De 6G-revolutie ontgrendelen met volgende‑generatie GaN‑halfgeleiders

Halfgeleiders vormen de basis van elektronische en Internet of Things (IoT) apparaten en telecommunicatie‑apparatuur.

Het zijn materialen die de stroom van elektrische lading regelen. Hun unieke eigenschap, een geleidbaarheid die tussen die van een geleider en een isolator ligt, maakt ze tot een cruciaal onderdeel in componenten zoals diodes, transistoren en geïntegreerde schakelingen.

De vraag naar halfgeleiders stijgt snel. Ze worden gebruikt in smartphones, computers, huishoudelijke apparaten, medische apparatuur en gaming‑hardware. Daarnaast stimuleert de groeiende populariteit en het gebruik van kunstmatige‑intelligentie (AI) de vooruitgang in chip‑ontwikkeling en verhoogt de productie van halfgeleiders.

Het gestage tempo van de 5G‑uitrol is een extra factor die de gezonde vraagtrend voor halfgeleiderchips aandrijft.

De “vijfde generatie” van mobiele netwerktechnologie, die sinds 2019 door mobiele operators wereldwijd wordt ingezet, biedt hogere downloadsnelheden en lagere latentie, waardoor bijna onmiddellijke communicatie mogelijk is.

De ultralage latentie en hoge betrouwbaarheid van 5G zijn van cruciaal belang voor high‑tech vooruitgang. Het 5G‑netwerk zelf vertrouwt op halfgeleiders om deze voordelen te leveren.

Halfgeleidercomponenten zijn hier nodig om signalen die data dragen te verwerken. Van basisstations tot smartphones en IoT‑apparaten, het zijn de chips die snelle signaalverwerking, breedband‑radiofrequentie‑overdracht (RF) en veilige connectiviteit mogelijk maken.

Hoewel 5G zich nog in de uitrolfase bevindt, bespreken marktspelers al de ontwikkeling van de zesde generatie (6G). Dit vereist echter aanzienlijke vooruitgang in halfgeleidertechnologie die extreem lage latentie, ultrahoge datasnelheden, hoge energie‑efficiëntie, ondersteuning voor terahertz‑frequenties (THz) en, uiteraard, massale connectiviteit aankan.

Terwijl bedrijven en onderzoekers werken aan het verbeteren van de mogelijkheden van halfgeleiders, toont een recente doorbraak in de technologie een enorm potentieel om de manier waarop we communiceren te transformeren.

Door 6G van mobiele netwerken een supersnelle snelheid te geven, efficiëntere communicatie en een veel bredere dekking dan de huidige generatie (5G), belooft deze nieuwste vooruitgang een toekomst die veel science‑fiction tot realiteit maakt.

Futuristische concepten zoals het voelen van de aanraking van je dierbaren die aan de andere kant van het continent wonen of direct een medische diagnose krijgen zonder je huis te verlaten, hangen allemaal af van de mogelijkheid om enorme hoeveelheden data veel sneller over te dragen dan de huidige netwerken aankunnen.

Fysici van de Universiteit van Bristol hebben een nieuwe manier gevonden om dit proces te versnellen.

“Binnen het komende decennium zullen voorheen bijna onvoorstelbare technologieën die een breed scala aan menselijke ervaringen kunnen transformeren, breed beschikbaar zijn.”

– Co‑lead auteur Martin Kuball, professor fysica aan de Universiteit van Bristol.

Over de mogelijke voordelen, die hij “verreikend” noemt, sprak Kuball over vooruitgang in de gezondheidszorg met remote diagnostiek en chirurgie, virtuele klaslokalen, virtueel vakantietoerisme, industriële automatisering voor grotere efficiëntie en geavanceerde bestuurdersassistentiesystemen (ADAS) om de verkeersveiligheid te verbeteren.

