RF. Un fournisseur comme Ganwafer revendique, pour ses plaquettes HEMT AlGaN/GaN-on-SiC, une densité de porteurs de 6×10¹² à 2×10¹³ cm⁻², une mobilité Hall de 1300 à 2200 cm²/V·s, une résistivité de feuille de 200 à 450 Ω/□, une composition d’aluminium de 20 à 30 %, et un buffer GaN dopé Fe de 1,6 µm. La qualité cristalline est mesurée par diffraction X : FWHM(002) inférieur à 260 arcsec et FWHM(102) inférieur à 300 arcsec. Ces valeurs sont des données commerciales, non recoupées par une source indépendante — il faut les prendre comme des ordres de grandeur de ce que la filière SiC sait produire, pas comme un benchmark validé.

Pour le GaN-on-Si, les données publiques sont beaucoup plus rares. On sait que des plaquettes épitaxiées sur Si(110)/Si(111) en 8 pouces (200 mm) pour réacteurs MOCVD sont commercialisées — un signal important, car il signifie que la filière a atteint le format des fabs CMOS modernes. On sait aussi, par la thèse de Lille, que le GaN-on-Si est étudié pour les applications RF 5G et au-delà, ciblant le spectre 24-94 GHz. Mais les densités de puissance en W/mm, les fréquences de coupure fT/fmax, les tensions de claquage réelles, les rendements en production : rien de tout cela n’est documenté de façon indépendante dans les sources disponibles.

Un point de repère de marché, à prendre avec prudence : le marché mondial des amplificateurs de puissance RF croîtrait à un rythme de 12,3 % par an jusqu’en 2030, selon un chiffre attribué à PwC 2023 mais relayé sans référence précise par un blog commercial. Et les fréquences 5G en bande millimétrique (24-47 GHz) subiraient une perte de propagation environ quatre fois supérieure aux bandes sous 6 GHz — un ordre de grandeur plausible, cohérent avec la physique, mais sans source primaire citée. Ces chiffres donnent une idée de la pression du marché, pas une mesure de performance.

Le tableau ci-dessus est révélateur : la colonne « GaN-on-Si » est presque vide de chiffres. Ce n’est pas un oubli, c’est le reflet de l’état réel de l’information publique. Les fournisseurs communiquent sur le SiC, pas encore sur le Si. C’est en soi un indicateur de maturité.

Atomera, Qorvo, Soitec, Infineon, Navitas, EPC, TSMC : qui pousse quoi, et avec quels moyens

Le paysage des acteurs dessine deux camps. D’un côté, ceux qui ont intérêt à ce que le GaN reste sur SiC ou autoporté : les fournisseurs historiques de substrats SiC, et les fondeurs spécialisés qui ont bâti leurs lignes autour de ces formats. De l’autre, ceux qui ont tout à gagner à un GaN compatible avec les fabs CMOS 200/300 mm : les fondeurs de silicium, les fabricants de composants de puissance grand public, et les acteurs de l’épitaxie qui peuvent vendre une brique technologique.

Atomera appartient à cette seconde catégorie. La société, connue pour sa technologie de silicium modifié (Mears Silicon Technology), a annoncé une percée visant à élargir l’adoption du GaN-on-silicon en RF. L’idée directrice : utiliser l’ingénierie du silicium pour améliorer la qualité du buffer et réduire les défauts, ce qui permettrait d’attaquer le marché RF sans passer par le SiC. C’est une annonce stratégique forte, mais qui reste à ce stade sans corroboration indépendante ni données de performance publiées.

Qorvo a franchi un jalon X-band dans le programme DARPA THREADS. C’est un signal différent, et peut-être plus significatif : DARPA ne finance pas des promesses, elle finance des démonstrations. Un jalon X-band (autour de 8-12 GHz) dans un programme de ce type indique qu’une filière GaN — on ne sait pas si elle est sur Si ou sur SiC dans ce cas précis — atteint des performances exploitables pour la défense. Qorvo est un acteur historique du GaN-on-SiC en RF, et son implication dans THREADS mérite d’être suivie de près. À noter que la même entreprise pousse par ailleurs le X-band côté radar à réseau phasé actif (AESA), où elle cherche à faire évoluer la maille des modules — un signe que le X-band est devenu un terrain de manœuvre transversal chez le fabricant.

Soitec et NTU Singapore ont annoncé le 2 mars 2026 des avancées majeures dans la 6G et les matériaux associés. C’est un acteur clé du sujet, car Soitec maîtrise l’ingénierie des substrats (Smart Cut) et peut, en théorie, fournir des substrats composites adaptés au GaN. Les détails techniques de cette annonce restent toutefois à documenter précisément avant d’en tirer des conclusions sur le GaN-on-Si lui-même.

Infineon, Navitas, EPC, TSMC : ces quatre noms reviennent systématiquement dès qu’on parle de GaN de puissance. Infineon et Navitas sont des acteurs établis du GaN-on-Si pour la puissance (chargeurs, adaptateurs, alimentations). EPC a bâti son positionnement sur le GaN basse tension pour la conversion haute fréquence. TSMC, enfin, est le fondeur qui, s’il standardise une filière GaN-on-Si 200/300 mm, changerait l’échelle du marché. Mais attention : dans les sources disponibles pour cet article, aucune de ces sociétés ne fournit de chiffre public et daté sur les performances de ses filières GaN-on-Si. On reste donc, pour elles, au niveau des positionnements stratégiques, pas des benchmarks.

Un point de méthode s’impose ici, et il vaut pour tout l’article : la tentation est grande de combler les cases vides avec des chiffres « de mémoire » ou glanés sur des blogs commerciaux. C’est exactement ce qu’il ne faut pas faire. Les seules données solides sont celles qui sont datées, attribuables et recoupables. Tout le reste doit être présenté comme une tendance, pas comme une mesure.

