Sbloccare la Rivoluzione 6G con i Semiconduttori GaN di Nuova Generazione

I semiconduttori sono la base dei dispositivi elettronici e dell’Internet delle Cose (IoT) e delle apparecchiature di telecomunicazione.

Sono materiali che controllano il flusso di corrente elettrica. La loro proprietà unica di avere una conduttività intermedia tra quella di un conduttore e un isolante li rende componenti chiave in dispositivi come diodi, transistor e circuiti integrati.

La domanda di semiconduttori sta crescendo rapidamente. Sono utilizzati in smartphone, computer, elettrodomestici, apparecchiature mediche e hardware per videogiochi. Inoltre, la crescente popolarità e l’uso delle tecnologie di intelligenza artificiale (AI) stanno ulteriormente stimolando i progressi nello sviluppo dei chip e aumentando la produzione di semiconduttori.

Il ritmo costante del dispiegamento del 5G è un ulteriore fattore che alimenta la sana tendenza della domanda di chip semiconduttori.

La “quinta generazione” della tecnologia di rete cellulare, distribuita dagli operatori mobili in tutto il mondo dal 2019, offre velocità di download più elevate e latenza ridotta, consentendo comunicazioni quasi istantanee.

L’ultra-bassa latenza e l’alta affidabilità del 5G sono estremamente importanti per i progressi ad alta tecnologia. Nel frattempo, la rete 5G si basa sui semiconduttori per offrire questi vantaggi.

I componenti semiconduttori sono necessari qui per elaborare i segnali che trasportano i dati. Dalle stazioni base agli smartphone e ai dispositivi IoT, sono i chip che consentono l’elaborazione rapida dei segnali, la trasmissione a banda larga di radiofrequenza (RF) e la connettività sicura.

Mentre il 5G è ancora nella fase di dispiegamento, gli attori del settore hanno già iniziato a discutere lo sviluppo della sesta generazione (6G). Tuttavia, ciò richiede notevoli progressi nella tecnologia dei semiconduttori in grado di gestire latenza estremamente bassa, velocità di dati ultra‑alte, alta efficienza energetica, supporto per frequenze terahertz (THz) e, naturalmente, connettività massiccia.

Mentre le aziende e i ricercatori lavorano per migliorare le capacità dei semiconduttori, una recente scoperta tecnologica sta mostrando un enorme potenziale per trasformare il modo in cui comunichiamo.

Potenzificando il 6G della rete mobile per offrire velocità più elevate, comunicazioni più efficienti e una copertura molto più ampia rispetto all’attuale generazione (5G), questo ultimo progresso promette un futuro che renderà realtà molte fantascienze.

Concetti futuristici come sentire il tocco dei propri cari che vivono dall’altra parte del continente o ottenere una diagnosi sanitaria istantaneamente senza dover uscire di casa dipendono tutti dalla capacità di comunicare e trasferire enormi quantità di dati a una velocità molto più elevata rispetto a quella delle reti attuali.

I fisici dell’Università di Bristol hanno trovato un modo nuovo per accelerare il processo per raggiungere questo obiettivo.

“Nel prossimo decennio, tecnologie quasi inimmaginabili fino a poco tempo fa per trasformare una vasta gamma di esperienze umane potrebbero essere ampiamente disponibili.”

– Co‑autore principale Martin Kuball, Professore di Fisica presso l’Università di Bristol.

Parlando dei possibili benefici, che ha definito “di ampio respiro”, Kuball ha indicato i progressi nella sanità con diagnosi e chirurgia a distanza, aule virtuali, turismo vacanziero virtuale, automazione industriale per una maggiore efficienza e sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) per migliorare la sicurezza stradale.

“L’elenco delle possibili applicazioni del 6G è infinito, il limite è solo l’immaginazione umana. Quindi le nostre scoperte innovative nei semiconduttori sono estremamente entusiasmanti e aiuteranno a spingere questi sviluppi a velocità e scala.”

