Låser op for 6G-revolutionen med næste generations GaN-semiconductor

Halvledere er grundlaget for elektroniske og Internet of Things (IoT)-enheder og telekommunikationsudstyr.

De er materialer, der styrer strømmen af elektrisk strøm. Deres unikke egenskab med en ledningsevne mellem en leder og en isolator gør dem til en nøglekomponent i enheder som dioder, transistorer og integrerede kredsløb.

Efterspørgslen efter halvledere stiger hurtigt. De bruges i smartphones, computere, husholdningsapparater, medicinsk udstyr og gaminghardware. Derudover øger den voksende popularitet og brug af kunstig intelligens (AI)-teknologier også fremdriften inden for chipudvikling og øger produktionen af halvledere.

Den stabile hastighed i 5G-udrulningen er endnu en faktor, der driver de sunde efterspørgselstendenser for halvlederchips.

Den “femte generation” af mobilnetværksteknologi, som er blevet implementeret af mobiloperatører verden over siden 2019, tilbyder højere downloadhastigheder og lavere latenstid, hvilket muliggør næsten øjeblikkelig kommunikation.

Den ultralave latenstid og høje pålidelighed i 5G er ekstremt vigtig for højteknologiske fremskridt. 5G-netværket er derimod afhængigt af halvledere for at levere fordelene.

Halvlederkomponenter er nødvendige her for at behandle signaler, der bærer data. Fra basestationer til smartphones og IoT-enheder er de de chips, der muliggør hurtig signalbehandling, bredbånds radiofrekvens (RF)-transmission og sikker forbindelse.

Selvom 5G stadig er i udrulningsfasen, har brancheaktører allerede begyndt at diskutere udviklingen af den sjette generation (6G). Dette kræver dog betydelige fremskridt inden for halvlederteknologi, som kan håndtere ekstremt lav latenstid, ultra-høje datahastigheder, høj energieffektivitet, understøttelse af terahertz (THz)-frekvenser og naturligvis massiv tilslutning.

Mens virksomheder og forskere arbejder på at forbedre halvlederkapaciteter, viser et nyligt gennembrud i teknologien et enormt potentiale til at transformere måden, vi kommunikerer på.

Ved at superoplade 6G i mobilnetværk for at tilbyde hurtigere hastigheder, mere effektiv kommunikation og meget bredere dækning end den nuværende generation (5G), lover dette seneste fremskridt en fremtid, der vil gøre meget af science fiction til virkelighed.

Futuristiske koncepter som at føle berøringen af dine kære, der bor på tværs af kontinentet, eller at få en sundhedsdiagnose øjeblikkeligt uden at skulle forlade hjemmet, afhænger alle af evnen til at kommunikere og overføre massive datamængder med en meget hurtigere hastighed end, hvad eksisterende netværk kan.

Fysikere fra University of Bristol har fundet en ny måde at accelerere processen på for at opnå dette.

“Inden for det næste årti kunne tidligere næsten utænkelige teknologier, der kan transformere en bred vifte af menneskelige oplevelser, blive bredt tilgængelige.”

– Medforfatter Martin Kuball, professor i fysik ved University of Bristol.

Når han taler om de mulige fordele, som han bemærkede er “vidtrækkende”, pegede Kuball på fremskridt inden for sundhedspleje med fjern-diagnostik og -kirurgi, virtuelle klasseværelser, virtuel ferieturisme, industriel automatisering for større effektivitet og avancerede førerassistentsystemer (ADAS) for at forbedre trafiksikkerheden.

“Listen over mulige 6G-applikationer er uendelig, med grænsen kun menneskelig fantasi. Så vores innovative halvlederopdagelser er enormt spændende og vil hjælpe med at drive disse udviklinger fremad med hastighed og skala.”

– Kuball

Hvad dette skift til 6G kræver, er en radikal opgradering af halvlederteknologi, systemer, kredsløb og tilhørende algoritmer.

Stigningen af GaN-baserede transistorer

I den hurtigt udviklende halvledersektor anvendes Gallium Nitride (GaN) som den primære halvlederkomponent.

Dette sammensatte halvleder er meget hårdt, mekanisk stabilt og har en bred båndgab, hvilket gør det egnet til høj‑effekt‑ og høj‑frekvens‑applikationer. Efter silicium er GaN en af de mest kritiske halvledere, og det får bredere anvendelse inden for forbrugerelektronik.

GaN er faktisk kendt for at have en bredere båndgab sammenlignet med silicium. Som følge heraf kan GaN‑enheder håndtere højere effekt‑tæthed, hvilket fører til mindre og lettere design samt højere effektivitet og bedre pålidelighed.

