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Wide-Bandgap-Halbleiter

Der Weg zum Masseneinsatz in HF- und Mikrowellensystemen

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Die Revolution hat bereits begonnen

Die in der Verbundhalbleiter-Industrie 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 den Vorwärts-Rückwärts-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.

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Dasselbe wird für Hochleistungsanwendungen gelten, bei denen GaN zum Einsatz kommt. Die aufkommenden GaN-auf-Silizium-Substrate versprechen, die Leistung aller bisherigen Verbundhalbleiter zu übertreffen, mit einer Kostenstruktur, die ähnliche Skaleneffekte nutzt, wie beim Ersetzen von GaAs in Mobiltelefonen.

Wir sind überzeugt, dass GaN auf Si bei voller Ausgereiftheit von Silizium-Kostenstrukturen profitieren wird, die um ein Dreifaches günstiger sind, als die heute bei größten Stückzahlen für GaAs verwirklichten, und dass seine Kosten um das Hundertfache niedriger sein werden, als die der heutigen GaN-auf-SiC-Technologie.

Eintritt der Technologie in den Massenmarkt

GaN ist heute auf dem Sprung, sich von einer öffentlich geförderten Nischentechnologie zu einer festen Größe am Massenmarkt zu entwickeln. Um diesen Wechsel zu ermöglichen, sind zwei Dinge notwendig: Erstens müssen die technischen Vorzüge der GaN-Technologie vollständig realisiert und auf Silizium-Substraten klar demonstriert werden. Zweitens ist eine skalierbare, stabile Lieferkette zu etablieren, um in große kommerzielle Märkte vorzudringen, die Skaleneffekte fördern können.

Zum Entwicklungsstand der GaN-Technologie: GaN auf Si zeigt inzwischen mindestens die achtfache Leistungsdichte der vorherrschenden GaAs-Technologie. Die Effizienz wurde von etwa 45% auf 70% gesteigert. Die Leistung von GaN auf Si entspricht inzwischen der von erheblich kostspieligeren GaN-auf-SiC-Substraten.

Einer zuverlässige und stabilen Lieferkette ist essentiell

Die Etablierung einer zuverlässigen und stabilen Lieferkette umfasst zwei entscheidende Schritte in der Produktionskette. Der erste ist die Einrichtung einer kosteneffizienten und skalierbaren Versorgung mit GaN-Materialien, insbesondere mit Epitaxialwafern (epi). Der zweite Schritt ist die Verarbeitung dieser Wafer in Silizium-Chipfabriken mit hohem Durchsatz.

In beiden Fällen wird die Rentabilität der GaN-auf-Si-Technologie von Anwendungen in der Leistungsumwandlung abhängen, die Stückzahlen benötigen, die um ein Vielfaches über dem Bedarf für HF- und Mikrowellenanwendungen liegen. Um die Relation zu verdeutlichen: Die volle Jahresproduktion für die gesamte HF- und Mikrowellenindustrie kann von einem einzigen 8-Zoll-Siliziumwerk für den Leistungswandlermarkt in wenigen Wochen bewältigt werden.

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