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Semiconduttori: il nitruro di gallio riscrive il futuro dell’industria

Il nitruro di gallio (GaN) sta ridefinendo il futuro dei semiconduttori, grazie alla sua efficienza energetica e versatilità. Con applicazioni che spaziano dall’elettronica di consumo alla mobilità elettrica e alla difesa, il GaN promette di diventare la tecnologia di punta entro il 2030

Pubblicato il 4 nov 2024

Marco Baticci

ricercatore dell’Area Digitale&ICT di AWARE

Se il mercato dei semiconduttori è sicuramente il mercato guardato con più attenzione da investitori e policymaker, esso è anche un mercato ampiamente attenzionato nel dibattito pubblico e tra i non-esperti.

Trattare tale mercato come un blocco unico (una percezione che potrebbe emergere dalle notizie relative alle sue implicazioni geopolitiche, come nel caso delle politiche doganali, o quelle relative alla sorte di alcune aziende come Nvidia, TSMC o Intel) sarebbe tuttavia sbagliato.

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Al contrario, se guardato da punti diversi della sua catena del valore o se considerato in base ai diversi mercati di destinazione in cui confluisce, il mercato dei chip è un mercato molto variegato dal punto di vista degli attori industriali e politici che lo compongono e dalle sfide e opportunità che lo investono.

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L‘importanza dei materiali nel mercato dei chip: il nitruro di gallio

In questo senso, uno dei molteplici aspetti spesso trascurati è quello relativo ai materiali alla base della tecnologia. Tradizionalmente, si trattava (e si tratta, in larga parte, ancora) del silicio. Tuttavia, nel passato recente, nuove soluzioni, ognuna con i suoi vantaggi derivanti dalle particolari caratteristiche di conduttività, sono state individuate. Una di queste è il Nitrurio di Gallio (GaN) che, per via della sua efficienza nel controllo di potenza, costituirà una colonna importante della crescente elettrificazione di mobilità e della transizione alle rinnovabili, giocando un ruolo importante anche nell’infrastruttura di base che regge l’intelligenza artificiale, i data centers.

Questo materiale è già ben conosciuto dalle imprese del settore (l’italo-francesce STMicroelectronics sta collaborando già da anni con il gigante taiwanese TSMC per accelerarne l’adozione nei mercati[1]), dalle amministrazioni (il defense contractor americano Raytheon, specializzato in dispositivi GaN, collabora da tempo con il Pentagono per sistemi di difesa come i missili Patriot[2]) e, naturalmente dalla comunità scientifica: il lavoro dei giapponesi Asasaki, Amano e Nakamura sui LED blu basati sul Nitruro di Gallio, essenziali per lo sviluppo di una sorgente luminosa di luce bianca[3], ha garantito agli studiosi il premio Nobel per la Fisica nel 2014. Alla luce della sua importanza, esplorarne le caratteristiche, le applicazioni e le potenzialità in termini di mercato appare quindi cruciale per una visione aggiornata e completa sull’industria dei semiconduttori.

I dispositivi di potenza: il terreno di gioco del nitruro di gallio

Il Nitruro di Gallio, chimicamente un composto binario formato da Gallio e Azoto[4] , è storicamente conosciuto per le sue implicazioni nei LED (come brevemente accennato in precedenza) e nei dispositivi di radiofrequenza per l’industria militare. Tuttavia, il materiale sta oggi trovando una nuova fama come ruolo di materiale di base per i dispositivi di potenza, dispositivi utilizzati, appunto, nell’elettronica di potenza (la branca dell’elettronica associata al controllo con mezzi elettronici del trasferimento di energia elettrica tra sorgenti e utilizzatori[5]). Questi dispositivi, che tradizionalmente includono convertitori, raddrizzatori o invertitori a seconda del tipo di corrente in ingresso e in uscita che devono gestire (alternata o continua), vengono tradizionalmente tradizionalmente utilizzati come interruttori, assumendo due stati di funzionamento fondamentali: stato di conduzione (ON) e stato di blocco (OFF).

