Von GaAs zu GaN
Die Entwicklung von HF-und Mikrowellen-Halbleitern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Frühere Techniken
Vor zwanzig Jahren befand sich GaAs in einer ähnlichen Prägephase, wie GaN sie in den letzten Jahren ebenfalls durchlaufen hat. Seinerseits handelte es sich um eine aufstrebende Technik, deren Wirtschaftlichkeit unter dem Einfluss staatlicher Subventionen stand und für Anwendungen verwendet wurde, bei denen für Leistung jeder Preis bezahlt wurde. Als Katalysator für den Beginn der allgemeinen Verbreitung von GaAs fungierte die plötzlich zunehmende Nachfrage nach Mobiltelefonen. Die Hersteller bauten zuverlässige und ausbaufähige GaAs-Lieferketten auf. Viele hundert Millionen US-Dollar wurden in große GaAs-Fabs investiert, um dem Wandel der Technik von einem Spezialprodukt zu einem kommerziellen Massenprodukt den Weg zu ebnen. Allerdings wird GaAs in Mobiltelefonen mittlerweile durch Silizium-basierte Techniken wie CMOS (ein sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter) oder SOI (Silizium auf einem Isolator) verdrängt. Mehrere führende Unternehmen der Halbleiterindustrie haben bereits Initiativen angekündigt, um einen großen Teil der GaAs-Produktion zu ersetzen.
Ebenso wie die GaAs-Technik konnte auch LDMOS stetig wachsen und sich mehrere Jahrzehnte auf dem HF-Markt und speziell im Bereich Mobilfunk-Infrastruktur halten. Die Ausgereiftheit der LDMOS-Lieferkette und die damit einhergehende Produktionseffizienz halfen mit, das Kostenniveau von LDMOS relativ niedrig zu halten. Die Eigenschaften von GaAs und LDMOS in Bezug auf Leistung, Effizienz, Bandbreite und thermische Stabilität waren für die vorgesehenen Anwendungen ausreichend. Maßgebliche Einschränkungen waren die begrenzte Ausgangsleistung von GaAs (unter 50 W) und die Tatsache, dass LDMOS nur für Frequenzen unter 3 GHz geeignet ist. Dagegen bietet GaN neben einer ganzen Reihe technischer Vorteile bessere Eigenschaften in Bezug auf Leistung und Frequenzbereich. Trotz der Vorteile von GaN wurde die allgemeine Verbreitung durch ihre historische Kostenstruktur gebremst, denn GaN war fünf- bis zehnmal teurer als die etablierten Techniken.
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GaN am Wendepunkt
In der HF- und Mikrowellen-Branche sind die Vorteile von GaN heute bestens bekannt. Die rohe Leistungsdichte von GaN ist weit größer als die der bisher dominierenden GaAs- und LDMOS-Techniken. Außerdem ermöglicht GaN die Skalierung der Bausteine auf hohe Frequenzen. Dadurch konnten die Bauelement-Entwickler große Bandbreiten erzielen und gleichzeitig ein hohes Wirkungsgradniveau wahren.
Die vierte GaN-on-Silicon-Generation (Gen4 GaN) kommt bei modulierten Signalen mit 2,7 GHz auf einen maximalen Wirkungsgrad von 70 Prozent bei 19 dB Verstärkung und liegt damit um mehr als 10 Prozent vor der LDMOS-Technik. Sinnvoll genutzt, kann sich das in militärischen, kommerziellen und industriellen Anwendungen entscheidend auswirken.
Betrachtet man die Leistungsdichte und Skalierbarkeit auf 200-mm-Substrate, war GaN einst übermäßig kostspielig. Dagegen dürfte mit Gen4 GaN die Herstellung GaN-basierter Bauelemente möglich sein, die hinsichtlich der Kosten pro Watt noch unter vergleichbaren LDMOS-Produkten liegen und sogar erheblich kostengünstiger sind als vergleichbar leistungsfähige, aber teurere GaN-on-SiC-Wafer (GaN auf Siliziumkarbid), wenn man von einer Massenproduktion ausgeht.
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