I de nuværende femte‑generations kommunikationssystemer bliver disse enheder i stigende grad den nye standard. Og nu undersøger forskere dem til 6G‑mobil- og trådløse infrastruktur‑applikationer.

Det er takket være deres høje udgangseffekt og høj‑frekvens‑drift, at GaN‑baserede high‑electron‑mobility transistorer (HEMTs) har revolutioneret trådløs og militær kommunikation.

Dette skyldes primært materialparametre som et højt kritisk elektrisk felt, god mobilitet ved stuetemperatur og høj mætninghastighed. Innovationer i feltplade‑design har yderligere forbedret GaN‑HEMT‑ernes ydeevne, hvilket har ført til effekter på op til 40 W mm−1 ved 4 GHz og 60 % power‑added efficiency.

Men dette er ikke nok til at muliggøre fremtidige applikationer. GaN skal være endnu hurtigere og mere pålidelig samt udsende større effekt for at muliggøre den sjette generation af trådløs kommunikation.

Forbedringer i udgangseffekten er nødvendige for at opretholde signalintegritet over lange afstande, hvor ambitiøse projekter allerede har sat mål om at opnå 81 W mm−1.

I denne sammenhæng har et internationalt team af ingeniører og videnskabsfolk udviklet og testet en ny arkitektur, der øgede kapaciteterne for de specielle GaN‑forstærkere.

Sådanne resultater blev opnået ved at finde en latch‑effekt i GaN, som låste op for en meget høj radiofrekvens‑ydelse. Denne næste generation af enheder bruger parallelle kanaler, der kræver side‑finner på under 100 nm, en type transistor, der styrer strømmen, der passerer gennem enhederne.

I den seneste forskning brugte teamet over 1000 finner med en bredde på under 100 nm i SLCFETs for at hjælpe med at drive strømmen. Ifølge medforfatter Dr. Akhil Shaji, æresforskningsassistent ved University of Bristol:

“Vi har pilotet en enhedsteknologi, i samarbejde med samarbejdspartnere, kaldet superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).”

GaN‑baserede SLCFETs har potentiale til at blive brugt til at nå de høje udgangseffekt‑mål (81 W mm−1), som projekterne har sat. SLCFETs med op til ti stablede to‑dimensionale elektron‑gas (2DEG) kanaler kan faktisk give en 10‑fold stigning i ladningsbærere sammenlignet med enkelt‑kanal GaN‑HEMTs.

Den nye arkitektur, ifølge undersøgelsen, tilbyder en lav knækspænding, hvilket gør den perfekt til store udgangsspændings‑sving kombineret med høj strøm‑tæthed.

SLCFETs har vist en udgangseffekt på over 10 W mm−1 ved 94 GHz med 12 V på drain og over 40 % power‑added efficiency, understøttet af en strøm‑tæthed på 4,8 A mm−1 med minimal dispersion og strøm‑kollaps.

Ved så høj effekt er udfordringen at kontrollere varmeafledning uden at øge enhedens fodaftryk. Selvom effekten kan øges ved at hæve drain‑spændingen (VDS), kan impact‑ionisation forringe SLCFET‑s karakteristika.

Der er også transistor‑latching. Her forbliver enheden i tændt tilstand trods at den er biaseret med en gate‑bias i slukket tilstand (VGS), en effekt der er velkendt i silicium‑baserede enheder. Dog minimerer GaNs høje båndgab impact‑ionisation. Forskerne har tidligere bekræftet forekomsten af impact‑ionisation i SLCFET‑ers drift i tændt tilstand.

Forbedring af GaN‑ydelse gennem latch‑effekten

Aluminium‑gallium‑nitrat (AlGaN/) eller gallium‑nitrat (GaN)-baserede SLCFETs viser lovende som grundlag for høj‑effekt RF‑forstærkere og -switches i fremtidens avancerede radars.

Disse transistorer har vist den bedste ydeevne i W‑båndets frekvensområde, som er fra 75 GHz til 110 GHz. Videnskaben bag dette var dog ukendt indtil nu.

Ifølge undersøgelsen, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature Electronics, er det “en latch‑effekt i GaN, som muliggør den høje radiofrekvens‑ydelse.”

Med effekten nu anerkendt gik teamet videre for at finde ud af præcis, hvor den forekommer. De brugte ultra‑præcise elektriske målinger og optisk mikroskopi samtidigt for at studere effekten yderligere og forstå den bedre.

Efter at have analyseret over 1.000 finner lokaliserede forskerne effekten på den bredeste fin. For yderligere at bekræfte observationerne byggede teamet en 3D‑model ved hjælp af en simulator.

