6G-revolution avaaminen seuraavan sukupolven GaN-puolijohteiden avulla

Puolijohteet ovat sähkö- ja Internet of Things (IoT) -laitteiden sekä telekommunikaatiolaitteiden perusta.

Ne ovat materiaaleja, jotka ohjaavat sähkövirran kulkua. Niiden ainutlaatuinen ominaisuus, että niiden johtavuus sijoittuu johtimen ja eristeen väliin, tekee niistä keskeisen komponentin laitteissa, kuten diodeissa, transistoreissa ja integroiduissa piireissä.

Puolijohteiden kysyntä kasvaa nopeasti. Niitä käytetään älypuhelimissa, tietokoneissa, kodinkoneissa, lääketieteellisissä laitteissa ja pelilaitteistoissa. Lisäksi tekoälytekniikoiden (AI) kasvava suosio ja käyttö vauhdittavat piirin kehitystä ja lisäävät puolijohteiden tuotantoa.

5G:n tasainen käyttöönotto on vielä yksi tekijä, joka edistää puolijohdepiirien terveitä kysyntätrendejä.

“Viidennen sukupolven” mobiiliverkko‑teknologia, jota mobiilioperaattorit ovat käyttäneet maailmanlaajuisesti vuodesta 2019, tarjoaa nopeampia latausnopeuksia ja alhaisempaa viivettä, mikä mahdollistaa lähes välittömän viestinnän.

5G:n äärimmäisen alhainen latenssi ja korkea luotettavuus ovat erittäin tärkeitä korkean teknologian kehitykselle. 5G‑verkko puolestaan perustuu puolijohteisiin näiden etujen tarjoamiseksi.

Puolijohdekomponentit ovat tarpeen signaalien käsittelemiseen, jotka kantavat dataa. Perustelaitteista älypuhelimiin ja IoT‑laitteisiin ne ovat piirit, jotka mahdollistavat nopean signaalinkäsittelyn, laajakaista‑radiofrekvenssi (RF) ‑lähetyksen ja turvallisen yhteyden.

Vaikka 5G on vielä käyttöönoton vaiheessa, alan toimijat ovat jo alkaneet keskustella kuudennen sukupolven (6G) kehittämisestä. Tämä kuitenkin vaatii merkittäviä edistysaskeleita puolijohdeteknologiassa, jotka pystyvät käsittelemään äärimmäisen alhaista latenssia, ultra‑korkeita tiedonsiirtonopeuksia, suurta energiatehokkuutta, terahertsitaajuuksia (THz) ja tietenkin massiivista yhteydenpitoa.

Kun yritykset ja tutkijat työskentelevät puolijohteiden kykyjen parantamiseksi, viimeaikainen teknologinen läpimurto osoittaa valtavaa potentiaalia muuttaa tapaamme viestiä.

Superlataamalla mobiiliverkon 6G:n tarjoamaan nopeampia nopeuksia, tehokkaampaa viestintää ja paljon laajempaa kattavuutta kuin nykyinen sukupolvi (5G), tämä uusin edistys lupaa tulevaisuuden, jossa monet tieteiskirjallisuuden visiot toteutuvat.

Futuristiset käsitteet, kuten rakkaidesi kosketuksen tunteminen, vaikka he asuisivatkin mantereella, tai terveydenhuollon diagnoosin saaminen välittömästi ilman, että sinun tarvitsee poistua kotoa, kaikki riippuvat kyvystä viestiä ja siirtää valtavia määriä dataa paljon nopeammin kuin nykyiset verkot pystyvät.

Bristolin yliopiston fyysikot ovat löytäneet uuden tavan nopeuttaa prosessia tämän saavuttamiseksi.

“Seuraavan vuosikymmenen aikana aiemmin lähes kuviteltavissa olleet teknologiat, jotka voivat muuttaa laajaa kirjoa ihmiskokemuksia, voivat olla laajasti saatavilla.”

– Yhteisjohtava tekijä Martin Kuball, fysiikan professori Bristolin yliopistossa.

Puhuttaessa mahdollisista hyödyistä, joita hän kutsui “laajalle levinneiksi”, Kuball viittasi terveydenhuollon edistysaskeliin etädiagnostiikalla ja -kirurgialla, virtuaalisiin luokkahuoneisiin, virtuaaliseen lomamatkailuun, teollisuusautomaation tehostamiseen sekä kehittyneisiin kuljettajaa avustaviin järjestelmiin (ADAS) liikenneturvallisuuden parantamiseksi.