“De lijst met mogelijke 6G‑toepassingen is eindeloos, de enige limiet is de menselijke verbeelding. Onze innovatieve halfgeleiderontdekkingen zijn daarom enorm spannend en zullen deze ontwikkelingen versneld en op schaal voortstuwen.”

– Kuball 

Wat deze verschuiving naar 6G vereist, is een radicale upgrade van halfgeleidertechnologie, systemen, schakelingen en bijbehorende algoritmen. 

De opkomst van op GaN‑gebaseerde transistoren

In de snel voortschrijdende halfgeleidersector wordt gallium‑nitride (GaN) gebruikt als het belangrijkste halfgeleideronderdeel.

Dit samengestelde halfgeleider is zeer hard, mechanisch stabiel en heeft een brede bandgap, waardoor het geschikt is voor toepassingen met hoge vermogens en hoge frequenties. Na silicium is GaN een van de meest kritische halfgeleiders en wordt het steeds breder toegepast in consumentenelektronica.

GaN staat bekend om een bredere bandgap dan silicium. Daardoor kunnen GaN‑apparaten hogere vermogensdichtheden aan, wat leidt tot kleinere en lichtere ontwerpen en hogere efficiëntie en betere betrouwbaarheid biedt.

In de huidige vijfde‑generatie communicatiesystemen worden deze apparaten steeds meer de nieuwe norm. En nu onderzoeken onderzoekers het voor 6G‑mobiele en draadloze infrastructuurtoepassingen.

Dankzij hun hoge uitgangsvermogen en hoge frequentie‑operationele mogelijkheden hebben GaN‑gebaseerde high‑electron‑mobility transistors (HEMTs) de draadloze en militaire communicatie gerevolutioneerd.

Dit is voornamelijk te danken aan materiaaleigenschappen zoals een hoog kritisch elektrisch veld, goede mobiliteit bij kamertemperatuur en een hoge verzadigde snelheid. Innovaties in field‑plate‑ontwerp hebben de prestaties van GaN‑HEMTs nog verder verbeterd, met vermogens tot 40 W mm⁻¹ bij 4 GHz en een vermogens‑toegevoegde efficiëntie van 60 %.

Maar dit is niet genoeg om toekomstige toepassingen mogelijk te maken. GaN moet nog sneller en betrouwbaarder zijn, en meer vermogen uitstralen om de zesde generatie draadloze communicatie te ondersteunen.

Verbeteringen in uitgangsvermogen zijn nodig om signaalintegriteit over lange afstanden te behouden, waarbij ambitieuze projecten al doelen stellen om 81 W mm⁻¹ te bereiken.

Tegen deze achtergrond heeft een internationaal team van ingenieurs en wetenschappers een nieuwe architectuur ontwikkeld en getest die de mogelijkheden van speciale GaN‑versterkers vergroot.

Dergelijke resultaten werden behaald door een latch‑effect in GaN te vinden, wat een zeer hoog radiofrequentie‑apparaatprestaties ontsloot. Deze nieuwe generatie apparaten gebruikt parallelle kanalen die sub‑100 nm zij‑vinnen vereisen, een type transistor dat de stroom door de apparaten regelt.

In het nieuwste onderzoek gebruikte het team meer dan 1000 vinnen met een breedte van minder dan 100 nm in SLCFETs om de stroom te drijven. Volgens co‑lead auteur Dr. Akhil Shaji, Honorary Research Associate aan de Universiteit van Bristol:

“We hebben een apparaattechnologie gepionierd, in samenwerking met partners, genaamd superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).” 

GaN‑gebaseerde SLCFETs hebben het potentieel om de hoge uitgangsvermogen‑doelen (81 W mm⁻¹) van projecten te behalen. SLCFETs met tot tien gestapelde twee‑dimensionale elektrongas (2DEG) kanalen kunnen feitelijk een 10‑voudige toename in ladingsdragers leveren ten opzichte van enkel‑kanaal GaN‑HEMTs.

