Desbloqueando a Revolução 6G com Semicondutores GaN de Próxima Geração

Os semicondutores são a base dos dispositivos eletrônicos e Internet das Coisas (IoT) e equipamentos de telecomunicações.

Eles são materiais que controlam o fluxo de corrente elétrica. Sua propriedade única de ter condutividade entre a de um condutor e um isolante os torna componentes essenciais em dispositivos como diodos, transistores e circuitos integrados.

A demanda por semicondutores está crescendo rapidamente. Eles são usados em smartphones, computadores, eletrodomésticos, equipamentos médicos e hardware de jogos. Além disso, a crescente popularidade e uso de tecnologias de inteligência artificial (IA) impulsionam ainda mais os avanços no desenvolvimento de chips e aumentam a produção de semicondutores.

O ritmo constante da implantação do 5G é mais um fator que impulsiona as tendências saudáveis de demanda por chips semicondutores.

A “quinta geração” da tecnologia de redes celulares, que tem sido implantada por operadoras móveis em todo o mundo desde 2019, oferece velocidades de download mais altas e menor latência, permitindo comunicação quase instantânea.

A latência ultra baixa e a alta confiabilidade do 5G são extremamente importantes para avanços de alta tecnologia. A rede 5G, por sua vez, depende de semicondutores para oferecer esses benefícios.

Componentes semicondutores são necessários aqui para processar os sinais que transportam os dados. Desde estações base até smartphones e dispositivos IoT, são os chips que permitem processamento rápido de sinais, transmissão de rádio frequência (RF) de banda larga e conectividade segura.

Embora o 5G ainda esteja em fase de implantação, os participantes da indústria já começaram a discutir o desenvolvimento da sexta geração (6G). Isso, porém, requer avanços significativos na tecnologia de semicondutores que possam lidar com latência extremamente baixa, taxas de dados ultra altas, alta eficiência energética, suporte a frequências de terahertz (THz) e, claro, conectividade massiva.

À medida que empresas e pesquisadores trabalham para aprimorar as capacidades dos semicondutores, uma recente descoberta tecnológica está demonstrando um enorme potencial para transformar a forma como nos comunicamos.

Ao potencializar o 6G da rede móvel para oferecer velocidades mais rápidas, comunicação mais eficiente e cobertura muito mais ampla que a geração atual (5G), esse avanço mais recente promete um futuro que tornará muita ficção científica realidade.

Conceitos futuristas, como sentir o toque de seus entes queridos que vivem em outro continente ou obter um diagnóstico de saúde instantaneamente sem precisar sair de casa, dependem da capacidade de comunicar e transferir enormes quantidades de dados a uma velocidade muito maior do que as redes existentes podem oferecer.

Físicos da Universidade de Bristol descobriram uma maneira inovadora de acelerar o processo para alcançar isso.

“Dentro da próxima década, tecnologias antes quase inimagináveis para transformar uma ampla gama de experiências humanas poderão estar amplamente disponíveis.”

– Coautor Martin Kuball, Professor de Física na Universidade de Bristol.

Falando sobre os possíveis benefícios, que ele descreveu como “de longo alcance”, Kuball apontou para avanços na saúde com diagnósticos e cirurgias remotas, salas de aula virtuais, turismo de férias virtual, automação industrial para maior eficiência e sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) para melhorar a segurança nas estradas.

“A lista de possíveis aplicações do 6G é infinita, com o limite sendo apenas a imaginação humana. Portanto, nossas descobertas inovadoras em semicondutores são extremamente empolgantes e ajudarão a impulsionar esses desenvolvimentos com rapidez e escala.”

– Kuball

O que essa mudança para o 6G requer é uma atualização radical da tecnologia de semicondutores, sistemas, circuitos e algoritmos associados.

A Ascensão dos Transistores Baseados em GaN

No setor de semicondutores que avança rapidamente, o nitreto de gálio (GaN) está sendo utilizado como o principal componente semicondutor.

Este semicondutor composto é muito duro, mecanicamente estável e possui uma ampla banda proibida, tornando-o adequado para aplicações de alta potência e alta frequência. Após o silício, o GaN é um dos semicondutores mais críticos e está sendo adotado cada vez mais em eletrônicos de consumo.

Na verdade, o GaN é conhecido por ter uma banda proibida mais larga em comparação ao silício. Como resultado, os dispositivos de GaN podem lidar com densidades de potência mais altas, o que leva a designs menores e mais leves, oferecendo maior eficiência e melhor confiabilidade.