“Mahdollisten 6G-sovellusten lista on loputon, ja ainoa raja on ihmisen mielikuvitus. Joten innovaatiomme puolijohteissa ovat valtavan jännittäviä ja auttavat vauhdittamaan näitä kehityksiä nopeudella ja mittakaavalla.”

– Kuball 

Mitä tämä siirtymä 6G:hen vaatii on radikaali päivitys puolijohdeteknologiaan, järjestelmiin, piireihin ja niihin liittyviin algoritmeihin.

Gallium-nitridi-pohjaisten transistorien nousu

Nopeasti kehittyvässä puolijohdealassa gallium-nitridi (GaN) otetaan käyttöön pääasiallisena puolijohdekomponenttina.

Tämä yhdistepuolijohde on erittäin kova, mekaanisesti vakaa ja sillä on laaja energiaraja, mikä tekee siitä sopivan korkea‑tehoisiin ja korkea‑taajuisiin sovelluksiin. Piin jälkeen GaN on yksi tärkeimmistä puolijohteista, ja sen käyttö laajenee kulutuselektroniikassa.

GaN tunnetaan erityisesti laajemmasta energiaraidastaan verrattuna piihin. Tämän seurauksena GaN‑laitteet voivat käsitellä suurempia tehopitoisuuksia, mikä johtaa pienempiin ja kevyempiin rakenteisiin sekä tarjoaa korkeamman tehokkuuden ja paremman luotettavuuden.

Nykyisissä viidennen sukupolven viestintäjärjestelmissä nämä laitteet nousevat yhä enemmän uudeksi standardiksi. Nyt tutkijat tutkivat niitä 6G‑mobiili- ja langattoman infrastruktuurin sovelluksissa.

Korkean lähtötehon ja korkean taajuuden operatiivisuuden ansiosta gallium-nitridi‑pohjaiset korkean elektronin liikkuvuuden transistorit (HEMT) ovat mullistaneet langattoman ja sotilasviestinnän.

Tämä johtuu pääasiassa materiaaliparametreista, kuten korkeasta kriittisestä sähkökentästä, hyvästä huoneenlämpötilan liikkuvuudesta ja korkeasta kyllästymisnopeudesta. Kenttälevyn suunnittelun innovaatiot ovat parantaneet GaN‑HEMT:ien suorituskykyä entisestään, saavuttaen jopa 40 W mm⁻¹ 4 GHz‑taajuudella ja 60 % lisäteho‑tehokkuuden.

Mutta tämä ei riitä tulevien sovellusten mahdollistamiseen. GaN:n on oltava vielä nopeampi ja luotettavampi sekä tuottava suurempaa tehoa, jotta kuudennen sukupolven langaton viestintä voidaan toteuttaa.

Lähtötehon parannuksia tarvitaan signaalin eheyden ylläpitämiseksi pitkillä etäisyyksillä, ja kunnianhimoiset hankkeet ovat jo asettaneet tavoitteeksi 81 W mm⁻¹.

Tätä taustaa vasten kansainvälinen insinööri‑ ja tiedehenkilöstön tiimi kehitti ja testasi uuden arkkitehtuurin, joka lisäsi erityisten GaN‑vahvistimien kykyjä.

Tällaiset tulokset saatiin löytämällä GaN:ssä latch‑efekti, joka avasi erittäin korkean radiotaajuuslaitteen suorituskyvyn. Tämä seuraavan sukupolven laite käyttää rinnakkaisia kanavia, jotka vaativat alle 100 nm sivuhylsyt, eräänlaisia transistoreita, jotka ohjaavat laitteen läpi kulkevan virran virtausta.

Viimeisimmässä tutkimuksessa tiimi käytti yli 1000 hylsytä, joiden leveys on alle 100 nm SLCFET:eissa, virran ohjaamiseksi. Yhteisjohtavan tekijän, tohtori Akhil Shaji, kunniatohtori Bristolin yliopistossa, mukaan:

“Olemme pilotoineet laitteistoteknologiaa, yhteistyössä kumppaneiden kanssa, nimeltään superlattice‑kasteleoidut kenttävaikutustransistorit (SLCFET).”

GaN‑pohjaiset SLCFET:t voivat mahdollistaa korkean lähtötehotavoitteiden (81 W mm⁻¹) saavuttamisen, joita projektit asettavat. SLCFET:t, joissa on jopa kymmenen pinottua kaksidimensionaalista elektronikaasukanavaa (2DEG), voivat todellisuudessa tarjota kymmenkertaisen lisäyksen varauksenkantajissa verrattuna yksikanavaisiin GaN‑HEMT:eihin.