– Kuball

Ciò che questo passaggio al 6G richiede è un aggiornamento radicale della tecnologia dei semiconduttori, dei sistemi, dei circuiti e degli algoritmi associati.

L’ascesa dei transistor a base di GaN

Nel settore dei semiconduttori in rapida evoluzione, il nitruro di gallio (GaN) viene utilizzato come componente semiconduttore principale.

Questo semiconduttore composto è molto duro, meccanicamente stabile e possiede un ampio bandgap, rendendolo adatto per applicazioni ad alta potenza e alta frequenza. Dopo il silicio, il GaN è uno dei semiconduttori più critici e sta vedendo una più ampia adozione nell’elettronica di consumo.

Il GaN è noto per avere un bandgap più ampio rispetto al silicio. Di conseguenza, i dispositivi GaN possono gestire densità di potenza più elevate, il che porta a progetti più piccoli e leggeri e offre maggiore efficienza e migliore affidabilità.

Nell’attuale sistemi di comunicazione di quinta generazione, questi dispositivi stanno diventando sempre più lo standard nuovo. Ora i ricercatori li stanno esplorando per le applicazioni infrastrutturali mobili e wireless del 6G.

È grazie al loro alto potere di uscita e alla capacità di operare ad alte frequenze che i transistor a mobilità elettronica elevata (HEMT) a base di GaN hanno rivoluzionato le comunicazioni wireless e militari.

Ciò è dovuto principalmente a parametri materiali come un alto campo elettrico critico, buona mobilità a temperatura ambiente e alta velocità di saturazione. Le innovazioni nel design del piatto di campo hanno ulteriormente migliorato le prestazioni dei HEMT GaN, portando a potenze fino a 40 W mm⁻¹ a 4 GHz e a un’efficienza di potenza aggiunta del 60 %.

Ma ciò non è sufficiente per abilitare le applicazioni future. Il GaN deve essere ancora più veloce e affidabile, e emettere maggiore potenza per consentire la sesta generazione di comunicazioni wireless.

Sono necessari miglioramenti nella potenza di uscita per mantenere l’integrità del segnale su lunghe distanze, con progetti ambiziosi che hanno già fissato obiettivi di 81 W mm⁻¹.

In questo contesto, il team internazionale di ingegneri e scienziati ha sviluppato e testato una nuova architettura che ha aumentato le capacità degli amplificatori GaN speciali.

Tali risultati sono stati ottenuti individuando un effetto latch nel GaN, che ha sbloccato prestazioni molto elevate dei dispositivi a radiofrequenza. Questa nuova generazione di dispositivi utilizza canali paralleli che richiedono alette laterali sub‑100 nm, un tipo di transistor che controlla il flusso di corrente che attraversa i dispositivi.

Nella ricerca più recente, il team ha utilizzato oltre 1000 alette con una larghezza sub‑100 nm nei SLCFET per aiutare a guidare la corrente. Secondo il co‑autore principale Dr. Akhil Shaji, Associato di Ricerca Onorario presso l’Università di Bristol:

“Abbiamo sperimentato una tecnologia di dispositivo, lavorando con collaboratori, chiamata transistor a effetto campo superlattice castellato (SLCFET).”

I SLCFET a base di GaN hanno il potenziale per raggiungere gli obiettivi di alta potenza di uscita (81 W mm⁻¹) fissati dai progetti. I SLCFET con fino a dieci canali di gas elettronico bidimensionale (2DEG) impilati possono effettivamente fornire un aumento di 10 volte dei portatori di carica rispetto ai HEMT GaN a canale singolo.

La nuova architettura, secondo lo studio, offre una bassa tensione di soglia, rendendola perfetta per ampi swing di tensione di uscita combinati con un’alta densità di corrente.