De nieuwe architectuur biedt volgens de studie een lage knikspanning, waardoor hij perfect is voor grote uitgangsspannings‑swing gecombineerd met een hoge stroomdichtheid.

SLCFETs hebben een uitgangsvermogen van meer dan 10 W mm⁻¹ bij 94 GHz met 12 V op de drain en meer dan 40 % vermogens‑toegevoegde efficiëntie laten zien, ondersteund door een stroomdichtheid van 4,8 A mm⁻¹ met minimale dispersie en stroom‑instorting.

Bij dit vermogen ontstaat de uitdaging in het beheersen van warmteafvoer, maar zonder de voetafdruk van het apparaat te vergroten. Terwijl het vermogen kan worden verhoogd door de drain‑spanning (VDS) te verhogen, kan impact‑ionisatie de kenmerken van SLCFETs verslechteren.

Dan is er transistor‑latching. Hierbij blijft het apparaat in de aan‑toestand ondanks een uit‑toestand gate‑bias (VGS), een effect dat goed bekend is in silicium‑gebaseerde apparaten. Echter, de hoge bandgap van GaN minimaliseert impact‑ionisatie. De onderzoekers hebben eerder de aanwezigheid van impact‑ionisatie bevestigd in de aan‑toestand werking van SLCFETs.

GaN‑prestaties verbeteren via het latch‑effect

Aluminium‑gallium‑nitride (AlGaN) of gallium‑nitride (GaN)‑gebaseerde SLCFETs tonen potentieel als basis voor hoog‑vermogen RF‑versterkers en schakelaars in geavanceerde radars van de toekomst.

Deze transistoren hebben de beste prestaties laten zien in het W‑band frequentiebereik, van 75 GHz tot 110 GHz. De wetenschap erachter was echter tot nu toe onbekend.

Volgens de studie gepubliceerd in het journal Nature Electronics¹, is het “een latch‑effect in GaN, dat de hoge radiofrequentie‑prestaties mogelijk maakt.”

Nu het effect is herkend, ging het team onderzoeken waar het precies optreedt. Ze gebruikten ultra‑precisie elektrische metingen en optische microscopie gelijktijdig om het effect verder te bestuderen en beter te begrijpen.

Na het analyseren van meer dan 1.000 vinnen lokaliseerden de onderzoekers het effect op de breedste vin. Om de observaties verder te verifiëren, bouwde het team een 3D‑model met een simulator.

“Stroom‑spanning‑metingen, simulaties en gecorreleerde elektroluminescente emissie bij de latch‑conditie geven aan dat het triggeren van fin‑breedte‑afhankelijke gelokaliseerde impact‑ionisatie verantwoordelijk is voor het latch‑effect,” noteerde de studie, en voegde toe dat deze lokalisatie wordt veroorzaakt door variatie in fin‑breedte, wat voortkomt uit variabiliteit in het fabricageproces.

Vervolgens pakte het team de betrouwbaarheid van het effect voor praktische toepassingen aan. De rigoureuze test van het apparaat over een lange periode toonde aan dat het latch‑effect geen nadelige invloed heeft op de prestaties of betrouwbaarheid van het apparaat.

De latch‑conditie, volgens de studie, is zowel omkeerbaar als niet‑degradend en kan leiden tot verbetering van de transconductantie‑kenmerken van transistoren, wat duidt op verbeterde lineariteit en vermogen in radiofrequentie‑versterkers.

“We ontdekten dat een dunne laag dielektrische coating rond elke vin een cruciale factor is die deze betrouwbaarheid aandrijft.”

– Professor Kuball, de Royal Academy of Engineering Chair in Emerging Technologies

Als leider van het Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR) helpt Kuball bij het ontwikkelen van volgende‑generatie halfgeleider‑elektronische apparaten voor communicatie‑ en radartechnologie, en om netto‑nul emissies te bereiken. CDTR werkt ook aan het verbeteren van de thermische beheersing van het apparaat, de elektrische prestaties en de betrouwbaarheid via brede en ultrabrede bandgap‑halfgeleiders.