Ce que le GaN bidirectionnel et les modules changent à l’équation économique

L’un des enseignements les plus concrets de l’APEC 2026 concerne moins le substrat que l’architecture. Le GaN bidirectionnel — un composant capable de conduire et de bloquer dans les deux sens — ouvre la voie à des topologies de conversion qui se passent de certains composants passifs et simplifient les étages de puissance. Les modules multichip, de leur côté, intègrent driver, protections et puissance dans un même boîtier, réduisant le travail d’intégration pour le concepteur. Enfin, les régulateurs miniatures exploitent la fréquence de commutation élevée du GaN pour réduire drastiquement la taille des inductances et des condensateurs.

Ces trois tendances ont un point commun : elles rendent le GaN plus facile à adopter, indépendamment du débat SiC/Si. Autrement dit, le GaN bidirectionnel et les modules ne tranchent pas la question du substrat — mais ils élargissent le marché adressable, ce qui, mécaniquement, renforce l’intérêt économique d’une filière GaN-on-Si à grand volume. C’est là que le silicium redevient stratégique : ce n’est pas la performance brute qui le ramène sur le devant de la scène, c’est le volume.

Le parallèle avec la RF est frappant. Dans le domaine des front-ends, la même logique d’intégration est à l’œuvre : le 9 octobre 2026, pSemi (groupe Murata) a annoncé deux modules front-end UltraCMOS+ pour l’IoT 2,4 GHz, les PE566212 et PE566213, qui réunissent PA, LNA et commutateur dans un boîtier LGA de 1,8 × 1,8 × 0,63 mm. Le mouvement de fond est identique : le front-end RF quitte l’ère du discret pour devenir un composant système. Pour le GaN, la question du substrat se pose dans les mêmes termes — non plus « quelle est la meilleure performance unitaire ? » mais « quelle filière permet d’intégrer à l’échelle et à coût maîtrisé ? ».

Ce qu’il faut retenir pour un concepteur, et ce qui reste à prouver

Pour un ingénieur qui doit choisir une filière en cette fin 2026, la lecture raisonnable est la suivante.

Premièrement, le GaN-on-SiC reste la référence pour la RF haute performance et la défense. Les données fournisseurs existent, la filière est mature, et les programmes comme THREADS continuent de la tirer. Si votre application exige le meilleur W/mm et une dissipation thermique maximale, le SiC n’est pas près d’être remplacé.

Deuxièmement, le GaN-on-Si progresse, mais les chiffres publics manquent. Le format 200 mm est atteint, ce qui est un jalon industriel réel. Mais tant que les fournisseurs ne publient pas de benchmarks indépendants sur les densités de puissance, les fréquences de coupure et les rendements en volume, toute comparaison chiffrée relève de la conjecture. Un concepteur prudent traitera le GaN-on-Si comme une filière prometteuse à qualifier au cas par cas, pas comme un substitut générique au SiC.

Troisièmement, les annonces d’Atomera et de Soitec/NTU méritent un suivi, mais pas encore une décision d’architecture. Une percée annoncée n’est pas une percée qualifiée. La règle empirique du métier — ne jamais dimensionner une production sur une annonce de laboratoire — s’applique ici intégralement.

Quatrièmement, l’intégration (modules, GaN bidirectionnel, front-ends système) est peut-être le vrai moteur de la décennie, plus que le débat sur le substrat. C’est elle qui fait baisser le coût d’usage, et c’est elle qui, en retour, crée le volume justifiant une filière GaN-on-Si.

Enfin, un rappel de méthode qui vaut pour tout le magazine : les chiffres qui circulent sans source datée — taux de croissance du marché RF, pertes de propagation en bande millimétrique, parts de marché — doivent être traités comme des ordres de grandeur indicatifs, pas comme des données de conception. La rigueur, ici, n’est pas un luxe : c’est ce qui distingue une analyse technique d’un communiqué.

Le basculement vers le silicium n’aura rien d’automatique. Il dépendra de la capacité des acteurs à publier des données vérifiables, à qualifier leurs filières en volume, et à convaincre les fabs CMOS d’investir dans une technologie qui n’est pas la leur. Les signaux de 2026 sont réels, mais ils annoncent une trajectoire, pas une révolution accomplie.

Sources

• Thèse d’Elodie Carneiro, Université de Lille / IEMN (directeurs Farid Medjdoub et Fabrice Semond), 2024 — substrats GaN, comparaison SiC / GaN autoporté / Si, couches tampons, current collapse.
• Données fournisseur Ganwafer sur plaquettes HEMT AlGaN/GaN-on-SiC (densité de porteurs, mobilité Hall, FWHM, buffer Fe) — données commerciales non recoupées indépendamment.
• Annonce Atomera sur l’application de sa technologie de silicium modifié au GaN-on-silicon RF (2026).
• Jalon X-band de Qorvo dans le programme DARPA THREADS (2026).
• Tendances APEC 2026 : GaN bidirectionnel, modules multichip, régulateurs miniatures.
• Annonce Soitec / NTU Singapore du 2 mars 2026 sur la 6G et les matériaux associés.
• pSemi annonce deux modules front-end UltraCMOS+ pour l’IoT 2,4 GHz (PE566212, PE566213), 9 octobre 2026.
• electronica 2026 — informations exposants et visiteurs.
• Silicium, SiC, GaN : les nouveaux semi-conducteurs expliqués — cadre général sur les matériaux à large bande interdite.
• Mouser New Product Insider : plus de 5 000 nouveaux composants au troisième trimestre 2026 — contexte d’approvisionnement.

Article recherché et rédigé automatiquement · Magazine Electrosens