Proprio questa loro capacità di passare rapidamente dallo stato attivo a quello inattivo si è rivelata cruciale per le moderne applicazioni ad alta frequenza. Si tratta inoltre di dispositivi costruiti per garantire affidabilità e prestazioni ottimali anche sotto carichi termici elevati, come temperature molto alte, e sono in grado di resistere a significativi picchi di tensione, assicurando stabilità e lunga durata anche in ambienti impegnativi. Queste caratteristiche li rendono essenziali per la gestione e la trasformazione sicura ed efficiente dell’energia elettrica, trovando applicazione in molteplici settori che vanno dall’elettronica di consumo alle energie rinnovabili arrivando fino alla mobilità elettrica e ai data centers.

Se la storia dei semiconduttori di potenza è da rintracciarsi nell’uso di dispositivi basati sul silicio, negli ultimi anni una categoria di semiconduttori, detti a banda larga (WBG), ha affiancato il materiale originario, rivoluzionando l’elettronica di potenza.

Questi semiconduttori, di cui il Nitruro di Gallio fa parte insieme al più noto Carburo di Silicio (SiC), vengono chiamati così perché possiedono un intervallo di banda (l’intervallo di energia tra banda di valenza e banda di conduzione che normalmente distingue i materiali semiconduttori dai materiali isolanti, che hanno un intervallo tale da non permettere agli elettroni di superarla e i tradizionali conduttori, dove le bande sono sovrapposte e non esiste intervallo[6]) più ampio che consente ai dispositivi basati su tali materiali di operare a voltaggi, temperature e frequenze più elevate dei dispostivi tradizionalmente basati sul silicio[7].

Il nitruro di gallio: alte prestazioni e alta frequenza

Nonostante, tra i dispositivi a banda larga (WBG), queli basati sul Carburo di Silicio sono ad oggi più diffusi (recente è la notizia che STMicroelectronics sta realizzando a Catania il primo integrato al mondo capace di produrre tali dispositivi seguendo tutti gli step della catena di produzione[8]), il Nitruro di Gallio sta velocemente guadagnando terreno grazie ad alcune sue caratteristiche specifiche che lo distinguono anche dal Carburo di Silicio.

Una differenza tra i due materiali, infatti, è la velocità in termini di mobilità elettronica, ovvero la rapidità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale semiconduttore. Tale maggiore mobilità elettronico rende molto più adatto per applicazioni ad alte prestazioni e ad alta frequenza, un aspetto ulteriormente supportato dal fatto che una porzione molto piccola del chip è effettivamente occupata dall’elettrodo del gate. Questo garantisce una bassissima capacità, il che facilita il raggiungimento di frequenze elevate: motivo, inoltre, per cui i semiconduttori GaN sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di radiofrequenza che operano nella gamma dei gigahertz.

Le medesime caratteristiche hanno poi permesso al Nitruro di Gallio, nel tempo, di trascendere le sue storiche applicazioni nei LED e nei dispositivi di radiofrequenza per approdare nell’universo dei già menzionati dispositivi di potenza: il transistore HEMT[9], inventato in Giappone nel 1977 e commercializzato definitivamente da Eudyna nel 2004 segnò il passaggio dell’adozione su larga scala del Nitrurio di Gallio nell’industria dei semiconduttori.