Uuden arkkitehtuurin, tutkimuksen mukaan, etuna on matala kynnysjännite, mikä tekee siitä täydellisen suurten lähtöjännite‑swingien ja korkean virrantiheyden yhdistämiseen.

SLCFET:t ovat osoittaneet yli 10 W mm⁻¹ lähtötehoa 94 GHz‑taajuudella 12 V:n dräniöjännitteellä ja yli 40 % lisäteho‑tehokkuudella, tukena virrantiheys 4,8 A mm⁻¹, minimaalisella hajonnalla ja virran romahtamisella.

Tässä tehoissa haasteena on lämmönhallinta ilman laitteen jalanjäljen kasvattamista. Vaikka tehoa voidaan lisätä nostamalla dräniöjännitettä (VDS), iskun ionisaatio voi heikentää SLCFET:n ominaisuuksia.

Seuraavaksi on transistorin latch‑tila. Tässä laite pysyy päällä, vaikka sen portti olisi asetettu pois päältä (VGS), ilmiö, joka on hyvin tunnettu piipohjaisissa laitteissa. Kuitenkin GaN:n korkea energiaraja minimoi iskun ionisaation. Tutkijat ovat aiemmin vahvistaneet iskun ionisaation esiintymisen SLCFET:ien päällä-tilassa.

GaN‑suorituskyvyn parantaminen latch‑efektin avulla

Alumiini‑gallium‑nitridi (AlGaN) tai gallium‑nitridi (GaN)‑pohjaiset SLCFET:t lupaavat toimia perustana korkea‑teho RF‑vahvistimille ja kytkimille tulevaisuuden kehittyneissä tutka‑järjestelmissä.

Nämä transistorit ovat osoittaneet parhaan suorituskyvyn W‑kaistalla, joka kattaa 75 GHz–110 GHz. Tämän taustalla oleva tiede oli tähän mennessä tuntematon.

Tutkimuksen mukaan, joka on julkaistu Nature Electronics¹, kyseessä on “latch‑efekti GaN:ssä, joka mahdollistaa korkean radiotaajuus‑suorituskyvyn.”

Kun efekti on nyt tunnistettu, tiimi pyrki selvittämään, missä se tarkalleen tapahtuu. He käyttivät erittäin tarkkoja sähköisiä mittauksia ja optista mikroskopiaa samanaikaisesti tutkiakseen efektiä tarkemmin ja ymmärtääkseen sen paremmin.

Analysoituani yli 1 000 hylsyt, tutkijat löysivät efektin leveimmästä hylsystä. Havainnon vahvistamiseksi tiimi rakensi 3D‑mallin simulaattorin avulla.

“Virta‑jännite‑mittaukset, simulaatiot ja korreloitu elektroluminesenssi latch‑tilassa osoittavat, että finleveyteen riippuva paikallinen iskun ionisaatio aiheuttaa latch‑efektin,” tutkimus totesi, lisäten että tämä paikallistuminen johtuu finleveyden vaihtelusta, joka johtuu valmistusprosessin variabiliteetista.

Seuraavaksi tiimi käsitteli efektin luotettavuusnäkökulmia käytännön sovelluksissa. Laitteen perusteellinen pitkän aikavälin testaus osoitti, että latch‑efekti ei vaikuta haitallisesti laitteen suorituskykyyn tai luotettavuuteen.

Tutkimuksen mukaan latch‑tila on käännettävissä eikä heikennä laitetta, ja se voi parantaa transistorien transkonduktanssikäyttäytymistä, mikä viittaa parantuneeseen lineaarisuuteen ja tehoon radiotaajuus‑vahvistimissa.

“Löysimme, että tämän luotettavuuden avaintekijä oli ohut dielektrinen kerros jokaisen hylsyn ympärillä.”

– Professori Kuball, Royal Academy of Engineeringin tulevien teknologioiden puheenjohtaja

Johdattamalla Laitteiden Termografi‑ ja Luotettavuuskeskusta (CDTR), Kuball auttaa kehittämään seuraavan sukupolven puolijohdeelektronisia laitteita viestintä‑ ja tutkateknologiaa varten sekä saavuttamaan nettonollapäästöt. CDTR työskentelee myös laitteen lämmönhallinnan, sähköisen suorituskyvyn ja luotettavuuden parantamiseksi laajojen ja ultra‑laajojen energiarajojen puolijohteiden avulla.

Tutkimuksen tärkein opetus, jonka Kuball totesi, oli “selvä – latch‑efektiä voidaan hyödyntää lukemattomissa käytännön sovelluksissa, jotka voivat muuttaa ihmisten elämää monin eri tavoin tulevina vuosina.”