De belangrijkste conclusie van het onderzoek, aldus Kuball, was “duidelijk – het latch‑effect kan worden benut voor talloze praktische toepassingen, die de levens van mensen op vele verschillende manieren in de komende jaren kunnen transformeren.”

In toekomstig werk zal het team zich richten op het verder verhogen van de vermogensdichtheid die de apparaten kunnen leveren. Dit zal hen in staat stellen nog hogere prestaties te bieden en een breder publiek te bedienen.

Bovendien zullen industriële partners helpen deze volgende‑generatie apparaten commercieel beschikbaar te maken.

Investeren in halfgeleiderinnovatie

Als het gaat om investeren in GaN‑technologie, is MACOM (MTSI ) een van de weinige Amerikaanse beursgenoteerde bedrijven die directe blootstelling bieden. Het maakt gebruik van zowel GaN‑on‑SiC als GaN‑on‑Si proces‑technologieën om volgende‑generatie systeemarchitecturen mogelijk te maken over een breed scala aan toepassingen. Het bedrijf biedt innovatieve laag‑ruis versterkers, GaN‑versterkers en schakelaars die frequenties bestrijken van DC tot meer dan 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings is een fabrikant van high‑performance halfgeleiderproducten voor telecommunicatie en andere industrieën.

Het bedrijf bedient jaarlijks meer dan 6.000 klanten met een breed productportfolio dat analoge, microgolf‑, radiofrequentie‑ (RF), mixed‑signal‑ en optische halfgeleidertechnologieën omvat. MACOM specialiseert zich in applicatie‑ en samengestelde halfgeleiderfabricage, inclusief GaAs, GaN, InP en gespecialiseerde silicium, analoge en mixed‑signal circuit‑ontwerpen, geavanceerde verpakking, en back‑end assemblage en test.

Het bedrijf heeft verschillende certificeringen behaald, waaronder de AS9100D‑luchtvaartstandaard, de IATF16949‑automotive‑standaard, de ISO9001‑internationale kwaliteitsstandaard en de ISO14001‑milieumanagementstandaard.

Met een marktkapitalisatie van $9 billion worden MTSI‑aandelen momenteel verhandeld tegen $123,41. Terwijl MTSI dit jaar tot nu toe 6,37 % is gedaald, is het 46,7 % gestegen ten opzichte van het dieptepunt begin april en ligt het nog ongeveer 15,5 % onder de piek die het in januari van dit jaar bereikte. Het EPS (TTM) is -1,22 en de P/E (TTM) is -99,66.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde MACOM recent resultaten voor het fiscale tweede kwartaal eindigend op 4 april 2025, waarin een omzet van $235,9 million werd genoteerd, een stijging van 30,2 % ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar.

De operationele winst bedroeg $34,9 million, of 14,8 % van de omzet, terwijl de nettowinst $31,7 million was, of $0,42 per verwaterde aandeel. De brutomarge steeg in deze periode met 2,7 % naar 55,2 %, terwijl de aangepaste brutomarge met 0,4 % steeg naar 57,5 %.

President en CEO Stephen G. Daly prees de “uitstekende teamwork over de gehele MACOM‑organisatie” als reden voor de “solide Q2‑prestaties”.

Deze cijfers volgden op een “goede start” van het fiscale jaar in Q1, waarin Daly zei dat de focus van het bedrijf blijft liggen op het bedienen van klanten en “het bouwen van een sterker, breder en concurrerender productportfolio.”

In 1Q25 bedroeg de omzet van MACOM $218,1 million, een stijging van 38,8 % ten opzichte van 1Q24, en de operationele winst was $17,5 million, of 8 % van de omzet. In het voorgaande kwartaal rapporteerde het bedrijf een nettoverlies van $167,5 million, of $2,30 verlies per verwaterd aandeel, door een eenmalig verlies van $193,1 million op het afschrijven van schulden.