“Strøm‑spændings‑målinger, simuleringer og korreleret elektroluminescens‑emission under latch‑tilstanden indikerer, at udløsning af fin‑bredde‑afhængig lokaliseret impact‑ionisation er ansvarlig for latch‑effekten,” bemærkede undersøgelsen og tilføjede, at denne lokalisering tilskrives tilstedeværelsen af variation i fin‑bredden, som skyldes variation i fremstillingsprocessen.

Næste gik teamet i gang med pålidelighedsaspekterne af effekten for praktiske anvendelser. Den grundige test af enheden over en længere periode viste, at latch‑effekten ikke har nogen skadelig indvirkning på enhedens ydeevne eller pålidelighed.

Latch‑tilstanden er ifølge undersøgelsen reversibel samt ikke‑nedbrydende og kan føre til forbedring af transistorernes transkonduktans‑karakteristika, hvilket indebærer forbedret linearitet og effekt i radiofrekvens‑forstærkere.

“Vi fandt, at en nøglefaktor, der driver denne pålidelighed, var et tyndt lag af dielektrisk belægning omkring hver af finnerne.”

– Professor Kuball, Royal Academy of Engineering‑stolen i Emerging Technologies

Som leder af Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR) hjælper Kuball med at udvikle næste generations halvleder‑elektroniske enheder til kommunikations‑ og radarteknologi samt for at opnå netto‑nul emissioner. CDTR arbejder også på at forbedre den termiske styring af enheden, dens elektriske ydeevne og pålidelighed gennem brede og ultra‑brede båndgab‑halvledere.

Hovedkonklusionen fra forskningen, bemærkede Kuball, “var klar – latch‑effekten kan udnyttes til utallige praktiske anvendelser, som kan hjælpe med at transformere folks liv på mange forskellige måder i de kommende år.”

I fremtidigt arbejde vil teamet fokusere på yderligere at øge den effekt‑tæthed, som enhederne kan levere. Dette vil gøre dem i stand til at tilbyde endnu højere ydeevne og betjene et bredere publikum.

Desuden vil industripartnere hjælpe med at gøre disse næste generations enheder kommercielt tilgængelige.

Invester i halvlederinnovation

Når det gælder investering i GaN‑teknologi, er MACOM en af de få amerikanske børsnoterede virksomheder, der tilbyder direkte eksponering mod den. Den anvender både GaN‑on‑SiC og GaN‑on‑Si proces‑teknologier for at muliggøre næste generations systemarkitekturer på tværs af en bred vifte af anvendelser. Virksomheden tilbyder innovative lav‑støj‑forstærkere, GaN‑effektforstærkere og switches, der spænder over frekvenser fra DC til over 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc

MACOM Technology Solutions Holdings er en producent af højtydende halvlederprodukter til telekommunikation såvel som andre industrier.

Virksomheden betjener mere end 6.000 kunder årligt med sin brede produktportefølje, der omfatter analoge, mikrobølge-, radiofrekvens‑ (RF‑), mixed‑signal‑ og optiske halvlederteknologier. MACOM specialiserer sig i applikations‑ og sammensatte halvlederfremstilling, herunder GaAs, GaN, InP og specialiseret silicium, analog og mixed‑signal kredsløbsdesign, avanceret indpakning samt back‑end samling og test.

Virksomheden har opnået flere certificeringer, herunder AS9100D luftfartsstandarden, IATF16949 bilindustristandarden, ISO9001 international kvalitetsstandard og ISO14001 miljøledelsesstandard.

Når det gælder MCOM’s markedspræstation, med en markedsværdi på $9 milliarder, handles MTSI-aktier i øjeblikket til $123,41. Mens MTSI er faldet 6,37 % i år indtil nu, er den steget 46,7 % fra sit tidlige april‑lavpunkt og kun omkring 15,5 % fra toppen, den nåede i januar i år. Med dette er EPS (TTM) -1,22 og P/E (TTM) -99,66.

Hvad angår virksomhedens økonomi, rapporterede MACOM for nylig resultater for det finansielle andet kvartal, der sluttede den 4. april 2025, hvor den registrerede en omsætning på $235,9 millioner, en stigning på 30,2 % i forhold til samme kvartal året før.

Driftsindtægten var $34,9 millioner, svarende til 14,8 % af omsætningen, mens nettoresultatet var $31,7 millioner, eller $0,42 per udvandet aktie. Bruttomarginen i denne periode steg 2,7 % til 55,2 %, mens den justerede bruttomargin steg 0,4 % til 57,5 %.