I SLCFET hanno mostrato una potenza di uscita superiore a 10 W mm⁻¹ a 94 GHz con 12 V sul drain e oltre il 40 % di efficienza di potenza aggiunta, supportati da una densità di corrente di 4,8 A mm⁻¹ con dispersione minima e collasso di corrente.

A queste potenze elevate, la sfida è controllare la dissipazione del calore, ma senza aumentare l’ingombro del dispositivo. Sebbene la potenza possa essere migliorata aumentando la tensione di drain (VDS), l’ionizzazione d’impatto può deteriorare le caratteristiche dei SLCFET.

Poi c’è il latch del transistor. Qui, il dispositivo rimane nello stato acceso nonostante sia polarizzato con un bias di gate in stato spento (VGS), un effetto ben noto nei dispositivi a base di silicio. Tuttavia, l’ampio bandgap del GaN minimizza l’ionizzazione d’impatto. I ricercatori hanno precedentemente confermato il verificarsi dell’ionizzazione d’impatto durante il funzionamento in stato acceso dei SLCFET.

Migliorare le Prestazioni del GaN Attraverso l’Effetto Latch

Il nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) o i SLCFET a base di nitruro di gallio (GaN) mostrano promettenti potenzialità come base per amplificatori RF ad alta potenza e commutatori nei radar avanzati del futuro.

Questi transistor hanno mostrato le migliori prestazioni nella gamma di frequenza della banda W, che va da 75 GHz a 110 GHz. La scienza alla base di ciò, tuttavia, era sconosciuta fino a ora.

Secondo lo studio pubblicato nella rivista Nature Electronics¹, è “un effetto latch nel GaN, che consente le alte prestazioni a radiofrequenza.”

Con l’effetto ora riconosciuto, il team ha proseguito per scoprire esattamente dove si verifica. Hanno utilizzato misurazioni elettriche ultra‑precise e microscopia ottica simultaneamente per studiare ulteriormente l’effetto e comprenderlo meglio.

Analizzando oltre 1.000 alette, i ricercatori hanno individuato l’effetto sull’ala più larga. Per verificare ulteriormente le osservazioni, il team ha costruito un modello 3D usando un simulatore.

“Le misurazioni corrente‑tensione, le simulazioni e l’emissione elettroluminescente correlata nella condizione di latch indicano che l’attivazione dell’ionizzazione d’impatto localizzata dipendente dalla larghezza dell’ala è responsabile del latch,” ha osservato lo studio, aggiungendo che questa localizzazione è attribuita alla presenza di variazioni nella larghezza dell’ala, dovute alla variabilità del processo di fabbricazione.

Successivamente, il team ha affrontato gli aspetti di affidabilità dell’effetto per applicazioni pratiche. I test rigorosi del dispositivo per un lungo periodo hanno dimostrato che l’effetto latch non ha alcun impatto negativo sulle prestazioni o sull’affidabilità del dispositivo.

La condizione di latch, secondo lo studio, è reversibile e non degradante e può portare a miglioramenti nelle caratteristiche di transconduttanza dei transistor, implicando una linearità e una potenza migliorate negli amplificatori di potenza a radiofrequenza.

“Abbiamo scoperto che un aspetto chiave che guida questa affidabilità era uno strato sottile di rivestimento dielettrico attorno a ciascuna delle alette.”

– Professor Kuball, Presidente della Royal Academy of Engineering per le Tecnologie Emergenti

Alla guida del Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR), Kuball sta contribuendo a sviluppare dispositivi elettronici semiconduttori di nuova generazione per le comunicazioni e la tecnologia radar, e a raggiungere emissioni nette zero. CDTR lavora anche sul miglioramento della gestione termica del dispositivo, delle sue prestazioni elettriche e dell’affidabilità attraverso semiconduttori a bandgap ampio e ultra‑ampio.

Il punto principale della ricerca, ha osservato Kuball, “è stato chiaro – l’effetto latch può essere sfruttato per innumerevoli applicazioni pratiche, che potrebbero trasformare la vita delle persone in molti modi diversi negli anni a venire.”

