Die 6G‑Revolution mit Next‑Gen‑GaN‑Halbleitern freischalten

Halbleiter sind die Grundlage von elektronischen und Internet of Things (IoT)-Geräten sowie Telekommunikationsausrüstung.

Sie sind Materialien, die den Stromfluss steuern. Ihre einzigartige Eigenschaft, eine Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und eines Isolators zu besitzen, macht sie zu einem Schlüsselbaustein in Bauteilen wie Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen. 

Die Nachfrage nach Halbleitern steigt rasant. Sie werden in Smartphones, Computern, Haushaltsgeräten, medizinischen Geräten und Gaming‑Hardware eingesetzt. Hinzu kommt die wachsende Beliebtheit und Nutzung von Künstlicher Intelligenz (KI), die die Chip‑Entwicklung weiter vorantreibt und die Halbleiterproduktion erhöht.

Das gleichmäßige Tempo der 5G‑Einführung ist ein weiterer Faktor, der die gesunden Nachfragetrends für Halbleiterchips antreibt.

Die „fünfte Generation“ der Mobilfunknetztechnologie, die seit 2019 von Mobilfunkbetreibern weltweit eingesetzt wird, bietet höhere Download‑Geschwindigkeiten und geringere Latenz, was nahezu sofortige Kommunikation ermöglicht. 

Die extrem niedrige Latenz und hohe Zuverlässigkeit von 5G sind für High‑Tech‑Fortschritte von entscheidender Bedeutung. Das 5G‑Netzwerk wiederum ist auf Halbleiter angewiesen, um diese Vorteile zu bieten.

Halbleiterkomponenten werden hier benötigt, um die Signale, die die Daten tragen, zu verarbeiten. Von Basisstationen über Smartphones bis hin zu IoT‑Geräten sind sie die Chips, die eine schnelle Signalverarbeitung, breitbandige Funkfrequenz‑(RF‑)Übertragung und sichere Konnektivität ermöglichen.

Während 5G sich noch im Einführungsstadium befindet, diskutieren Branchenakteure bereits die Entwicklung der sechsten Generation (6G). Dies erfordert jedoch erhebliche Fortschritte in der Halbleitertechnologie, die extrem niedrige Latenz, ultra‑hohe Datenraten, hohe Energieeffizienz, Unterstützung von Terahertz‑(THz‑)Frequenzen und natürlich massive Konnektivität bewältigen kann.

Während Unternehmen und Forscher daran arbeiten, die Fähigkeiten von Halbleitern zu verbessern, zeigt ein jüngster Durchbruch in der Technologie ein enormes Potenzial, die Art und Weise, wie wir kommunizieren, zu verändern.

Durch die Beschleunigung von 6G im Mobilfunknetz, das schnellere Geschwindigkeiten, effizientere Kommunikation und viel breitere Abdeckung als die aktuelle Generation (5G) bietet, verspricht dieser neueste Fortschritt eine Zukunft, die viele Science‑Fiction‑Szenarien zur Realität werden lässt.

Futuristische Konzepte wie das Gefühl, die Berührung Ihrer Lieben zu spüren, die über Kontinente hinweg leben, oder eine sofortige Gesundheitsdiagnose zu erhalten, ohne das Haus zu verlassen, hängen alle von der Fähigkeit ab, massive Datenmengen mit einer viel höheren Geschwindigkeit zu übertragen, als es bestehende Netze ermöglichen.

Physiker der Universität Bristol haben einen neuartigen Weg gefunden, den Prozess zu beschleunigen, um dies zu erreichen.

„Im nächsten Jahrzehnt könnten zuvor fast unvorstellbare Technologien, die ein breites Spektrum menschlicher Erfahrungen transformieren, weit verbreitet verfügbar sein.“

– Co‑Lead‑Autor Martin Kuball, Professor für Physik an der Universität Bristol.

Wenn er über die möglichen Vorteile spricht, die er als „weitreichend“ bezeichnet, verweist Kuball auf Fortschritte im Gesundheitswesen mit Fern‑Diagnostik und -Operationen, virtuellen Klassenzimmern, virtuellem Urlaubstourismus, industrieller Automatisierung für höhere Effizienz und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) zur Verbesserung der Verkehrssicherheit.

