Låser opp 6G-revolusjonen med neste generasjons GaN-halvledere

Halvledere er grunnlaget for elektroniske og Internet of Things (IoT)-enheter og telekommunikasjonsutstyr.

De er materialer som kontrollerer strømmen av elektrisk strøm. Deres unike egenskap med ledningsevne mellom en leder og en isolator gjør dem til en nøkkelkomponent i enheter som dioder, transistorer og integrerte kretser.

Etterspørselen etter halvledere øker raskt. De brukes i smarttelefoner, datamaskiner, husholdningsapparater, medisinsk utstyr og spillmaskinvare. I tillegg øker populariteten og bruken av kunstig intelligens (AI)-teknologier, som ytterligere driver frem fremskritt i chiputvikling og øker produksjonen av halvledere.

Den jevne utrullingen av 5G er enda en faktor som driver de sunne etterspørselstrendene for halvlederbrikker.

Den «femte generasjonen» av mobilnettverksteknologi, som har blitt distribuert av mobiloperatører verden over siden 2019, tilbyr høyere nedlastingshastigheter og lavere latens, noe som gjør kommunikasjon nesten umiddelbar.

Den ultralave latensen og høye påliteligheten til 5G er ekstremt viktig for høyteknologiske fremskritt. 5G-nettverket er avhengig av halvledere for å levere fordelene.

Halvlederkomponenter er nødvendige her for å behandle signaler som bærer data. Fra basestasjoner til smarttelefoner og IoT-enheter er de brikkene som muliggjør rask signalbehandling, bredbånds radiofrekvens (RF)-overføring og sikker tilkobling.

Mens 5G fortsatt er i utrullingsfasen, har aktører i bransjen allerede begynt å diskutere utviklingen av den sjette generasjonen (6G). Dette krever imidlertid betydelige fremskritt i halvlederteknologi som kan håndtere ekstremt lav latens, ultra-høye datahastigheter, høy energieffektivitet, støtte for terahertz (THz)-frekvenser, og selvfølgelig massiv tilkobling.

Etter hvert som selskaper og forskere arbeider med å forbedre halvlederkapasiteter, viser et nylig gjennombrudd i teknologi et enormt potensial for å transformere måten vi kommuniserer på.

Ved å superlade 6G-mobilnettverket for å tilby raskere hastigheter, mer effektiv kommunikasjon og mye bredere dekning enn den nåværende generasjonen (5G), lover dette siste fremskrittet en fremtid som vil gjøre mye science fiction til virkelighet.

Futuristiske konsepter som å føle berøringen av dine kjære som bor på andre kontinent, eller å få en helsediagnose umiddelbart uten å måtte gå ut av hjemmet, avhenger alle av evnen til å kommunisere og overføre massive mengder data med en mye raskere hastighet enn dagens nettverk kan håndtere.

Fysikere fra University of Bristol har funnet en ny måte å akselerere prosessen for å oppnå dette.

«Innenfor det neste tiåret kan tidligere nesten utenkelige teknologier som transformerer et bredt spekter av menneskelige opplevelser bli allment tilgjengelige.»

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

Når han snakker om de mulige fordelene, som han bemerket er «vidtrekkende», peker Kuball på fremskritt innen helsevesenet med fjern‑diagnostikk og kirurgi, virtuelle klasserom, virtuell ferieturisme, industriell automatisering for større effektivitet, og avanserte førerassistansesystemer (ADAS) for å forbedre trafikksikkerheten.

«Listen over mulige 6G‑applikasjoner er uendelig, med grensen kun menneskelig fantasi. Så våre innovative halvlederoppdagelser er enormt spennende og vil bidra til å drive disse utviklingene fremover med hastighet og skala.»

– Kuball

Det skiftet til 6G krever en radikal oppgradering av halvlederteknologi, systemer, kretser og tilhørende algoritmer.

Fremveksten av GaN-baserte transistorer

I den raskt fremadskridende halvledersektoren brukes galliumnitrid (GaN) som hovedkomponent i halvledere.

Dette sammensatte halvledermaterialet er svært hardt, mekanisk stabilt og har en bred båndgap, noe som gjør det egnet for høy‑effekt‑ og høy‑frekvens‑applikasjoner. Etter silisium er GaN et av de mest kritiske halvledermaterialene, og det får stadig bredere adopsjon i forbrukerelektronikk.

GaN er faktisk kjent for å ha et bredere båndgap sammenlignet med silisium. Som følge av dette kan GaN‑enheter håndtere høyere effekttettheter, noe som fører til mindre og lettere design, samt høyere effektivitet og bedre pålitelighet.