Nos atuais sistemas de comunicação de quinta geração, esses dispositivos estão se tornando cada vez mais o novo padrão. E agora, os pesquisadores estão explorando-o para aplicações de infraestrutura móvel e sem fio do 6G.

É graças ao seu alto poder de saída e operabilidade em alta frequência que os transistores de alta mobilidade de elétrons baseados em GaN (HEMTs) têm revolucionado a comunicação sem fio e militar.

Isso se deve principalmente a parâmetros de material como um alto campo elétrico crítico, boa mobilidade em temperatura ambiente e alta velocidade de saturação. Inovações no design de placas de campo aprimoraram ainda mais o desempenho dos HEMTs de GaN, levando a potências de até 40 W mm−1 a 4 GHz e eficiência de potência adicionada de 60%.

Mas isso não é suficiente para habilitar aplicações futuras. O GaN precisa ser ainda mais rápido e confiável, e emitir maior potência para viabilizar a sexta geração de comunicações sem fio.

Melhorias na potência de saída são necessárias para manter a integridade do sinal em longas distâncias, com projetos ambiciosos já estabelecendo metas de alcançar 81 W mm−1.

Nesse contexto, a equipe internacional de engenheiros e cientistas desenvolveu e testou uma nova arquitetura que aumentou as capacidades dos amplificadores especiais de GaN.

Esses resultados foram obtidos ao descobrir um efeito de trava no GaN, que desbloqueou um desempenho muito alto de dispositivos de rádio frequência. Esta próxima geração de dispositivos usa canais paralelos que requerem aletas laterais sub‑100 nm, um tipo de transistor que controla o fluxo de corrente que passa pelos dispositivos.

Na pesquisa mais recente, a equipe usou mais de 1000 aletas com largura sub‑100 nm em SLCFETs para ajudar a conduzir a corrente. Segundo o coautor Dr. Akhil Shaji, Honorary Research Associate at the University of Bristol:

“Pilotamos uma tecnologia de dispositivo, trabalhando com colaboradores, chamada transistores de efeito de campo superrede castellada (SLCFETs).”

Os SLCFETs baseados em GaN têm potencial para ser usados para alcançar as metas de alta potência de saída (81 W mm−1) estabelecidas pelos projetos. SLCFETs com até dez canais empilhados de gás de elétrons bidimensionais (2DEG) podem realmente proporcionar um aumento de 10 vezes nos portadores de carga em comparação aos HEMTs de GaN de canal único.

A nova arquitetura, segundo o estudo, oferece uma baixa tensão de knee, tornando-a perfeita para grandes variações de tensão de saída combinadas com alta densidade de corrente.

Os SLCFETs demonstraram potência de saída superior a 10 W mm−1 a 94 GHz com 12 V no dreno e eficiência de potência adicionada superior a 40%, suportada por uma densidade de corrente de 4,8 A mm−1 com mínima dispersão e colapso de corrente.

Com tanta potência, o desafio está em controlar a dissipação de calor, mas sem aumentar a área do dispositivo. Embora a potência possa ser aumentada ao elevar a tensão de dreno (VDS), a ionização de impacto pode deteriorar as características dos SLCFETs.

Depois há a trava do transistor. Aqui, o dispositivo permanece no estado ligado apesar de estar polarizado com viés de porta em estado desligado (VGS), um efeito bem conhecido em dispositivos baseados em silício. No entanto, a alta banda proibida do GaN minimiza a ionização de impacto. Os pesquisadores já confirmaram anteriormente a ocorrência de ionização de impacto na operação em estado ligado dos SLCFETs.

Aprimorando o Desempenho do GaN através do Efeito de Trava

Nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) ou nitreto de gálio (GaN) baseados em SLCFETs mostram promessas como base para amplificadores RF de alta potência e chaves em radares avançados do futuro.

Esses transistores demonstraram o melhor desempenho na faixa de frequência da banda W, que vai de 75 GHz a 110 GHz. A ciência por trás disso, porém, era desconhecida até agora.

De acordo com o estudo publicado na revista Nature Electronics¹, trata‑se de “um efeito de trava no GaN, que permite o alto desempenho em rádio frequência.”

Com o efeito agora reconhecido, a equipe prosseguiu para descobrir exatamente onde ele ocorre. Eles usaram medições elétricas de ultra‑precisão e microscopia óptica simultaneamente para estudar o efeito mais a fundo e compreendê‑lo melhor.