Da han kommenterede virksomhedens “solide Q2‑præstation”, roste præsident og administrerende direktør Stephen G. Daly den “exceptionelle teamwork på tværs af hele MACOM‑organisationen” for at muliggøre denne succes.

Disse tal fulgte “en god start” på det finansielle år i Q1, hvor Daly sagde, at virksomhedens fokus fortsat er på at betjene kunder og “opbygge en stærkere, bredere og mere konkurrencedygtig produktportefølje.”

I 1Q25 var MACOM’s omsætning $218,1 millioner, hvilket steg med 38,8 % fra 1Q24, og driftsindtægten var $17,5 millioner, svarende til 8 % af omsætningen. I det foregående kvartal rapporterede virksomheden faktisk et nettotab på $167,5 millioner, eller $2,30 tab per udvandet aktie, på grund af et engangs­tab på $193,1 millioner ved afvikling af gæld.

Nu, for det finansielle tredje kvartal, der slutter den 4. juli 2025, forudser MACOM en omsætning mellem $246 millioner og $254 millioner. Det forventes, at den justerede bruttomargin vil ligge mellem 56,5 % og 58,5 % og justerede indtjening per udvandet aktie mellem $0,87 og $0,91, med en 3 % non‑GAAP indkomstskattesats og 76,5 millioner fuldt udvandt aktier i omløb.

Midt i alt dette fortsatte MACOM med at udvide sin forretning gennem investeringer. I januar i år annoncerede MACOM en strategisk plan om at investere op til $345 millioner over en periode på fem år i sine wafer‑fremstillingsfaciliteter i Massachusetts og North Carolina. Formålet med investeringen er at modernisere de eksisterende faciliteter og introducere avancerede fremstillingsevner for RF-, mikrobølge- og millimetrebølge‑teknologier for at forbedre MACOM’s produktudbud til datacentre, telekommunikation og forsvarsindustrier.

I dens Massachusetts‑facilitet specifikt vil virksomheden installere 150 mm GaN‑on‑SiC produktionskapacitet.

“Denne plan vil styrke MACOM’s indenlandske halvlederproduktionskapaciteter,” sagde Daly og tilføjede, at den også vil accelerere virksomhedens vækststrategi.

Dette initiativ understøttes af en foreløbig aftale med CHIPS Program Office, som har afsat i alt $39 milliarder til at give incitamenter for investering i faciliteter og udstyr i USA. Det foreslår $180 millioner i finansiering og skattefradrag til MACOM under CHIPS and Science Act.

Nogle måneder før dette erhvervede MACOM et fabless halvlederfirma kaldet ENGIN-IC, som designer avancerede GaN‑MMICs (monolithic microwave integrated circuits) med det formål at bedre betjene sine målmarkeder og opnå en større markedsandel.

ENGIN-IC’s fokus er faktisk på at betjene den amerikanske forsvarsindustri og har en produktportefølje på over 60 standard‑MMICs og mange flere special‑MMICs.

“ENGIN-IC’s exceptionelle bredbånds‑ og høj‑effekt‑MMIC‑ og modul‑design ekspertise vil gøre os i stand til bedre at støtte vores fælles kunder,” sagde Daly på det tidspunkt, mens ENGIN-IC medstifter og CTO Stephen Nelson udtrykte begejstring for at “være en del af MACOM’s bestræbelser på at lede industrien inden for GaN‑halvlederprocesser og -produkter.”

Konklusion

6G er den næste generation af teknologi til trådløs kommunikation, som lover endnu hurtigere hastigheder og mere effektiv kommunikation. At realisere denne fremtid med global kommunikation, automatisering og immersive virtuelle oplevelser afhænger dog af fremskridt inden for halvledere. Halvledermaterialet GaN, med sine unikke egenskaber som højere hastighed, lavere modstand og højere gennembrudsspænding, viser sit potentiale til at revolutionere elektronik og kommunikation.

Det seneste gennembrud i GaN‑baserede SLCFETs, som udnytter de nye transistorarkitekturer og afdækker mekanikken bag latch‑effekten, skubber grænserne for, hvad der er muligt inden for højfrekvens‑halvlederydelse.

Innovation gør vejen til 6G‑realiteten klarere end nogensinde ved at afsløre både skalerbar ydeevne og robust pålidelighed.

Klik her for en liste over top‑semiconductor‑udstyrsaktier.

Studier Refereret:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium‑nitrat multikanal‑enheder med latch‑inducerede sub‑60‑mV‑per‑dekade subthreshold‑sløjfer for radiofrekvens‑applikationer. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5