I dagens femte‑generasjons kommunikasjonsystemer blir disse enhetene i økende grad den nye standarden. Nå utforsker forskere dem også for 6G‑mobil‑ og trådløs infrastruktur.

Det er takket være deres høye utgangseffekt og høy frekvens‑operabilitet at GaN‑baserte high‑electron‑mobility‑transistorer (HEMTs) har revolusjonert trådløs og militær kommunikasjon.

Dette skyldes primært materialparametere som et høyt kritisk elektrisk felt, god mobilitet ved romtemperatur og høy metningshastighet. Innovasjoner i feltplate‑design har ytterligere forbedret GaN‑HEMT‑ers ytelse, med effekter på opptil 40 W mm⁻¹ ved 4 GHz og 60 % power‑added efficiency.

Men dette er ikke nok for fremtidige applikasjoner. GaN må bli enda raskere og mer pålitelig, samt avgi større effekt for å muliggjøre den sjette generasjonen av trådløs kommunikasjon.

Forbedringer i utgangseffekt er nødvendige for å opprettholde signalintegritet over lange avstander, og ambisiøse prosjekter har allerede satt mål om å oppnå 81 W mm⁻¹.

Mot denne bakgrunnen utviklet og testet et internasjonalt team av ingeniører og forskere en ny arkitektur som økte kapasiteten til spesielle GaN‑forsterkere.

Slike resultater ble oppnådd ved å finne en latch‑effekt i GaN, som låste opp svært høy radiofrekvens‑ytelse. Denne neste generasjonen av enheter bruker parallelle kanaler som krever side‑finner på under 100 nm, en type transistor som styrer strømmen gjennom enhetene.

I den nyeste forskningen brukte teamet over 1000 finner med en bredde på under 100 nm i SLCFET‑er for å drive strømmen. Ifølge medforfatter Dr. Akhil Shaji, æresforsker ved University of Bristol:

«Vi har pilotert en enhetsteknologi, i samarbeid med partnere, kalt superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).»

GaN‑baserte SLCFET‑er har potensial til å brukes for å nå de høye utgangseffekt‑målene (81 W mm⁻¹) som prosjektene har satt. SLCFET‑er med opptil ti stablede to‑dimensjonale elektron‑gass‑kanaler (2DEG) kan faktisk gi en 10‑ganger økning i ladningsbærere sammenlignet med enkelt‑kanal GaN‑HEMT‑er.

Den nye arkitekturen, ifølge studien, gir en lav kne‑spenning, noe som gjør den perfekt for store utslags‑spenninger kombinert med høy strøm‑tetthet.

SLCFET‑er har vist en utgangseffekt på over 10 W mm⁻¹ ved 94 GHz med 12 V på drain og over 40 % power‑added efficiency, støttet av en strøm‑tetthet på 4,8 A mm⁻¹ med minimal dispersjon og strøm‑kollaps.

Ved så høy effekt blir utfordringen å kontrollere varmetap, men uten å øke enhetens fotavtrykk. Selv om effekten kan økes ved å heve drain‑spenningen (VDS), kan impact‑ionisering forringe SLCFET‑ens egenskaper.

Deretter kommer transistor‑latching. Her forblir enheten i på‑tilstand til tross for at den er biasert med en av‑tilstand gate‑bias (VGS), en effekt som er godt kjent i silisium‑baserte enheter. GaNs høye båndgap minimerer imidlertid impact‑ionisering. Forskerne har tidligere bekreftet forekomsten av impact‑ionisering i SLCFET‑ers på‑tilstands‑operasjon.

Forbedring av GaN-ytelse gjennom latch‑effekten

Aluminium‑galliumnitrid (AlGaN) eller galliumnitrid (GaN)‑baserte SLCFET‑er viser lovende som grunnlag for høy‑effekt‑RF‑forsterkere og brytere i avanserte radarsystemer i fremtiden.

Disse transistorene har vist den beste ytelsen i W‑båndets frekvensområde, som er fra 75 GHz til 110 GHz. Vitenskapen bak dette var imidlertid ukjent frem til nå.

Ifølge studien publisert i tidsskriftet Nature Electronics¹ er det «en latch‑effekt i GaN, som muliggjør høy radiofrekvens‑ytelse.»

Med effekten nå anerkjent, gikk teamet videre for å finne akkurat hvor den oppstår. De brukte ultra‑presise elektriske målinger og optisk mikroskopi samtidig for å studere effekten nærmere og forstå den bedre.

Etter å ha analysert over 1 000 finner, lokaliserte forskerne effekten på den bredeste finnen. For å verifisere observasjonene ytterligere, bygde teamet en 3D‑modell ved hjelp av en simulator.

