Desbloqueando la Revolución 6G con Semiconductores GaN de Próxima Generación

Los semiconductores son la base de los dispositivos electrónicos y Internet de las Cosas (IoT) y equipos de telecomunicaciones.

Son materiales que controlan el flujo de corriente eléctrica. Su propiedad única de tener una conductividad intermedia entre la de un conductor y un aislante los convierte en componentes clave en dispositivos como diodos, transistores y circuitos integrados.

La demanda de semiconductores está aumentando rápidamente. Se utilizan en teléfonos inteligentes, computadoras, electrodomésticos, equipos médicos y hardware de videojuegos. Además, la creciente popularidad y uso de tecnologías de inteligencia artificial (IA) están impulsando aún más los avances en el desarrollo de chips y aumentando la producción de semiconductores.

El ritmo constante del despliegue de 5G es otro factor que impulsa las tendencias de demanda saludable de chips semiconductores.

La “quinta generación” de la tecnología de redes celulares, que ha sido implementada por operadores móviles en todo el mundo desde 2019, ofrece velocidades de descarga más altas y menor latencia, lo que permite una comunicación casi instantánea.

La latencia ultra‑baja y la alta fiabilidad de 5G son extremadamente importantes para los avances de alta tecnología. La red 5G, a su vez, depende de los semiconductores para ofrecer esos beneficios.

Los componentes semiconductores son necesarios aquí para procesar las señales que transportan los datos. Desde estaciones base hasta teléfonos inteligentes y dispositivos IoT, son los chips que permiten un procesamiento rápido de señales, transmisión de radiofrecuencia (RF) de banda ancha y conectividad segura.

Aunque 5G aún está en fase de despliegue, los actores de la industria ya han comenzado a discutir el desarrollo de la sexta generación (6G). Esto, sin embargo, requiere avances significativos en la tecnología de semiconductores que puedan manejar latencias extremadamente bajas, tasas de datos ultra‑altas, alta eficiencia energética, soporte para frecuencias de terahercios (THz) y, por supuesto, conectividad masiva.

A medida que empresas e investigadores trabajan en mejorar las capacidades de los semiconductores, un reciente avance tecnológico está mostrando un enorme potencial para transformar la forma en que nos comunicamos.

Al potenciar la red móvil 6G para ofrecer velocidades más rápidas, comunicaciones más eficientes y una cobertura mucho más amplia que la generación actual (5G), este último avance promete un futuro que hará realidad mucha ciencia ficción.

Conceptos futuristas como sentir el tacto de tus seres queridos que viven al otro lado del continente o recibir un diagnóstico médico al instante sin salir de casa dependen de la capacidad de comunicar y transferir enormes cantidades de datos a una velocidad mucho mayor que la que las redes existentes pueden ofrecer.

Físicos de la Universidad de Bristol han encontrado una forma novedosa de acelerar el proceso para lograr esto.

“Dentro de la próxima década, tecnologías previamente casi inimaginables para transformar una amplia gama de experiencias humanas podrían estar ampliamente disponibles.”

– Coautor principal Martin Kuball, Profesor de Física en la Universidad de Bristol.

Al hablar de los posibles beneficios, que él describió como “de gran alcance”, Kuball señaló avances en la atención sanitaria con diagnósticos y cirugías remotas, aulas virtuales, turismo vacacional virtual, automatización industrial para mayor eficiencia y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) para mejorar la seguridad vial.

“La lista de posibles aplicaciones de 6G es interminable, con el único límite siendo la imaginación humana. Así que nuestros descubrimientos innovadores en semiconductores son enormemente emocionantes y ayudarán a impulsar estos desarrollos a gran velocidad y escala.”

– Kuball 

Lo que este cambio a 6G requiere es una actualización radical de la tecnología de semiconductores, sistemas, circuitos y algoritmos asociados. 

El Auge de los Transistores Basados en GaN

En el sector de semiconductores que avanza rápidamente, el nitruro de galio (GaN) se está utilizando como el principal componente semiconductor.

Este semiconductor compuesto es muy duro, mecánicamente estable y tiene una banda prohibida amplia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia. Después del silicio, el GaN es uno de los semiconductores más críticos y está viendo una adopción más amplia en la electrónica de consumo.

El GaN es en realidad conocido por tener una banda prohibida más amplia en comparación con el silicio. Como resultado, los dispositivos de GaN pueden manejar densidades de potencia más altas, lo que conduce a diseños más pequeños y ligeros y ofrece mayor eficiencia y mejor fiabilidad.