Ao analisar mais de 1.000 aletas, os pesquisadores localizaram o efeito na aleta mais larga. Para verificar ainda mais as observações, a equipe construiu um modelo 3D usando um simulador.

“Medições corrente‑tensão, simulações e emissão eletroluminescente correlacionada na condição de trava indicam que o disparo de ionização de impacto localizada dependente da largura da aleta é responsável pela trava”, observou o estudo, acrescentando que essa localização se deve à presença de variação na largura da aleta, decorrente da variabilidade no processo de fabricação.

Em seguida, a equipe abordou os aspectos de confiabilidade do efeito para aplicações práticas. Os testes rigorosos do dispositivo ao longo de um longo período mostraram que o efeito de trava não tem efeito prejudicial no desempenho ou na confiabilidade do dispositivo.

A condição de trava, segundo o estudo, é reversível e não degradante e pode levar a melhorias nas características de transcondutância dos transistores, implicando maior linearidade e potência em amplificadores de potência de rádio frequência.

“Descobrimos que um aspecto chave que impulsiona essa confiabilidade foi uma fina camada de revestimento dielétrico ao redor de cada uma das aletas.”

– Professor Kuball, presidente da Royal Academy of Engineering em Tecnologias Emergentes

Liderando o Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR), Kuball está ajudando a desenvolver dispositivos eletrônicos semicondutores de próxima geração para comunicação e tecnologia de radar, e a alcançar emissões líquidas zero. O CDTR também trabalha na melhoria da gestão térmica do dispositivo, seu desempenho elétrico e confiabilidade por meio de semicondutores de banda proibida larga e ultra‑larga.

A principal conclusão da pesquisa, observou Kuball, “foi clara – o efeito de trava pode ser explorado para inúmeras aplicações práticas, que podem transformar a vida das pessoas de várias maneiras nos próximos anos.”

Agora, em trabalhos futuros, a equipe se concentrará em aumentar ainda mais a densidade de potência que os dispositivos podem entregar. Isso permitirá oferecer desempenho ainda maior e atender a públicos mais amplos.

Além disso, parceiros da indústria ajudarão a tornar esses dispositivos de próxima geração disponíveis comercialmente.

Investir em Inovação de Semicondutores

Quando se trata de investir em tecnologia GaN, MACOM (MTSI ) é uma das poucas empresas públicas dos EUA que oferece exposição direta a ela. Ela utiliza tanto tecnologias de processo GaN-on-SiC quanto GaN-on-Si para possibilitar arquiteturas de sistemas de próxima geração em uma ampla gama de aplicações. A empresa oferece amplificadores de baixo ruído inovadores, amplificadores de potência GaN e chaves que cobrem frequências de DC a mais de 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings é um fabricante de produtos semicondutores de alto desempenho para telecomunicações, bem como para outras indústrias.

A empresa atende a mais de 6.000 clientes anualmente com seu amplo portfólio de produtos que incorpora tecnologias semicondutoras analógicas, micro‑ondas, de rádio frequência (RF), de sinal misto e ópticas. A MACOM especializa‑se em aplicação, fabricação de semicondutores compostos, incluindo GaAs, GaN, InP e silício especializado, design de circuitos analógicos e de sinal misto, embalagem avançada e montagem e teste de back‑end.

A empresa obteve várias certificações, incluindo a norma aeroespacial AS9100D, a norma automotiva IATF16949, a norma internacional de qualidade ISO9001 e a norma de gestão ambiental ISO14001.

Quanto ao desempenho de mercado da MCOM, com uma capitalização de mercado de US$ 9 bilhões, as ações MTSI estão atualmente negociando a US$ 123,41. Embora a MTSI esteja em queda de 6,37 % neste ano até agora, ela subiu 46,7 % desde a baixa de início de abril e está a cerca de 15,5 % do pico que atingiu ainda este ano em janeiro. Com isso, seu EPS (TTM) é -1,22 e o P/E (TTM) é -99,66.

Quanto às finanças da empresa, a MACOM relatou recentemente os resultados do segundo trimestre fiscal encerrado em 4 de abril de 2025, no qual registrou uma receita de US$ 235,9 milhões, um aumento de 30,2 % em relação ao mesmo trimestre do ano anterior.