Voor het fiscale derde kwartaal eindigend op 4 juli 2025 voorspelt MACOM een omzet tussen $246 million en $254 million. Het verwacht een aangepaste brutomarge tussen 56,5 % en 58,5 % en aangepaste winst per verwaterd aandeel tussen $0,87 en $0,91, met een niet‑GAAP‑inkomstenbelastingtarief van 3 % en 76,5 million volledig verwaterde uitstaande aandelen.

Te midden van dit alles bleef MACOM zijn bedrijf uitbreiden via investeringen. In januari dit jaar kondigde MACOM een strategisch plan aan om tot $345 million te investeren over een periode van vijf jaar in zijn wafer‑fabricagefaciliteiten in Massachusetts en North Carolina. Het doel van de investering is het moderniseren van bestaande faciliteiten en het introduceren van geavanceerde productietechnologieën voor RF, microgolf‑ en millimetergolf‑technologieën om het productaanbod van MACOM voor datacenters, telecommunicatie en defensie‑industrieën te verbeteren.

Specifiek in de faciliteit in Massachusetts zal het bedrijf een 150 mm GaN‑on‑SiC productiekapaciteit installeren.

“Dit plan zal de binnenlandse halfgeleiderproductiecapaciteit van MACOM versterken,” zei Daly, en voegde toe dat het ook de groeistrategie van het bedrijf zal versnellen.

Dit initiatief wordt ondersteund door een voorlopige overeenkomst met het CHIPS Program Office, dat in totaal $39 billion heeft toegekend om incentives te bieden voor investeringen in faciliteiten en apparatuur in de VS. Het stelt $180 million aan financiering en belastingkredieten voor MACOM onder de CHIPS‑en‑Science‑Act voor.

Enkele maanden daarvoor verwierf MACOM een fabless halfgeleiderbedrijf genaamd ENGIN‑IC, dat geavanceerde GaN‑MMICs (monolithische microgolf‑geïntegreerde schakelingen) ontwerpt met als doel beter te bedienen in de doelmarkten en een groter marktaandeel te verwerven.

De focus van ENGIN‑IC ligt daadwerkelijk op het bedienen van de Amerikaanse defensie‑industrie en beschikt over een productportfolio van meer dan 60 standaard‑MMICs en nog veel meer maat‑MMICs.

“De uitzonderlijke breedband‑ en hoge‑efficiëntie‑MMIC‑ en module‑ontwerpsexpertise van ENGIN‑IC zal ons in staat stellen onze wederzijdse klanten beter te ondersteunen,” zei Daly destijds, terwijl ENGIN‑IC‑medeoprichter en CTO Stephen Nelson zijn enthousiasme uitsprak om “deel uit te maken van MACOM’s inspanningen om de industrie te leiden in GaN‑halfgeleiderprocessen en -producten.”

Conclusie

6G is de volgende generatie technologie voor draadloze communicatie die nog snellere snelheden en efficiëntere communicatie belooft. Het realiseren van deze toekomst van wereldwijde communicatie, automatisering en meeslepende virtuele ervaringen hangt echter af van vooruitgang in halfgeleiders. Het halfgeleidermateriaal GaN, met zijn unieke eigenschappen van hogere snelheid, lagere weerstand en hogere doorbraakspanning, toont zijn potentieel om elektronica en communicatie te revolutioneren.

De nieuwste doorbraak in op GaN‑gebaseerde SLCFETs, die profiteert van de nieuwe transistor‑architecturen en de mechanica van het latch‑effect onthult, verlegt de grenzen van wat mogelijk is in high‑frequency halfgeleiderprestaties.

De innovatie maakt de weg naar een realistische 6G‑toekomst duidelijker dan ooit door zowel schaalbare prestaties als robuuste betrouwbaarheid te onthullen.

Klik hier voor een lijst van top halfgeleiderapparatuuraandelen.

Studies geraadpleegd:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch‑induced sub‑60‑mV‑per‑decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5