En los actuales sistemas de comunicación de quinta generación, estos dispositivos están convirtiéndose cada vez más en el nuevo estándar. Y ahora, los investigadores los están explorando para aplicaciones de infraestructura móvil y inalámbrica 6G.

Es gracias a su alta potencia de salida y operabilidad a alta frecuencia que los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN (HEMT) han revolucionado la comunicación inalámbrica y militar.

Esto se debe principalmente a parámetros materiales como un alto campo eléctrico crítico, buena movilidad a temperatura ambiente y alta velocidad de saturación. Las innovaciones en el diseño de placas de campo han mejorado aún más el rendimiento de los HEMT de GaN, alcanzando potencias de hasta 40 W mm−1 a 4 GHz y una eficiencia de potencia añadida del 60 %.

Pero esto no es suficiente para habilitar aplicaciones futuras. El GaN necesita ser aún más rápido y fiable, y emitir mayor potencia para permitir la sexta generación de comunicaciones inalámbricas.

Se requieren mejoras en la potencia de salida para mantener la integridad de la señal a largas distancias, con proyectos ambiciosos que ya establecen metas de alcanzar 81 W mm−1.

En este contexto, un equipo internacional de ingenieros y científicos desarrolló y probó una nueva arquitectura que aumentó las capacidades de los amplificadores especiales de GaN.

Estos resultados se obtuvieron al encontrar un efecto de latch en el GaN, lo que desbloqueó un rendimiento de dispositivo de radiofrecuencia muy alto. Esta nueva generación de dispositivos utiliza canales paralelos que requieren aletas laterales de menos de 100 nm, un tipo de transistor que controla el flujo de corriente que pasa a través de los dispositivos.

En la investigación más reciente, el equipo utilizó más de 1000 aletas con un ancho inferior a 100 nm en SLCFETs para ayudar a impulsar la corriente. Según el coautor principal el Dr. Akhil Shaji, Investigador Honorario en la Universidad de Bristol:

“Hemos puesto a prueba una tecnología de dispositivo, trabajando con colaboradores, llamada transistores de efecto de campo castellados de superred (SLCFET).” 

Los SLCFET basados en GaN tienen el potencial de usarse para alcanzar las metas de alta potencia de salida (81 W mm−1) establecidas por los proyectos. Los SLCFET con hasta diez canales de gas de electrones bidimensionales (2DEG) apilados pueden proporcionar un aumento de 10 x en portadores de carga comparado con los HEMT de GaN de canal único.

La nueva arquitectura, según el estudio, ofrece un bajo voltaje de encendido, lo que la hace perfecta para grandes oscilaciones de voltaje de salida combinadas con una alta densidad de corriente.

Los SLCFET han demostrado una potencia de salida de más de 10 W mm−1 a 94 GHz con 12 V en el drenaje y más del 40 % de eficiencia de potencia añadida, respaldados por una densidad de corriente de 4.8 A mm−1 con mínima dispersión y colapso de corriente.

Con tanta potencia, el desafío radica en controlar la disipación de calor, pero sin elevar la huella del dispositivo. Si bien la potencia puede mejorarse aumentando el voltaje de drenaje (VDS), la ionización de impacto puede deteriorar las características del SLCFET.

Luego está el latch del transistor. Aquí, el dispositivo permanece en estado encendido a pesar de estar polarizado en un sesgo de puerta apagado (VGS), un efecto bien conocido en dispositivos basados en silicio. Sin embargo, la alta banda prohibida del GaN minimiza la ionización de impacto. Los investigadores ya habían confirmado la ocurrencia de ionización de impacto en la operación en estado encendido de los SLCFET.

Mejorando el Rendimiento del GaN a través del Efecto de Latch

Los SLCFET basados en nitruro de galio de aluminio (AlGaN) o nitruro de galio (GaN) muestran promesas como base para amplificadores RF de alta potencia y conmutadores en radares avanzados del futuro.

Estos transistores han demostrado el mejor rendimiento en la banda de frecuencia W, que va de 75 GHz a 110 GHz. La ciencia detrás de esto, sin embargo, era desconocida hasta ahora.

Según el estudio publicado en la revista Nature Electronics¹, se trata de “un efecto de latch en GaN, que permite el alto rendimiento de radiofrecuencia”.

Con el efecto ya reconocido, el equipo procedió a averiguar exactamente dónde ocurre. Utilizaron mediciones eléctricas de ultra‑precisión y microscopía óptica simultáneamente para estudiar el efecto más a fondo y comprenderlo mejor.