„Die Liste möglicher 6G‑Anwendungen ist endlos, die Grenze ist lediglich die menschliche Vorstellungskraft. Unsere innovativen Halbleiterentdeckungen sind daher enorm spannend und werden dazu beitragen, diese Entwicklungen schnell und in großem Maßstab voranzutreiben.“

– Kuball 

Was dieser Wechsel zu 6G erfordert ist ein radikales Upgrade der Halbleitertechnologie, Systeme, Schaltungen und zugehörigen Algorithmen. 

Der Aufstieg von GaN‑basierten Transistoren

Im rasant fortschreitenden Halbleitersektor wird Galliumnitrid (GaN) als Haupt‑Halbleiterkomponente eingesetzt. 

Dieser Verbindungshalbleiter ist sehr hart, mechanisch stabil und besitzt eine breite Bandlücke, was ihn für Hochleistungs‑ und Hochfrequenzanwendungen geeignet macht. Nach Silizium ist GaN einer der wichtigsten Halbleiter und findet zunehmend Anwendung in der Unterhaltungselektronik. 

GaN ist tatsächlich dafür bekannt, eine breitere Bandlücke als Silizium zu besitzen. Dadurch können GaN‑Geräte höhere Leistungsdichten bewältigen, was zu kleineren und leichteren Designs führt und höhere Effizienz sowie bessere Zuverlässigkeit bietet.

In den aktuellen fünften‑Generations‑Kommunikationssystemen werden diese Bauteile zunehmend zum neuen Standard. Jetzt untersuchen Forscher sie für 6G‑Mobile‑ und Wireless‑Infrastruktur‑Anwendungen. 

Dank ihrer hohen Ausgangsleistung und Hochfrequenz‑Betriebsfähigkeit haben GaN‑basierte High‑Electron‑Mobility‑Transistoren (HEMTs) die drahtlose und militärische Kommunikation revolutioniert. 

Dies liegt vor allem an Materialparametern wie einem hohen kritischen elektrischen Feld, guter Beweglichkeit bei Raumtemperatur und hoher Sättigungsgeschwindigkeit. Innovationen im Feldplatten‑Design haben die Leistung von GaN‑HEMTs weiter verbessert und zu Leistungen von bis zu 40 W mm⁻¹ bei 4 GHz sowie einer Leistungs‑zu‑Zugefügten‑Leistung‑Effizienz von 60 % geführt.

Doch das reicht nicht aus, um zukünftige Anwendungen zu ermöglichen. GaN muss noch schneller und zuverlässiger sein und mehr Leistung abgeben, um die sechste Generation der drahtlosen Kommunikation zu ermöglichen.

Verbesserungen der Ausgangsleistung sind erforderlich, um die Signalintegrität über lange Distanzen zu erhalten; ambitionierte Projekte setzen bereits Ziele von 81 W mm⁻¹.

Vor diesem Hintergrund entwickelte und testete ein internationales Team von Ingenieuren und Wissenschaftlern eine neue Architektur, die die Fähigkeiten spezieller GaN‑Verstärker erhöhte.

Diese Ergebnisse wurden erzielt, indem ein Latch‑Effekt in GaN gefunden wurde, der eine sehr hohe Hochfrequenz‑Geräteleistung freischaltete. Diese nächste Generation von Geräten nutzt parallele Kanäle, die Sub‑100‑nm‑Seitenflossen erfordern – eine Art Transistor, der den Stromfluss durch die Geräte steuert.

In der neuesten Forschung nutzte das Team über 1000 Flossen mit einer Breite von unter 100 nm in SLCFETs, um den Strom zu treiben. Laut Co‑Lead‑Autor Dr. Akhil Shaji, Honorar‑Forschungsmitarbeiter an der Universität Bristol:

„Wir haben eine Gerätetechnologie pilotiert, die wir zusammen mit Kooperationspartnern Superlattice‑Castellated‑Feldeffekt‑Transistoren (SLCFETs) nennen.“ 

GaN‑basierte SLCFETs haben das Potenzial, die von Projekten gesetzten Hochleistungsziele (81 W mm⁻¹) zu erreichen. SLCFETs mit bis zu zehn gestapelten zweidimensionalen Elektronengas‑(2DEG‑)Kanälen können tatsächlich eine 10‑fach höhere Ladungsträgerdichte im Vergleich zu ein‑Kanal‑GaN‑HEMTs bieten.

Die neue Architektur bietet laut Studie eine niedrige Knie‑Spannung, was sie ideal für große Ausgangsspannungs‑Schwankungen in Kombination mit hoher Stromdichte macht.