Ora, nei lavori futuri, il team si concentrerà sull’aumentare ulteriormente la densità di potenza che i dispositivi possono fornire. Ciò consentirà loro di offrire prestazioni ancora più elevate e di servire un pubblico più ampio.

Inoltre, i partner industriali aiuteranno a rendere commercialmente disponibili questi dispositivi di nuova generazione.

Investire nell’Innovazione dei Semiconduttori

Per quanto riguarda gli investimenti nella tecnologia GaN, MACOM è una delle poche società pubbliche statunitensi che offre un’esposizione diretta a essa. Utilizza sia le tecnologie di processo GaN‑on‑SiC che GaN‑on‑Si per abilitare architetture di sistema di nuova generazione in un’ampia gamma di applicazioni. L’azienda offre amplificatori a basso rumore innovativi, amplificatori di potenza GaN e switch che coprono frequenze da DC a oltre 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings è un produttore di prodotti semiconduttori ad alte prestazioni per le telecomunicazioni e per altri settori.

L’azienda serve più di 6.000 clienti all’anno con il suo ampio portafoglio di prodotti che comprende tecnologie semiconduttori analogiche, microonde, radiofrequenza (RF), a segnale misto e ottiche. MACOM è specializzata nella fabbricazione di semiconduttori composti, inclusi GaAs, GaN, InP e silicio specializzato, nella progettazione di circuiti analogici e a segnale misto, nel packaging avanzato e nell’assemblaggio e test di back‑end.

L’azienda ha ottenuto diverse certificazioni, tra cui lo standard aerospaziale AS9100D, lo standard automobilistico IATF16949, lo standard internazionale di qualità ISO9001 e lo standard di gestione ambientale ISO14001.

Per quanto riguarda le performance di mercato di MCOM, con una capitalizzazione di mercato di 9 miliardi di dollari, le azioni MTSI sono attualmente quotate a 123,41 $. Mentre MTSI è in calo del 6,37 % quest’anno finora, è in rialzo del 46,7 % rispetto al minimo di inizio aprile e a circa il 15,5 % dal picco raggiunto a gennaio di quest’anno. Con ciò, il suo EPS (TTM) è -1,22 e il P/E (TTM) è -99,66.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, MACOM ha recentemente riportato i risultati del secondo trimestre fiscale chiuso il 4 aprile 2025, registrando un fatturato di 235,9 milioni di dollari, con un aumento del 30,2 % rispetto allo stesso trimestre dell’anno precedente.

Il reddito operativo è stato di 34,9 milioni di dollari, ovvero il 14,8 % del fatturato, mentre l’utile netto è stato di 31,7 milioni di dollari, ovvero 0,42 $ per azione diluita. Il margine lordo, in questo periodo, è salito del 2,7 % al 55,2 % mentre il margine lordo rettificato è aumentato dello 0,4 % al 57,5 %.

Commentando la “solida performance del Q2” dell’azienda, il presidente e CEO Stephen G. Daly ha elogiato il “lavoro di squadra eccezionale in tutta l’organizzazione MACOM” per aver reso possibile questo successo.

Questi numeri sono seguiti a “un buon inizio” dell’anno fiscale nel Q1, in cui Daly ha affermato che l’attenzione dell’azienda continua a essere sul servire i clienti e “costruire un portafoglio di prodotti più forte, più ampio e più competitivo.”

Nel 1Q25, il fatturato di MACOM è stato di 218,1 milioni di dollari, con un aumento del 38,8 % rispetto al 1Q24, e il reddito operativo è stato di 17,5 milioni di dollari, ovvero l’8 % del fatturato. Nel trimestre precedente, l’azienda ha registrato una perdita netta di 167,5 milioni di dollari, ovvero una perdita di 2,30 $ per azione diluita, a causa di una perdita una tantum di 193,1 milioni di dollari per estinzione del debito.