Tulevassa työssä tiimi keskittyy edelleen laitteiden tarjoaman tehopitoisuuden kasvattamiseen. Tämä mahdollistaa entistä korkeamman suorituskyvyn ja laajemman käyttäjäkunnan palvelemisen.

Lisäksi teollisuuden kumppanit auttavat saattamaan nämä seuraavan sukupolven laitteet kaupallisesti saataville.

Sijoita puolijohdeinnovaatiot

Kun puhutaan sijoittamisesta GaN‑teknologiaan, MACOM (MTSI ) on yksi harvoista Yhdysvaltain julkisista yhtiöistä, jotka tarjoavat suoraa altistusta tälle. Se hyödyntää sekä GaN‑on‑SiC‑ että GaN‑on‑Si‑prosessiteknologioita mahdollistaakseen seuraavan sukupolven järjestelmäarkkitehtuurit laajalla sovellusalueella. Yritys tarjoaa innovatiivisia hiljaisia vahvistimia, GaN‑teho‑vahvistimia ja kytkimiä, jotka kattavat taajuudet DC:stä yli 100 GHz:iin.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings on korkean suorituskyvyn puolijohde‑tuotteiden valmistaja telekommunikaatiolle sekä muille toimialoille.

Yritys palvelee yli 6 000 asiakasta vuosittain laajan tuotevalikoimansa avulla, joka sisältää analogi‑, mikroaalt‑, radio‑taajuus‑ (RF‑), sekasignaali‑ ja optisia puolijohdeteollisuuksia. MACOM erikoistuu sovelluksiin, yhdistepuolijohteiden valmistukseen, mukaan lukien GaAs, GaN, InP ja erikoistunut pii, analogi‑ ja sekasignaali‑piirisuunnitteluun, edistyneeseen pakkaamiseen sekä takapään kokoonpanoon ja testaukseen.

Yritys on saanut useita sertifikaatteja, mukaan lukien AS9100D -avaruusteollisuuden standardi, IATF16949 -autoteollisuuden standardi, ISO9001 -kansainvälinen laatu­standardi ja ISO14001 -ympäristö­hallinnan standardi.

Kun tarkastellaan MCOM:n markkinasuorituskykyä, jonka markkina‑arvo on 9 miljardia dollaria, MTSI‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 123,41 $. Vaikka MTSI on tänä vuonna laskenut 6,37 %, se on noussut 46,7 % huhtikuun alun alimmasta tasosta ja on vain noin 15,5 % päässä tammikuussa saavutetusta huippuarvosta. Tämän myötä sen EPS (TTM) on -1,22 ja P/E (TTM) on -99,66.

Yrityksen taloustietojen osalta MACOM raportoi äskettäin tulokset tilikauden toiselle neljännekselle, joka päättyi 4. huhtikuuta 2025, ja jonka liikevaihto oli 235,9 miljoonaa dollaria, 30,2 % kasvu edellisvuoden vastaavasta neljänneksestä.

Liiketoiminnan tulos oli 34,9 miljoonaa dollaria, eli 14,8 % liikevaihdosta, kun taas nettotulos oli 31,7 miljoonaa dollaria, eli 0,42 $ per laimennettu osake. Bruttokate nousi tällä kaudella 2,7 %:lla 55,2 %:iin, ja korjattu bruttokate nousi 0,4 %:lla 57,5 %:iin.

Kommentoidessaan yhtiön “vankkaa Q2‑suorituskykyä”, presidentti ja toimitusjohtaja Stephen G. Daly kiitti “poikkeuksellista tiimityötä koko MACOM‑organisaatiossa” tämän menestyksen mahdollistamisesta.

Nämä luvut seurasivat “hyvää aloitusta” tilikauden Q1‑kaudelle, jossa Daly totesi, että yhtiön fokus jatkuu asiakkaiden palvelemisessa ja “vahvemman, laajemman ja kilpailukykyisemmän tuoteportfolion rakentamisessa.”

Vuoden 1Q25 liikevaihto oli 218,1 miljoonaa dollaria, mikä nousi 38,8 % edellisvuoden 1Q24:stä, ja liiketoiminnan tulos oli 17,5 miljoonaa dollaria, eli 8 % liikevaihdosta. Edellisellä neljänneksellä yhtiö ilmoitti nettotappioksi 167,5 miljoonaa dollaria, eli 2,30 $ tappiota per laimennettu osake, johtuen kertaluonteisesta 193,1 miljoonan dollarin tappiosta velan poistoista.