SLCFETs haben eine Ausgangsleistung von über 10 W mm⁻¹ bei 94 GHz mit 12 V am Drain und über 40 % Leistungs‑zu‑Zugefügten‑Leistung‑Effizienz gezeigt, unterstützt durch eine Stromdichte von 4,8 A mm⁻¹ bei minimaler Dispersion und Stromkollaps.

Bei dieser Leistung besteht die Herausforderung darin, die Wärmeabfuhr zu kontrollieren, ohne die Bauteilfläche zu vergrößern. Während die Leistung durch Erhöhung der Drain‑Spannung (VDS) gesteigert werden kann, kann die Stoßionisation die Eigenschaften von SLCFETs verschlechtern.

Dann gibt es das Transistor‑Latch‑Verhalten. Hier bleibt das Bauteil im eingeschalteten Zustand, obwohl es mit einer Gate‑Spannung im ausgeschalteten Zustand (VGS) vorgespannt ist – ein in Silizium‑Bauteilen bekannter Effekt. Allerdings minimiert die hohe Bandlücke von GaN die Stoßionisation. Die Forscher haben bereits das Auftreten von Stoßionisation im eingeschalteten Betrieb von SLCFETs bestätigt.

Verbesserung der GaN‑Leistung durch den Latch‑Effekt

Aluminium‑Galliumnitrid (AlGaN)‑ oder Galliumnitrid‑basierte (GaN) SLCFETs zeigen vielversprechendes Potenzial als Grundlage für Hochleistungs‑RF‑Verstärker und Schalter in zukünftigen fortschrittlichen Radarsystemen. 

Diese Transistoren haben die beste Leistung im W‑Band‑Frequenzbereich gezeigt, der von 75 GHz bis 110 GHz reicht. Die dahinterstehende Wissenschaft war jedoch bis jetzt unbekannt. 

Laut der in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Studie handelt es sich um „einen Latch‑Effekt in GaN, der die Hochfrequenz‑Leistung ermöglicht.“

Nachdem der Effekt nun erkannt wurde, untersuchte das Team, wo er genau auftritt. Sie nutzten gleichzeitig ultra‑präzise elektrische Messungen und optische Mikroskopie, um den Effekt weiter zu untersuchen und besser zu verstehen.

Nach der Analyse von über 1.000 Flossen lokalisierten die Forscher den Effekt auf der breitesten Flosse. Um die Beobachtungen weiter zu verifizieren, erstellte das Team ein 3D‑Modell mit einem Simulator.

„Strom‑Spannungs‑Messungen, Simulationen und korrelierte elektrolumineszente Emissionen im Latch‑Zustand zeigen, dass das Auslösen einer fin‑breiten‑abhängigen lokalen Stoßionisation für das Latching verantwortlich ist“, stellt die Studie fest und fügt hinzu, dass diese Lokalisierung auf Variationen in der Flossenbreite zurückzuführen ist, die durch Schwankungen im Fertigungsprozess entstehen.

Als nächstes ging das Team die Zuverlässigkeitsaspekte des Effekts für praktische Anwendungen an. Die rigorosen Langzeittests des Bauteils zeigten, dass der Latch‑Effekt keine nachteiligen Auswirkungen auf die Leistung oder Zuverlässigkeit des Bauteils hat.

Der Latch‑Zustand ist laut Studie reversibel und nicht degradierend und kann zu einer Verbesserung der Transkonduktanz‑Charakteristik von Transistoren führen, was eine erhöhte Linearität und Leistung in Hochfrequenz‑Leistungsverstärkern impliziert.

„Wir haben festgestellt, dass ein entscheidender Faktor für diese Zuverlässigkeit eine dünne dielektrische Beschichtung um jede Flosse herum war.“

– Professor Kuball, der Lehrstuhl der Royal Academy of Engineering für Emerging Technologies

Als Leiter des Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR) unterstützt Kuball die Entwicklung von nächsten‑Generation‑Halbleiter‑Elektronikgeräten für Kommunikations‑ und Radartechnologie und strebt Netto‑Null‑Emissionen an. CDTR arbeitet zudem an der Verbesserung des thermischen Managements des Bauteils, seiner elektrischen Leistung und Zuverlässigkeit durch breite und ultra‑breite Bandlücken‑Halbleiter.