A renda operacional foi de US$ 34,9 milhões, ou 14,8 % da receita, enquanto o lucro líquido foi de US$ 31,7 milhões, ou US$ 0,42 por ação diluída. A margem bruta, neste período, subiu 2,7 % para 55,2 % enquanto a margem bruta ajustada teve um aumento de 0,4 % para 57,5 %.

Comentando sobre o “desempenho sólido no 2T”, o presidente e CEO Stephen G. Daly elogiou o “trabalho em equipe excepcional em toda a organização da MACOM” por possibilitar esse sucesso.

Esses números seguiram “um bom início” do ano fiscal no 1T, no qual Daly afirmou que o foco da empresa continua sendo atender os clientes e “construir um portfólio de produtos mais forte, mais amplo e mais competitivo.”

No 1T25, a receita da MACOM foi de US$ 218,1 milhões, um salto de 38,8 % em relação ao 1T24, e a renda operacional foi de US$ 17,5 milhões, ou 8 % da receita. No trimestre anterior, a empresa registrou um prejuízo líquido de US$ 167,5 milhões, ou perda de US$ 2,30 por ação diluída, devido a uma perda única de US$ 193,1 milhões na extinção de dívida.

Agora, para o terceiro trimestre fiscal que termina em 4 de julho de 2025, a MACOM prevê receita entre US$ 246 milhões e US$ 254 milhões. Espera que a margem bruta ajustada fique entre 56,5 % e 58,5 % e o lucro ajustado por ação diluída entre US$ 0,87 e US$ 0,91, utilizando uma taxa de imposto de renda não‑GAAP de 3 % e 76,5 milhões de ações totalmente diluídas em circulação.

Em meio a tudo isso, a MACOM continuou expandindo seus negócios por meio de investimentos. Em janeiro deste ano, a MACOM anunciou um plano estratégico para investir até US$ 345 milhões ao longo de cinco anos em suas instalações de fabricação de wafers em Massachusetts e Carolina do Norte. O objetivo do investimento é modernizar as instalações existentes e introduzir capacidades avançadas de fabricação para tecnologias RF, micro‑ondas e ondas milimétricas, a fim de aprimorar a oferta de produtos da MACOM para data centers, telecomunicações e indústrias de defesa.

Em sua instalação em Massachusetts, especificamente, a empresa instalará capacidade de fabricação de GaN-on-SiC de 150 mm.

“Este plano fortalecerá as capacidades de fabricação de semicondutores domésticos da MACOM”, disse Daly, acrescentando que também acelerará a estratégia de crescimento da empresa.

Esta iniciativa é apoiada por um acordo preliminar com o CHIPS Program Office, que destinou um total de US$ 39 bilhões para fornecer incentivos ao investimento em instalações e equipamentos nos EUA. Propõe US$ 180 milhões em financiamento e créditos fiscais para a MACOM sob o CHIPS and Science Act.

Alguns meses antes disso, a MACOM adquiriu uma empresa de semicondutores fabless chamada ENGIN-IC, que projeta MMICs avançados de GaN (circuitos integrados monolíticos de micro‑ondas) com o objetivo de atender melhor seus mercados-alvo e ganhar uma maior participação de mercado.

O foco da ENGIN-IC é realmente atender à indústria de defesa dos EUA e possui um portfólio de produtos com mais de 60 MMICs padrão e muitos outros MMICs personalizados.

“A excepcional expertise da ENGIN-IC em design de MMICs e módulos de banda larga e alta eficiência nos permitirá apoiar melhor nossos clientes mútuos”, disse Daly na época, enquanto o co‑fundador e CTO da ENGIN-IC, Stephen Nelson, compartilhou entusiasmo por “ser parte dos esforços da MACOM para liderar a indústria em processos e produtos de semicondutores GaN.”

Conclusão

O 6G é a próxima geração de tecnologia para comunicações sem fio que promete velocidades ainda mais rápidas e comunicação mais eficiente. Realizar esse futuro de comunicação global, automação e experiências virtuais imersivas, porém, depende de avanços em semicondutores. O material semicondutor, GaN, com suas qualidades únicas de maior velocidade, menor resistência e maior tensão de ruptura, demonstra seu potencial para revolucionar eletrônicos e comunicação.

A mais recente descoberta em SLCFETs baseados em GaN, que aproveita as novas arquiteturas de transistores e revela a mecânica do efeito de trava, expande os limites do que é possível em desempenho de semicondutores de alta frequência.

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

Clique aqui para uma lista das principais ações de equipamentos de semicondutores.

Estudos 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 em português.