Vantaggi del GaN rispetto al silicio e al carburo di silicio

Sulla scie di queste scoperte si arriva ad oggi, dove il nitruro di gallio sembra possa guadagnare terreno anche nelle applicazioni ad alta potenza dove al momento è il Carburo di Silicio, grazie alla sua maggiore conduttività termica e al funzionamento a frequenze più basse, ad essere più indicato. Queste applicazioni ad alta potenza, come le alte tensioni richieste nei veicoli elettrici, nei data center, in alcuni impianti solari, nella trazione ferroviaria, nelle turbine eoliche, nella distribuzione elettrica e nelle immagini industriali e mediche, sono domini dove non è sempre necessario raggiungere un’alta frequenza, ma serve un’operazione ad alta tensione e una migliore dissipazione del calore. Inoltre, sebbene il SiC sia attualmente più utilizzato in applicazioni come impianti solari, on-board chargers, data center e caricatori per dispositivi personali, Infineon prevede infatti che il GaN diventerà la tecnologia principale in queste stesse quattro aree entro il 2030[10].

Tale prevista penetrazione maggiore del Nitruro di Gallio è in parte trainata dal già citato vantaggio che deriva dalle diverse caratteristiche del materiale rispetto al Carburo di Silicio: la maggiore mobilità elettronica consente di produrre chip di dimensioni minori, più densi e più capaci di gestire alte frequenze, risultando in più potenza su un area minore. Tale caratteristica porta con sé alcune ripercussioni fondamentali come, per esempio, quelle relative al mercato della telefonia mobile, dove gli avanzamenti tecnologici spingono i dispositivi a richiedere batterie con capacità sempre maggiori che avrebbero bisogno di caricatori di dimensioni sempre maggiori, se basati sulle precedenti tecnologie[11]: i caricatori dei nuovi dispositivi Apple si basano infatti su tecnologie GAN.

GaN: un mercato in espansione

Tali allettanti prospettive tecnologiche non hanno tardato a essere accompagnate da movimenti di mercato promettenti. Secondo le previsioni del Yole Group[12], infatti, il mercato dei dispositivi GaN raggiungerà un valore di oltre 2 miliardi di dollari entro il 2029, con un CAGR dal 2023 al 2029 del 41%. Il fatto che il Nitruro di Gallio stia progressivamente diventando una (se non la) tecnologia preferita per alcune applicazioni ad alto potenziale di mercato e con basse barriere all’ingresso come i caricatori rapidi e l’elettronica di consumo, mantenendo anche una presenza importante in mercati di destinazione come l’automative, l’aerospace and defence e le telecomunicazioni ha naturalmente attirato l’attenzione di molte aziende. Il settore, a partire dal 2019, ha infatti investito oltre 4 miliardi di dollari nella tecnologia sia tramite investimenti finanziari (acquisizioni di società o partecipazioni nel settore, tra cui spicca l’acquisizione da parte di Infineon di GaN Systems per 830 milioni di dollari) che tramite investimenti materiali in impianti e rami di azienda dedicati, come dimostrato dalla realizzazione da parte della nostrana STMicroelectronics di un impianto per la produzione di dispositivi in Nitruro di Gallio a Tours, in Francia[13].

L’attenzione al mercato del Nitruro di Gallio non interessa, poi, solo produttori integrati di dispositivi a semiconduttore come le europee Infineon e ST (accanto alle quali va anche menzionata la californiana Innoscience, leader nel mercato dei chips GaN prodotti su wafer a 8 pollici). Spiccano infatti società che seguono il modello fabless, tra cui Navitas, che ha raggiunto nella sua IPO la valutazione di oltre un miliardo di dollari, diventando di fatto il primo unicorno del settore.

In conclusione, il Nitruro di Gallio, sebbene ancora poca discusso nel dibattito pubblico, rappresenta una tecnologia ad altissimo potenziale di mercato. Tuttavia, il dinamismo delle innovazioni tecnologiche ci insegna come quel potenziale potrebbe rimanere inespresso, se non supportato a dovere. Il recente fallimento del produttore belga di chips in Nitruro di Gallio BelGan[14] dimostra come sia fondamentale un’attenzione da parte del legislatore orientata a favorire la crescita del settore sia a livello europeo che a livello italiano dove, oltre alla già menzionata STMicroeletronics, operano anche altre realtà che stanno cercando di ritagliarsi uno spazio nel mercato del GaN, come Marelli.[15]