Die zentrale Erkenntnis der Forschung, bemerkte Kuball, „war klar – der Latch‑Effekt kann für unzählige praktische Anwendungen genutzt werden, die das Leben der Menschen in den kommenden Jahren auf vielfältige Weise verändern könnten.“

In zukünftigen Arbeiten wird sich das Team darauf konzentrieren, die Leistungsdichte der Geräte weiter zu erhöhen. Dies wird es ermöglichen, noch höhere Leistungen zu bieten und ein breiteres Publikum zu bedienen.

Darüber hinaus werden Industriepartner dabei helfen, diese nächsten Generationen von Geräten kommerziell verfügbar zu machen.

Investieren Sie in Halbleiter‑Innovation

Wenn es um Investitionen in GaN‑Technologie geht, ist MACOM (MTSI ) eines der wenigen US‑börsennotierten Unternehmen, das direkte Exponierung bietet. Es nutzt sowohl GaN‑on‑SiC‑ als auch GaN‑on‑Si‑Prozesstechnologien, um nächste‑Generation‑Systemarchitekturen über ein breites Anwendungsspektrum zu ermöglichen. Das Unternehmen bietet innovative Niedrigrausch‑Verstärker, GaN‑Leistungsverstärker und Schalter, die Frequenzen von DC bis über 100 GHz abdecken.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings ist ein Hersteller von Hochleistungs‑Halbleiterprodukten für die Telekommunikation sowie andere Branchen.

Das Unternehmen bedient jährlich mehr als 6.000 Kunden mit seinem breiten Produktportfolio, das analoge, Mikrowellen‑, Funkfrequenz‑(RF‑), Mixed‑Signal‑ und optische Halbleitertechnologien umfasst. MACOM ist spezialisiert auf Anwendungs‑ und Verbund‑Halbleiter‑Fertigung, einschließlich GaAs, GaN, InP und spezialisierte Silizium, analoge und Mixed‑Signal‑Schaltungsdesigns, fortschrittliche Verpackungen sowie End‑Assembly und Test.

Das Unternehmen hat mehrere Zertifizierungen erhalten, darunter den Luft‑ und Raumfahrtstandard AS9100D, den Automobilstandard IATF16949, den internationalen Qualitätsstandard ISO9001 und den Umweltmanagementstandard ISO14001.

Bezüglich der Marktperformance von MCOM, mit einer Marktkapitalisierung von 9 Milliarden $, werden MTSI‑Aktien derzeit zu 123,41 $ gehandelt. Während MTSI in diesem Jahr bisher um 6,37 % gefallen ist, liegt es 46,7 % über seinem Tiefstand Anfang April und nur etwa 15,5 % vom Höchststand entfernt, den es im Januar dieses Jahres erreicht hat. Damit beträgt das EPS (TTM) -1,22 und das KGV (TTM) -99,66.

Was die Finanzdaten des Unternehmens betrifft, hat MACOM kürzlich die Ergebnisse für das zweite Geschäftsjahrquartal zum 4. April 2025 veröffentlicht, in dem ein Umsatz von 235,9 Millionen $ verzeichnet wurde, ein Anstieg von 30,2 % gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres.

Der Betriebsgewinn betrug 34,9 Millionen $, also 14,8 % des Umsatzes, während der Nettogewinn 31,7 Millionen $ bzw. 0,42 $ pro verwässerter Aktie betrug. Die Bruttomarge stieg in diesem Zeitraum um 2,7 % auf 55,2 %, während die bereinigte Bruttomarge um 0,4 % auf 57,5 % zulegte.

In einem Kommentar zur „soliden Q2‑Performance“ des Unternehmens lobte Präsident und CEO Stephen G. Daly das „außergewöhnliche Teamwork im gesamten MACOM‑Unternehmen“, das diesen Erfolg ermöglicht habe.

Diese Zahlen folgten auf einen „guten Start“ des Geschäftsjahres im Q1, in dem Daly sagte, dass der Fokus des Unternehmens weiterhin darauf liege, Kunden zu bedienen und „ein stärkeres, breiteres und wettbewerbsfähigeres Produktportfolio aufzubauen.“

Im 1Q25 betrug der Umsatz von MACOM 218,1 Millionen $, ein Anstieg von 38,8 % gegenüber 1Q24, und der Betriebsgewinn lag bei 17,5 Millionen $, also 8 % des Umsatzes. Im vorherigen Quartal meldete das Unternehmen tatsächlich einen Nettoverlust von 167,5 Millionen $, bzw. einen Verlust von 2,30 $ pro verwässerter Aktie, bedingt durch einen einmaligen Verlust von 193,1 Millionen $ bei der Tilgung von Schulden.

