Höchstfrequenz-Halbleiter: GaN auf die Überholspur bringen

HF-Halbleiter imm häufiger im Einsatz kommerzieller Anwendungen
HF-Halbleiter immer häufiger im Einsatz kommerzieller Anwendungen wie hier in der Satelliten-Übertragungstechnik

Die Vorteile von Galliumnitrid (GaN) als Wide-Bandgap-Halbleiter in HF- und Mikrowellenanwendungen werden zunehmend erkannt, so dass diese Technologie immer häufiger in weit verbreiteten ¬kommerziellen Anwendungen zum Einsatz kommt.

Galliumnitrid-Komponenten können als wesentliche technische Pluspunkte die sehr große Leistungsdichte, den hohen Wirkungsgrad (also geringe Verluste) und die hohe Bandbreite bis in die hohen GHz-Bereiche hinein vorweisen. Eigenschaften also, die eine Vielzahl von Applikationen in der HF-Kommunikationstechnik, der Messtechnik, der Luft-/Raumfahrttechnik und der Forschung möglich machen.

GaN auf Silizium birgt viel Potenzial

GaAs befand sich vor 20 Jahren in einer ähnlichen Entwicklungsphase wie GaN heute. Es war eine aufstrebende Technologie, die wirtschaftlich stark von öffentlichen Geldern und von Anwendungen abhängig war, bei denen die Kosten keine Rolle spielten. Ganze 50 % der heutigen GaN-Einnahmen stammen nicht aus der kommerziellen Produktion, sondern aus Regierungsprogrammen. GaN ist heute auf dem Sprung, sich wie GaAs von der Nischentechnologie zu einer festen Größe am Massenmarkt zu entwickeln.

Katalysator für die breite Verwendung von GaAs war die explodierende Nachfrage nach Mobiltelefonen, die starke Skaleneffekte nach sich zog. Hersteller trieben die Einrichtung von stabilen, zuverlässigen und skalierbaren GaAs-Lieferketten voran. Sie investierten Hunderte Millionen Dollar in große GaAs-Chipfabriken und bewirkten den Übergang vom Spezialprodukt zum Hauptumsatzträger.

Gleichzeitig entstanden kleine GaAs-Chipfabriken, deren Kapitalstruktur und Betriebsmodell das Geschäft mit kleinen Stückzahlen in hoher Diversität und speziellen Prozessvarianten für die Leistungsoptimierung unterstützt. Diese Chipfabriken mit geringerem Kapitalaufkommen unterliegen nicht den Wechselfällen der Verbrauchertechnologie. Sie haben die richtige Größe, um über Jahrzehnte eine kontinuierliche Versorgung sicherzustellen, ohne unter mangelnder Auslastung zu leiden.

Die in der Verbindungshalbleiterindustrie zu beobachtende Konsolidierung ist eine direkte Folge davon, dass GaAs in Mobiltelefonen durch Technologien auf Siliziumbasis wie CMOS und SOI ersetzt wurde. Der Wechsel begann bei Wandlern, setzte sich bei den Schaltern fort und steht bald auch bei GaAs-Hochleistungsverstärkern bevor. Wichtige Akteure der Siliziumindustrie wie Qualcomm und Broadcom haben Initiativen zur Verdrängung der GaAs-Produktion angekündigt, die Skaleneffekte nutzen, gegen die selbst die größte GaAs-Fabrik winzig erscheint.

Dasselbe wird für Hochleistungsanwendungen gelten, bei denen GaN zum Einsatz kommt. Die aufkommenden GaN-auf-Silizium-Substrate versprechen, die Leistung aller bisherigen Verbindungshalbleiter zu übertreffen, mit einer Kostenstruktur, die ähnliche Skaleneffekte nutzt wie beim Ersetzen von GaAs in Mobiltelefonen. GaN ist heute in der Position, sich von einer öffentlich geförderten Nischentechnologie in einen Massenmarkt hinein zu entwickeln.