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Moderne Halbleitertechnologien

GaN – Die Zeit ist reif

26. Oktober 2016, 14:19 Uhr | Von Markus Behet und Joff Derluyn

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Weitere Schwerpunkte der GaN-Technologie-Entwicklung

Ein weiterer bedeutender Schwerpunkt der GaN-Technologie-Entwicklung sind HF-Systeme für 5G, den künftigen Standard für drahtlose Kommunikation. Mit GaN-HF-Leistungsverstärkern kann bereits heute das HF-Verhalten gegenüber den derzeit vorherrschenden GaAs- oder LDMOS-Technologien signifikant verbessert und dabei die Baugröße, das Gewicht und die Leistungsaufnahme der Systeme reduziert werden. Die hohe Durchbruchspannung, Verstärkung und Effizienz im Millimeterwellenbereich in Verbindung mit acht- bis zehnfach höherer Leistungsdichte (im Vergleich zu Vorgängertechnologien) machen GaN zu einer sehr guten Wahl für HF-Systeme. Von allen momentan verfügbaren Technologien für HF-Leistungshalbleiter bietet GaN die höchste Ausgangsleistung bis herauf zu 100 GHz.

Darüber hinaus realisieren GaN-HF-Transistoren hohe Ausgangsimpedanzen, was in sehr guter Linearität und außerordentlich großer Bandbreite resultiert. Damit sind die HF-Verstärker in der Lage, mehrere Funk-Protokolle zu unterstützen. Zusätzlich kann GaN bei höheren Betriebstemperaturen eingesetzt werden, was die Kühlanforderungen und Wartungskosten entsprechend verringert und zugleich die Zuverlässigkeit verbessert.

Derzeit existieren zwei unterschiedliche Arten und Konzepte von GaN-Technologien für HF-Anwendungen: GaN-on-SiC für spezielle Applikationen mit höchsten Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und GaN-on-Si für kostensensitivere Volumenanwendungen. Mit den neuesten Technologie-Verbesserungen bei GaN-on-Si verschwinden die Unterschiede beider Technologien bezüglich der Leistungsfähigkeit in HF-Leistungsanwendungen heute mehr und mehr.

Die GaN-on-Si-Technologie hat auch im Bereich der Gassensoren in der Bio- und Umwelttechnik ein signifikantes Anwendungspotenzial. Das gilt etwa für die Messung der Luftqualität und die apparative Medizin (bei der Glukose-Messung oder Krebsdiagnose) sowie in der Automobiltechnik zur Messung des Ausstoßes von NOx-Partikeln im Auspuff. GaN-Sensoren bieten hier im Vergleich zu Si-basierten Sensoren den Mehrwert, auch in rauen Umgebungen und bei hohen Temperaturen einsetzbar zu sein und dabei eine um mehrere Größenordnungen höhere Empfindlichkeit zu erreichen.

Wertschöpfungskette im Reifezustand

Neue Industrien und deren Wertschöpfungsketten sind anfangs meist stark fragmentiert und konsolidieren mit zunehmendem Reifegrad. Auch am Beispiel der GaN- und SiC-Halbleitertechnologien wird das deutlich sichtbar. Große, im Si-Sektor aktive IDMs (Integrated Device Manufacturers), die über ein ausgereiftes Produktportfolio an HF- und Leistungsbausteinen verfügen, beginnen derzeit mit der Erweiterung ihres Angebots in Richtung der GaN- und SiC-Technologie. Damit können sie nun alle Anwenderwünsche abdecken – von extrem kostensensitiven Applikationen bis zu solchen mit den höchsten Leistungsanforderungen. Außerdem erweitern jetzt auch Si-Foundries mit neuen GaN-on-Si-Prozessen die Diversifizierung ihres Angebots in Richtung höherwertigerer und leistungsfähigerer Produkte. Alles das sind Indikatoren dafür, dass GaN auf dem Weg zur Volumenverfügbarkeit und dem Einsatz in vielen unterschiedlichen Applikationen und Märkten ist.

In den folgenden Abschnitten werden nun die neuesten technischen Fortschritte in der Technologie der GaN-Epiwafer und Bausteine für Leistungsschalter und HF-Anwendungen behandelt.