«Strøm‑spenning‑målinger, simuleringer og korrelert elektroluminisens‑utslipp ved latch‑tilstanden indikerer at utløsning av fin‑bredde‑avhengig lokalisert impact‑ionisering er ansvarlig for latch‑effekten,» bemerket studien, og la til at denne lokaliseringen tilskrives variasjon i fin‑bredde som følge av variasjon i fremstillingsprosessen.

Deretter taklet teamet pålitelighetsaspektene ved effekten for praktiske applikasjoner. Den grundige testing av enheten over lang tid viste at latch‑effekten ikke har noen skadelig innvirkning på enhetens ytelse eller pålitelighet.

Latch‑tilstanden, ifølge studien, er reversibel og ikke‑nedbrytende, og kan føre til forbedring av transistorenes transkonduktans‑karakteristikker, noe som innebærer forbedret linearitet og effekt i radiofrekvens‑forsterkere.

«Vi fant at en nøkkel‑faktor som driver denne påliteligheten var et tynt lag med dielektrisk belegg rundt hver av finnnene.»

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

Som leder for Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR) hjelper Kuball med å utvikle neste generasjons halvleder‑elektroniske enheter for kommunikasjon og radarteknologi, samt å oppnå netto‑null‑utslipp. CDTR arbeider også med å forbedre termisk styring av enheten, dens elektriske ytelse og pålitelighet gjennom brede og ultra‑brede båndgap‑halvledere.

Hovedpoenget i forskningen, bemerket Kuball, var «klart – latch‑effekten kan utnyttes for utallige praktiske applikasjoner, som kan bidra til å transformere menneskers liv på mange forskjellige måter i årene som kommer.»

I fremtidig arbeid vil teamet fokusere på ytterligere økning av effekt‑tettheten enhetene kan levere. Dette vil gjøre dem i stand til å tilby enda høyere ytelse og nå et bredere publikum.

I tillegg vil industripartnere bidra til å gjøre disse neste generasjons‑enhetene kommersielt tilgjengelige.

Invester i halvlederinnovasjon

Når det gjelder investering i GaN‑teknologi, er MACOM (MTSI ) ett av de få amerikanske børsnoterte selskapene som gir direkte eksponering mot dette. De bruker både GaN‑on‑SiC‑ og GaN‑on‑Si‑prosess‑teknologier for å muliggjøre neste generasjons systemarkitekturer på tvers av et bredt spekter av applikasjoner. Selskapet tilbyr innovative lav‑støy‑forsterkere, GaN‑effektforsterkere og brytere som dekker frekvenser fra DC til over 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings er en produsent av høy‑ytelses halvlederprodukter for telekommunikasjon så vel som andre industrier.

Selskapet betjener mer enn 6 000 kunder årlig med sin brede produktportefølje som inkluderer analoge, mikrobølge‑, radiofrekvens‑ (RF‑), mixed‑signal‑ og optiske halvlederteknologier. MACOM spesialiserer seg på applikasjons‑ og sammensatt halvleder‑fremstilling, inkludert GaAs, GaN, InP og spesialisert silisium, analog og mixed‑signal kretsdesign, avansert pakking, samt bak‑end montering og testing.

Selskapet har oppnådd flere sertifiseringer, inkludert AS9100D‑luftfartsstandarden, IATF16949‑bilstandard, ISO9001‑internasjonal kvalitetsstandard, og ISO14001‑miljøstyringsstandard.

Når det gjelder MCOMs markedsytelse, har selskapet en markedsverdi på 9 milliarder dollar, og MTSI‑aksjene handles for øyeblikket til 123,41 $. Mens MTSI er ned 6,37 % så langt i år, er den opp 46,7 % fra sitt tidlige‑april‑minimum og kun omtrent 15,5 % fra toppen den nådde i januar. EPS (TTM) er –1,22 og P/E (TTM) er –99,66.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte MACOM nylig resultater for andre kvartal 2025 som sluttet 4. april 2025, med en inntekt på 235,9 millioner dollar, en økning på 30,2 % fra samme kvartal året før.

Driftsinntekt var 34,9 millioner dollar, eller 14,8 % av inntektene, mens nettoresultatet var 31,7 millioner dollar, eller 0,42 $ per utvannet aksje. Bruttomarginen i denne perioden økte med 2,7 % til 55,2 %, mens justert bruttomargin steg med 0,4 % til 57,5 %.