Nyt, tilikauden kolmannelle neljännekselle, joka päättyy 4. heinäkuuta 2025, MACOM ennustaa liikevaihdoksi 246–254 miljoonaa dollaria. Se odottaa korjatun bruttokateprosentin olevan 56,5 %–58,5 % ja korjatun tuloksen per laimennettu osake olevan 0,87–0,91 $, käyttäen 3 %:n ei‑GAAP‑veroprosenttia ja 76,5 miljoonaa täysin laimennettua osaketta.

Kaiken tämän keskellä MACOM jatkoi liiketoimintansa laajentamista investointien avulla.

Tänä tammikuussa MACOM ilmoitti strategisesta suunnitelmastaan investoida jopa 345 miljoonaa dollaria viiden vuoden aikana Massachusettsin ja Pohjois‑Carolinan wafer‑valmistuslaitoksiin. Investoinnin tavoitteena on modernisoida olemassa olevat laitokset ja ottaa käyttöön kehittyneet valmistuskapasiteetit RF‑, mikroaalto‑ ja millimetriaalto‑tekniikoille, jotta MACOM:n tuotevalikoimaa voidaan laajentaa datakeskuksiin, telekommunikaatioon ja puolustusteollisuuteen.

Massachusettsin laitoksessaan yritys asentaa 150 mm GaN‑on‑SiC -valmistuskapasiteetin.

“Tämä suunnitelma vahvistaa MACOM:n kotimaista puolijohdevalmistuskapasiteettia,” sanoi Daly, lisäten että se myös nopeuttaa yhtiön kasvustrategiaa.

Tätä aloitetta tukee alustava sopimus CHIPS‑ohjelmaosaston kanssa, joka on varannut yhteensä 39 miljardia dollaria kannustimia investointeihin laitoksissa ja laitteissa Yhdysvalloissa. Se ehdottaa 180 miljoonaa dollaria rahoitusta ja verohyvityksiä MACOM:lle CHIPS‑ ja Science‑lainsäädännön puitteissa.

Muutama kuukausi ennen tätä MACOM hankki fabless‑puolijohdeyrityksen nimeltä ENGIN‑IC, joka suunnittelee kehittyneitä GaN‑MMIC:eja (monoliittisia mikroaalto‑integroituja piirejä) tavoitteenaan palvella paremmin kohdemarkkinoita ja kasvattaa markkinaosuuttaan.

ENGIN‑IC:n fokus on itse asiassa Yhdysvaltain puolustusteollisuuden palveleminen, ja sillä on yli 60 standardi‑MMIC‑tuotetta sekä lukuisia räätälöityjä MMIC:eja.

“ENGIN‑IC:n poikkeuksellinen laajakaista‑ ja korkea‑teho‑MMIC‑ ja moduulisuunnittelun asiantuntemus mahdollistaa meille paremman tuen yhteisille asiakkaillemme,” sanoi Daly tuolloin, kun ENGIN‑IC:n perustaja ja CTO Stephen Nelson ilmaisi innostuksensa “osallistua MACOM:n pyrkimyksiin johtaa alaa GaN‑puolijohdeprosesseissa ja -tuotteissa.”

Yhteenveto

6G on seuraavan sukupolven teknologia langattomaan viestintään, joka lupaa entistä nopeampia nopeuksia ja tehokkaampaa viestintää. Tämän globaalin viestinnän, automaation ja immersiivisten virtuaalikokemusten tulevaisuuden toteuttaminen riippuu kuitenkin puolijohteiden edistysaskeleista. Puolijohdemateriaali GaN, jonka ainutlaatuiset ominaisuudet – korkeampi nopeus, alhaisempi resistanssi ja korkeampi läpimurtajännite – osoittavat sen potentiaalin mullistaa elektroniikkaa ja viestintää.

Viimeisin läpimurto GaN‑pohjaisissa SLCFET:eissa, jotka hyödyntävät uusia transistorirakenteita ja paljastavat latch‑efektin mekanismit, työntää rajoja siitä, mitä on mahdollista korkea‑taajuus‑puolijohteiden suorituskyvyssä.

Innovaatio tekee 6G:n toteuttamisen polusta selkeämmän kuin koskaan paljastaen sekä skaalautuvan suorituskyvyn että vahvan luotettavuuden.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista puolijohde‑laitteiden osakkeista.

Viitteet:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & muut. (2025). Gallium-nitridi monikanavaiset laitteet latch‑indusoiduilla alle‑60‑mV‑per‑dekadi -kynnysjännite‑kalvoilla radiotaajuussovelluksiin. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5