Al analizar más de 1 000 aletas, los investigadores localizaron el efecto en la aleta más ancha. Para verificar aún más las observaciones, el equipo construyó un modelo 3D usando un simulador.

“Las mediciones corriente‑voltaje, simulaciones y la emisión electroluminiscente correlacionada en la condición de latch indican que la activación de ionización de impacto localizada dependiente del ancho de la aleta es responsable del latch”, señaló el estudio, añadiendo que esta localización se atribuye a la presencia de variación en el ancho de la aleta, debido a la variabilidad en el proceso de fabricación.

A continuación, el equipo abordó los aspectos de fiabilidad del efecto para aplicaciones prácticas. Las pruebas rigurosas del dispositivo durante un período prolongado mostraron que el efecto de latch no tiene un efecto perjudicial en el rendimiento o la fiabilidad del dispositivo.

La condición de latch, según el estudio, es reversible y no degradante y puede conducir a una mejora en las características de transconductancia de los transistores, lo que implica mayor linealidad y potencia en los amplificadores de potencia de radiofrecuencia.

“Encontramos que un aspecto clave que impulsa esta fiabilidad era una fina capa de recubrimiento dieléctrico alrededor de cada una de las aletas.”

– Profesor Kuball, Catedrático de la Royal Academy of Engineering en Tecnologías Emergentes

Al frente del Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR), Kuball está ayudando a desarrollar dispositivos electrónicos semiconductores de próxima generación para comunicaciones y tecnología de radar, y a lograr emisiones netas cero. CDTR también trabaja en mejorar la gestión térmica del dispositivo, su rendimiento eléctrico y su fiabilidad mediante semiconductores de banda ancha y ultra‑ancha.

La principal conclusión de la investigación, señaló Kuball, “fue clara: el efecto de latch puede explotarse para innumerables aplicaciones prácticas, lo que podría ayudar a transformar la vida de las personas de muchas maneras diferentes en los años venideros”.

Ahora, en trabajos futuros, el equipo se centrará en aumentar aún más la densidad de potencia que los dispositivos pueden entregar. Esto les permitirá ofrecer un rendimiento aún mayor y servir a audiencias más amplias.

Además, los socios de la industria ayudarán a que estos dispositivos de próxima generación estén disponibles comercialmente.

Invertir en la Innovación de Semiconductores

Cuando se trata de invertir en tecnología GaN, MACOM (MTSI ) es una de las pocas empresas públicas estadounidenses que ofrece exposición directa a ella. Utiliza tanto tecnologías de proceso GaN‑on‑SiC como GaN‑on‑Si para habilitar arquitecturas de sistemas de próxima generación en una amplia gama de aplicaciones. La compañía ofrece amplificadores de bajo ruido innovadores, amplificadores de potencia GaN y conmutadores que abarcan frecuencias desde DC hasta más de 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings es un fabricante de productos semiconductores de alto rendimiento para telecomunicaciones y otras industrias.

La empresa atiende a más de 6 000 clientes anualmente con su amplio portafolio de productos que incorpora tecnologías analógicas, de microondas, radiofrecuencia (RF), de señal mixta y ópticas. MACOM se especializa en aplicaciones, fabricación de semiconductores compuestos, incluidos GaAs, GaN, InP y silicio especializado, diseño de circuitos analógicos y de señal mixta, empaquetado avanzado y ensamblaje y pruebas de back‑end.

La compañía ha obtenido varias certificaciones, incluyendo el estándar aeroespacial AS9100D, el estándar automotriz IATF16949, la norma internacional de calidad ISO9001 y la norma de gestión ambiental ISO14001.

En cuanto al desempeño del mercado de MACOM, con una capitalización bursátil de 9 mil millones de dólares, las acciones MTSI se cotizan actualmente a 123,41 $. Mientras que MTSI ha bajado un 6,37 % este año hasta ahora, ha subido un 46,7 % desde su mínimo a principios de abril y está a solo un 15,5 % del pico que alcanzó a principios de este año en enero. Con eso, su EPS (TTM) es -1,22 y su P/E (TTM) es -99,66.

En cuanto a los resultados financieros, MACOM informó recientemente los resultados del segundo trimestre fiscal que terminó el 4 de abril de 2025, en el que registró ingresos de 235,9 millones de dólares, un aumento del 30,2 % respecto al mismo trimestre del año anterior.

Los ingresos operativos fueron de 34,9 millones de dólares, o el 14,8 % de los ingresos, mientras que la utilidad neta fue de 31,7 millones de dólares, o 0,42 $ por acción diluida. El margen bruto, en este período, subió un 2,7 % a 55,2 % mientras que el margen bruto ajustado aumentó un 0,4 % a 57,5 %.