Für das dritte Geschäftsjahrquartal zum 4. Juli 2025 prognostiziert MACOM einen Umsatz zwischen 246 Millionen $ und 254 Millionen $. Es erwartet, dass die bereinigte Bruttomarge zwischen 56,5 % und 58,5 % liegt und der bereinigte Gewinn pro verwässerter Aktie zwischen 0,87 $ und 0,91 $ liegt, bei einem nicht‑GAAP‑Steuersatz von 3 % und 76,5 Millionen vollständig verwässerten ausstehenden Aktien.

Trotz alledem setzte MACOM seine Geschäftsexpansion durch Investitionen fort.

Im Januar dieses Jahres kündigte MACOM einen strategischen Plan an, bis zu 345 Millionen $ über einen Zeitraum von fünf Jahren in seine Wafer‑Fertigungsanlagen in Massachusetts und North Carolina zu investieren. Ziel der Investition ist es, bestehende Anlagen zu modernisieren und fortschrittliche Fertigungskapazitäten für RF‑, Mikrowellen‑ und Millimeter‑Wellentechnologien einzuführen, um das Produktangebot von MACOM für Rechenzentren, Telekommunikation und Verteidigungsindustrien zu erweitern.

In seiner Anlage in Massachusetts wird das Unternehmen speziell die Fertigungskapazität für 150 mm GaN‑on‑SiC installieren.

„Dieser Plan wird die inländischen Halbleiterfertigungskapazitäten von MACOM stärken“, sagte Daly und fügte hinzu, dass er auch die Wachstumsstrategie des Unternehmens beschleunigen werde.

Diese Initiative wird durch eine vorläufige Vereinbarung mit dem CHIPS‑Programm‑Büro unterstützt, das insgesamt 39 Milliarden $ für Anreize zur Investition in Anlagen und Ausrüstung in den USA bereitgestellt hat. Es sieht 180 Millionen $ an Fördermitteln und Steuergutschriften für MACOM im Rahmen des CHIPS‑and‑Science‑Act vor.

Einige Monate zuvor erwarb MACOM das fabless‑Halbleiterunternehmen ENGIN‑IC, das fortschrittliche GaN‑MMICs (monolithische Mikrowellen‑Integrierte‑Schaltkreise) entwirft, um seine Zielmärkte besser zu bedienen und einen größeren Marktanteil zu gewinnen.

Der Fokus von ENGIN‑IC liegt tatsächlich auf der Bedienung der US‑Verteidigungsindustrie und verfügt über ein Produktportfolio von über 60 Standard‑MMICs sowie vielen weiteren kundenspezifischen MMICs.

„Die außergewöhnliche Breitband‑ und hocheffiziente MMIC‑ und Modul‑Design‑Kompetenz von ENGIN‑IC wird es uns ermöglichen, unsere gemeinsamen Kunden besser zu unterstützen“, sagte Daly damals, während ENGIN‑IC‑Mitbegründer und CTO Stephen Nelson seine Begeisterung äußerte, „Teil von MACOMs Bestrebungen zu sein, die Branche bei GaN‑Halbleiterprozessen und -produkten anzuführen.“

Fazit

6G ist die nächste Generation der Technologie für drahtlose Kommunikation, die noch schnellere Geschwindigkeiten und effizientere Kommunikation verspricht. Die Verwirklichung dieser Zukunft von globaler Kommunikation, Automatisierung und immersiven virtuellen Erlebnissen hängt jedoch von Fortschritten in den Halbleitern ab. Das Halbleitermaterial GaN, mit seinen einzigartigen Eigenschaften höherer Geschwindigkeit, geringerer Widerstände und höherer Durchbruchspannung, zeigt sein Potenzial, Elektronik und Kommunikation zu revolutionieren.

Der jüngste Durchbruch bei GaN‑basierten SLCFETs, der die neuartigen Transistor‑Architekturen nutzt und die Mechanik des Latch‑Effekts aufdeckt, erweitert die Grenzen des Möglichen in der Hochfrequenz‑Halbleiterleistung.

Die Innovation macht den Weg zur 6G‑Realität klarer denn je, indem sie sowohl skalierbare Leistung als auch robuste Zuverlässigkeit aufzeigt.

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Studien zitiert:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium‑nitrid‑Mehrkanal‑Geräte mit latch‑induzierten sub‑60‑mV‑pro‑Dekade‑Subschwellen‑Steigungen für Hochfrequenz‑Anwendungen. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5