GaN-Halbleiter Galliumnitrid auf dem Weg zu Mainstream-Anwendungen

Autor / Redakteur: Doug Carlson * / Gerd Kucera

Als einziger Hersteller in der HF- und Mikrowellenindustrie nimmt MACOM bei der Vermarktung der GaN-Technologie auf Siliziumkarbid (SiC) und Silizium (Si) auf dem Massenmarkt eine besondere Stellung ein.

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Bild 1: Fortschritte der GaN-Technologie waren vorwiegend durch staatliche Finanzierung und Forschungsabteilungen getrieben. Mit Öffnung des Massenmarktes müssen Systementwickler und GaN-Anbieter ein Verständnis dafür gewinnen, wo sich GaN gewinnbringend einsetzen lässt.
Bild 1: Fortschritte der GaN-Technologie waren vorwiegend durch staatliche Finanzierung und Forschungsabteilungen getrieben. Mit Öffnung des Massenmarktes müssen Systementwickler und GaN-Anbieter ein Verständnis dafür gewinnen, wo sich GaN gewinnbringend einsetzen lässt.
(Bild: MACOM)

Die Vorteile der Galliumnitrid-Technologie (GaN) sind in der Hochfrequenz- und Mikrowellenbranche nur allzu gut bekannt. GaN liefert achtmal mehr Leistungsdichte als etablierte Hochleistungs-GaAs- und LDMOS-Technologien und besitzt darüber hinaus die Fähigkeit, die Gerätetechnik auf Hochfrequenz zu skalieren. Mit der GaN-Technologie können Entwickler hohe Bandbreiten unter Beibehaltung hoher Wirkungsgrade erzielen.

Allerdings war bisher der Fortschritt der GaN-Technologie vorwiegend durch staatliche Finanzierung und Forschungsabteilungen getrieben. Dementsprechend findet man erfolgreiche Anwendungen von GaN auf Siliziumkarbid (SiC) beim Militär für Applikationen im Bereich elektronischer Breitband-Störfunksysteme und Breitband-Radartechnik, während GaN auf Silizium (Si) bereits mit guten Ergebnissen im militärischen Nachrichtenwesen verwendet wurde.

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Diese Einsatzfelder haben die Tür für den Einsatz der GaN-Technologie in kommerziellen Märkten geöffnet, darunter CATV, Mobilfunkinfrastruktur und andere Anwendungen. Inzwischen ist die GaN-Technologie bereits dabei, in diesen Märkten an Profil zu gewinnen.

Um den einzelnen Preis/Leistung-Anforderungen dieser verschiedenen kommerziellen Anwendungen gerecht zu werden, unterteilt man die GaN-Halbleitermaterialien in die beiden Technologien GaN auf SiC für spezialisierte Hochleistungsanwendungen und GaN auf Si für kostensensible und hochvolumige Anwendungen. HF-Spezialist MACOM besitzt eine besondere Marktposition, um von beiden GaN-Technologien zu profitieren, denn das Unternehmen bietet ein breites Angebot an Produkten mit gepulsten und kontinuierlichen Wellen, die sowohl auf SiC als auch auf Si aufbauen. Nach den Erfahrungen von MACOM sind die Leistungen von GaN auf Si und GaN auf SiC hinsichtlich Geräte-Ebene nahezu identisch.

Wir stehen heute erst ganz am Beginn der Marktdurchdringung und Marktübernahme durch die GaN-Technologie. Der Umsatz mit GaN betrug laut Marktforscher ABI Research im Jahr 2013 188,6 Mio. US-$, was bedeutet, dass die GaN-Technologie heute weniger als 1% Marktanteil an etwa 9,5 Mrd. US-$ Gesamtumsatz am Markt für analoge Halbleiter ausmacht. Angesichts der massiven Aktivitäten um GaN mag diese niedrige Marktdurchdringung viele überraschen, insbesondere wenn man die potenziellen Auswirkungen von GaN über den RF- und Mikrowellenmarkt hinaus berücksichtigt. Es wurde gesagt, dass es keine einzige analoge Funktion gibt, die nicht durch GaN verbessert würde. Richtet man die Kostenstruktur von GaN auf etablierte Technologien aus, werden die durchschlagenden Auswirkungen auf den analogen Bereich aber nicht auf sich warten lassen.

Um GaN für den Massenmarkt tauglich zu machen, müssen einige kritische Anforderungen erfüllt werden. Zum einen geht es um die Kosten und zum anderen darum, wie die Anbieter mit dieser aufkommenden Technologie auf Kunden und Systementwickler zugehen. Hier sind einige praktische Erwägungen hilfreich: Jede neue Technologie muss ein technisches Problem lösen, das aktuelle Technologien einfach nicht in den Griff bekommen. In diesem Sinne ersetzen Technologien wie GaN ältere Technologien nicht, sondern steigern die Einsatzmöglichkeiten und erweitern das Leistungsspektrum, um die nächste Welle der technischen Innovation einzuleiten. Sowohl Systementwickler als auch GaN-Anbieter müssen ein Verständnis dafür gewinnen, wo sich GaN gewinnbringend einsetzen lässt.

Eine andere grundlegende Betrachtung gilt dem Anwendungssupport. Systementwickler sind im Allgemeinen keine Experten für Halbleitertechnologien und deren Einsatzmöglichkeiten, was auch zu viel erwartet wäre. Das bedeutet, dass Anbieter mehr als nur Produktspezifikationen zur Verfügung stellen müssen: Sie müssen auch das entsprechende Wissen auf System- und Anwendungsebene haben, um die Entwickler bei der Entwicklung eines besseren Produktes zu unterstützen, das die Vorteile von GaN voll ausschöpft.

Diese Herausforderungen können mit der richtigen Kombination aus Entwickler- und Anbieter-Knowhow gemeistert werden. Die wirklich ernst zu nehmende Hürde auf dem Weg zur Massenmarkttauglichkeit von GaN bildet heutzutage die Lieferkette.

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