Al comentar el “sólido desempeño del segundo trimestre”, el presidente y director ejecutivo Stephen G. Daly elogió el “trabajo en equipo excepcional en toda la organización de MACOM” que permitió este éxito.

Estas cifras siguieron a un “buen comienzo” del año fiscal en el primer trimestre, en el que Daly dijo que el enfoque de la compañía sigue siendo servir a los clientes y “construir un portafolio de productos más fuerte, más amplio y más competitivo”.

En el 1T25, los ingresos de MACOM fueron de 218,1 millones de dólares, lo que representó un aumento del 38,8 % respecto al 1T24, y los ingresos operativos fueron de 17,5 millones de dólares, o el 8 % de los ingresos. En el trimestre anterior, la compañía reportó una pérdida neta de 167,5 millones de dólares, o una pérdida de 2,30 $ por acción diluida, debido a una pérdida única de 193,1 millones de dólares por la extinción de deuda.

Ahora, para el tercer trimestre fiscal que termina el 4 de julio de 2025, MACOM pronostica ingresos entre 246 millones y 254 millones de dólares. Se espera que el margen bruto ajustado esté entre el 56,5 % y el 58,5 % y que las ganancias ajustadas por acción diluida estén entre 0,87 $ y 0,91 $, utilizando una tasa impositiva no GAAP del 3 % y 76,5 millones de acciones totalmente diluidas en circulación.

En medio de todo esto, MACOM continuó expandiendo su negocio mediante inversiones. En enero de este año, MACOM anunció un plan estratégico para invertir hasta 345 millones de dólares durante un período de cinco años en sus instalaciones de fabricación de obleas en Massachusetts y Carolina del Norte. El objetivo de la inversión es modernizar las instalaciones existentes e introducir capacidades de fabricación avanzadas para tecnologías RF, de microondas y de ondas milimétricas, con el fin de mejorar la oferta de productos de MACOM para centros de datos, telecomunicaciones e industrias de defensa.

En su instalación de Massachusetts específicamente, la compañía instalará capacidad de fabricación de GaN‑on‑SiC de 150 mm.

“Este plan reforzará las capacidades de fabricación de semiconductores domésticos de MACOM”, dijo Daly, añadiendo que también acelerará la estrategia de crecimiento de la compañía.

Esta iniciativa cuenta con el apoyo de un acuerdo preliminar con la Oficina del Programa CHIPS, que ha dedicado un total de 39 mil millones de dólares para proporcionar incentivos a la inversión en instalaciones y equipos en EE. UU. Propone 180 millones de dólares en financiación y créditos fiscales a MACOM bajo la Ley CHIPS y Ciencia.

Un par de meses antes, MACOM adquirió una empresa de semiconductores sin fábrica llamada ENGIN‑IC, que diseña MMICs avanzados de GaN (circuitos integrados de microondas monolíticos) con el objetivo de servir mejor a sus mercados objetivo y ganar una mayor cuota de mercado.

El enfoque de ENGIN‑IC está realmente en servir a la industria de defensa de EE. UU. y cuenta con un portafolio de productos de más de 60 MMICs estándar y muchos más MMICs personalizados.

“La excepcional experiencia de ENGIN‑IC en diseño de MMIC y módulos de banda ancha y alta eficiencia nos permitirá apoyar mejor a nuestros clientes mutuos”, dijo Daly en ese momento, mientras el cofundador y CTO de ENGIN‑IC, Stephen Nelson, compartió su entusiasmo por “ser parte de los esfuerzos de MACOM para liderar la industria en procesos y productos de semiconductores GaN”.

Conclusión

El 6G es la próxima generación de tecnología para comunicaciones inalámbricas que promete velocidades aún más rápidas y una comunicación más eficiente. Realizar este futuro de comunicación global, automatización y experiencias virtuales inmersivas, sin embargo, depende de los avances en semiconductores. El material semiconductor, GaN, con sus cualidades únicas de mayor velocidad, menor resistencia y mayor voltaje de ruptura, muestra su potencial para revolucionar la electrónica y la comunicación.

El último avance en SLCFET basados en GaN, que aprovecha las novedosas arquitecturas de transistores y descubre la mecánica del efecto de latch, empuja los límites de lo que es posible en el rendimiento de semiconductores de alta frecuencia.

The innovation makes the path to 6G reality clearer than ever by revealing both scalable performance and robust reliability.

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Estudios Referenciados:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch-induced sub-60-mV-per-decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5