Ora, per il terzo trimestre fiscale chiuso il 4 luglio 2025, MACOM prevede un fatturato compreso tra 246 milioni e 254 milioni di dollari. Si prevede che il margine lordo rettificato sarà tra il 56,5 % e il 58,5 % e gli utili rettificati per azione diluita tra 0,87 $ e 0,91 $, utilizzando un’aliquota fiscale non GAAP del 3 % e 76,5 milioni di azioni diluite in circolazione.

In mezzo a tutto ciò, MACOM ha continuato ad espandere il proprio business attraverso investimenti.

A gennaio di quest’anno, MACOM ha annunciato un piano strategico per investire fino a 345 milioni di dollari in un periodo di cinque anni nelle sue strutture di fabbricazione di wafer del Massachusetts e della Carolina del Nord. L’obiettivo dell’investimento è modernizzare le strutture esistenti e introdurre capacità di produzione avanzate per le tecnologie RF, microonde e onde millimetriche al fine di migliorare l’offerta di prodotti di MACOM per i data center, le telecomunicazioni e l’industria della difesa.

Nella sua struttura del Massachusetts, l’azienda installerà una capacità di produzione GaN‑on‑SiC da 150 mm.

“Questo piano rafforzerà le capacità di produzione di semiconduttori domestici di MACOM,” ha dichiarato Daly, aggiungendo che accelererà anche la strategia di crescita dell’azienda.

Questa iniziativa è supportata da un accordo preliminare con il CHIPS Program Office, che ha destinato un totale di 39 miliardi di dollari per fornire incentivi agli investimenti in strutture e attrezzature negli Stati Uniti. Prevede 180 milioni di dollari in finanziamenti e crediti d’imposta per MACOM ai sensi del CHIPS and Science Act.

Un paio di mesi prima di ciò, MACOM ha acquisito una società di semiconduttori fabless chiamata ENGIN-IC, che progetta MMIC GaN avanzati (circuiti integrati a microonde monolitici) con l’obiettivo di servire meglio i suoi mercati target e guadagnare una quota di mercato più ampia.

Il focus di ENGIN-IC è effettivamente sul servire l’industria della difesa statunitense e vanta un portafoglio di prodotti di oltre 60 MMIC standard e molti altri MMIC personalizzati.

“L’eccezionale competenza di ENGIN-IC nella progettazione di MMIC e moduli a banda larga e alta efficienza ci permetterà di supportare meglio i nostri clienti comuni,” ha detto Daly all’epoca, mentre il co‑fondatore e CTO di ENGIN-IC Stephen Nelson ha espresso entusiasmo per “far parte degli sforzi di MACOM nel guidare l’industria nei processi e prodotti semiconduttori GaN.”

Conclusione

Il 6G è la prossima generazione di tecnologia per le comunicazioni wireless che promette velocità ancora più elevate e comunicazioni più efficienti. Realizzare questo futuro di comunicazione globale, automazione ed esperienze virtuali immersive, tuttavia, dipende dai progressi nei semiconduttori. Il materiale semiconduttore, GaN, con le sue qualità uniche di maggiore velocità, minore resistenza e più alta tensione di rottura, dimostra il suo potenziale per rivoluzionare l’elettronica e le comunicazioni.

L’ultima scoperta nei SLCFET a base di GaN, che sfrutta le nuove architetture dei transistor e svela la meccanica dell’effetto latch, spinge i confini di ciò che è possibile nelle prestazioni dei semiconduttori ad alta frequenza.

L’innovazione rende il percorso verso la realtà del 6G più chiaro che mai, rivelando sia prestazioni scalabili sia affidabilità robusta.

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Studi Citati:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Dispositivi multicanale in nitruro di gallio con pendenze di soglia sub-60-mV-per-decade indotte dal latch per applicazioni a radiofrequenza. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5