I kommentaren om selskapets «solide Q2‑resultat», roste president og administrerende direktør Stephen G. Daly den «eksepsjonelle team‑arbeidet på tvers av hele MACOM‑organisasjonen» som muliggjorde suksessen.

Disse tallene fulgte en «god start» på regnskapsåret i Q1, hvor Daly sa at selskapets fokus fortsatt er på å betjene kunder og «bygge en sterkere, bredere og mer konkurransedyktig produktportefølje».

I 1Q25 var MACOMs inntekt 218,1 millioner dollar, en økning på 38,8 % fra 1Q24, og driftsinntekten var 17,5 millioner dollar, eller 8 % av inntektene. I forrige kvartal rapporterte selskapet faktisk et netto tap på 167,5 millioner dollar, eller 2,30 $ tap per utvannet aksje, på grunn av et engangstap på 193,1 millioner dollar ved avvikling av gjeld.

Nå, for tredje kvartal 2025 som avsluttes 4. juli 2025, forventer MACOM en inntekt mellom 246 millioner og 254 millioner dollar. De forventer justert bruttomargin mellom 56,5 % og 58,5 % og justert resultat per utvannet aksje mellom 0,87 $ og 0,91 $, med en 3 % ikke‑GAAP inntektsskattesats og 76,5 millioner fullt utvannede aksjer.

Midt i alt dette fortsatte MACOM å utvide virksomheten gjennom investeringer. I januar i år kunngjorde MACOM en strategisk plan om å investere opptil 345 millioner dollar over fem år i sine wafer‑fabrikasjonsanlegg i Massachusetts og North Carolina. Målet med investeringen er å modernisere eksisterende anlegg og introdusere avanserte produksjonskapasiteter for RF, mikrobølge‑ og millimeter‑bølge‑teknologier for å styrke MACOMs produkttilbud til datasentre, telekommunikasjon og forsvarsindustri.

I Massachusetts‑anlegget spesifikt vil selskapet installere 150 mm GaN‑on‑SiC‑produksjonskapasitet.

«Denne planen vil styrke MACOMs innenlandske halvlederproduksjonskapasiteter,» sa Daly, og la til at den også vil akselerere selskapets vekststrategi.

Dette initiativet støttes av en foreløpig avtale med CHIPS Program Office, som har avsatt totalt 39 milliarder dollar til å gi insentiver for investering i anlegg og utstyr i USA. Den foreslår 180 millioner dollar i finansiering og skattefradrag til MACOM under CHIPS‑ og Science‑acten.

Et par måneder før dette, kjøpte MACOM opp et fab‑less halvleder‑selskap kalt ENGIN‑IC, som designer avanserte GaN‑MMIC‑er (monolithic microwave integrated circuits) med mål om bedre å betjene sine målmarkeder og oppnå større markedsandel.

Fokuset til ENGIN‑IC er faktisk på å betjene det amerikanske forsvarsindustrien og har en produktportefølje på over 60 standard‑MMIC‑er samt mange flere tilpassede MMIC‑er.

«ENGIN‑ICs eksepsjonelle bredbånd‑ og høy‑effekt‑MMIC‑ og modul‑designkompetanse vil gjøre oss i stand til å bedre støtte våre felles kunder,» sa Daly på den tiden, mens ENGIN‑IC‑medgründer og CTO Stephen Nelson delte sin begeistring for å «være en del av MACOMs innsats for å lede bransjen innen GaN‑halvlederprosesser og -produkter.»

Konklusjon

6G er neste generasjon teknologi for trådløs kommunikasjon som lover enda raskere hastigheter og mer effektiv kommunikasjon. Å realisere denne fremtiden med global kommunikasjon, automatisering og oppslukende virtuelle opplevelser avhenger imidlertid av fremskritt innen halvledere. Halvledermaterialet GaN, med sine unike egenskaper som høyere hastighet, lavere motstand og høyere gjennombrudds‑spenning, viser sitt potensial til å revolusjonere elektronikk og kommunikasjon.

Det siste gjennombruddet i GaN‑baserte SLCFET‑er, som utnytter de nye transistor‑arkitekturene og avdekker mekanikken bak latch‑effekten, skyver grensene for hva som er mulig i høy‑frekvens‑halvlederytelse.

Innovasjonen gjør veien til 6G‑virkeligheten klarere enn noen gang ved å avdekke både skalerbar ytelse og robust pålitelighet.

Klikk her for en liste over topp‑halvleder‑utstyr‑aksjer.

Studier referert til:

1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & andre. (2025). Galliumnitrid‑multikanal‑enheter med latch‑indusert sub‑60‑mV‑per‑dekade sub‑terskel‑helling for radiofrekvens‑applikasjoner. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5