Låsa upp 6G-revolutionen med nästa generations GaN‑halvledare

Halvledare är grunden för elektroniska och Internet of Things (IoT)-enheter samt telekommunikationsutrustning.

De är material som styr flödet av elektrisk ström. Deras unika egenskap att ha ledningsförmåga mellan en ledare och en isolator gör dem till en nyckelkomponent i enheter som dioder, transistorer och integrerade kretsar.

Efterfrågan på halvledare ökar snabbt. De används i smartphones, datorer, hushållsapparater, medicinsk utrustning och spelhårdvara. Dessutom ökar populariteten och användningen av artificiell intelligens (AI)-teknologier, vilket ytterligare driver framsteg inom chiputveckling och ökar produktionen av halvledare.

Den stadiga takten i 5G-utbyggnaden är ytterligare en faktor som driver den sunda efterfrågetrenden för halvledarchips.

Den “femte generationen” av mobilnätverksteknik, som har implementerats av mobiloperatörer världen över sedan 2019, erbjuder högre nedladdningshastigheter och lägre latens, vilket möjliggör nästan omedelbar kommunikation.

Den ultralåga latensen och höga tillförlitligheten i 5G är extremt viktiga för högteknologiska framsteg. 5G-nätverket är samtidigt beroende av halvledare för att erbjuda dessa fördelar.

Halvledarkomponenter krävs här för att bearbeta signaler som bär data. Från basstationer till smartphones och IoT-enheter är de de chip som möjliggör snabb signalbehandling, bredbandsradiofrekvens (RF)-överföring och säker anslutning.

Medan 5G fortfarande är i utbyggnadsstadiet har branschaktörer redan börjat diskutera utvecklingen av den sjätte generationen (6G). Detta kräver dock betydande framsteg inom halvledarteknik som kan hantera extremt låg latens, ultrahöga datahastigheter, hög energieffektivitet, stöd för terahertz (THz)-frekvenser och naturligtvis massiv anslutning.

När företag och forskare arbetar med att förbättra halvledarkapaciteten visar ett nyligt genombrott inom tekniken enorm potential att förändra hur vi kommunicerar.

Genom att superladda 6G i mobilnätet för att erbjuda snabbare hastigheter, mer effektiv kommunikation och mycket bredare täckning än den nuvarande generationen (5G), lovar detta senaste framsteg en framtid som kommer att göra mycket av science fiction till verklighet.

Futuristiska koncept som att känna beröringen av dina nära och kära som bor på andra sidan kontinenten eller att få en hälsodiagnos omedelbart utan att behöva lämna hemmet beror alla på förmågan att kommunicera och överföra enorma mängder data med en mycket snabbare hastighet än vad befintliga nätverk kan hantera.

Fysiker från University of Bristol har hittat ett nytt sätt att påskynda processen för att uppnå detta.

“Inom det kommande decenniet kan tidigare nästan otänkbara teknologier för att transformera ett brett spektrum av mänskliga upplevelser bli allmänt tillgängliga.”

– Medförfattare Martin Kuball, professor i fysik vid University of Bristol.

När han talade om de möjliga fördelarna, som han noterade är “omfattande”, pekade Kuball på framsteg inom sjukvården med fjärrdiagnostik och kirurgi, virtuella klassrum, virtuell semester turism, industriell automation för större effektivitet och avancerade förarassistanssystem (ADAS) för att förbättra trafiksäkerheten.

“Listan över möjliga 6G-applikationer är oändlig, med gränsen bara mänsklig fantasi. Så våra innovativa halvledarfynd är enormt spännande och kommer att hjälpa till att driva dessa utvecklingar framåt med hastighet och skala.”

– Kuball 

Vad detta skifte till 6G kräver är en radikal uppgradering av halvledarteknik, system, kretsar och tillhörande algoritmer.

Uppkomsten av GaN-baserade transistorer

I den snabbt framåtskridande halvledarsektorn används galliumnitrid (GaN) som den huvudsakliga halvledarkomponenten.

Denna föreningshalvledare är mycket hård, mekaniskt stabil och har ett brett bandgap, vilket gör den lämplig för högspännings- och högfrekvensapplikationer. Efter kisel är GaN en av de mest kritiska halvledarna och den får bredare användning inom konsumentelektronik.

GaN är faktiskt känt för att ha ett bredare bandgap jämfört med kisel. Som ett resultat kan GaN-enheter hantera högre effektdensiteter, vilket leder till mindre och lättare konstruktioner samt ger högre effektivitet och bättre tillförlitlighet.

I de nuvarande femte generations kommunikationssystemen blir dessa enheter i allt högre grad den nya standarden. Och nu utforskar forskare dem för 6G mobila och trådlösa infrastrukturapplikationer.

Det är tack vare deras höga uteffekt och högfrekventa driftsförmåga som GaN‑baserade högelektronmobilitetstransistorer (HEMTs) har revolutionerat trådlös och militär kommunikation.

Detta beror främst på materialparametrar som ett högt kritiskt elektriskt fält, god rörlighet vid rumstemperatur och hög mättnadshastighet. Innovationer i fältplåtdesign har ytterligare förbättrat GaN HEMT:s prestanda, vilket lett till effekter på upp till 40 W mm−1 vid 4 GHz och 60 % power‑added efficiency.

Men detta räcker inte för att möjliggöra framtida applikationer. GaN måste bli ännu snabbare och mer pålitlig samt avge större effekt för att möjliggöra den sjätte generationen av trådlös kommunikation.

Förbättringar i uteffekt krävs för att upprätthålla signalintegritet över långa avstånd, med ambitiösa projekt som redan sätter mål att nå 81 W mm−1.

Mot denna bakgrund utvecklade och testade det internationella teamet av ingenjörer och forskare en ny arkitektur som ökade kapaciteten hos de speciella GaN‑förstärkarna.

Sådana resultat uppnåddes genom att hitta en latch‑effekt i GaN, vilket låste upp en mycket hög radiofrekvensprestanda. Denna nästa generations enheter använder parallella kanaler som kräver sidofinnar under 100 nm, en typ av transistor som styr strömflödet genom enheterna.

I den senaste forskningen använde teamet över 1000 fenor med en bredd under 100 nm i SLCFETs för att driva strömmen. Enligt medförfattare Dr Akhil Shaji, hedersforskare vid University of Bristol:

“Vi har pilotat en enhetsteknologi, i samarbete med samarbetspartners, kallad superlattice castellated field effect transistors (SLCFETs).” 

GaN‑baserade SLCFETs har potential att användas för att uppnå de höga uteffektmålen (81 W mm−1) som projekten satt. SLCFETs med upp till tio staplade tvådimensionella elektrongas (2DEG)-kanaler kan faktiskt ge en 10‑faldig ökning av laddningsbärare jämfört med enkankanals GaN HEMTs.

Den nya arkitekturen, enligt studien, erbjuder en låg knäspänning, vilket gör den perfekt för stora uteffektspänningssvängningar kombinerat med hög strömtäthet.

SLCFETs har uppvisat uteffekt på över 10 W mm−1 vid 94 GHz med 12 V på dräneringen och över 40 % power added efficiency, understödd av en strömtäthet på 4,8 A mm−1 med minimal dispersion och strömmen kollaps.

Vid så hög effekt blir utmaningen att kontrollera värmeavledning utan att öka enhetens fotavtryck. Även om effekten kan ökas genom att höja dräneringsspänningen (VDS), kan impact‑ionisation försämra SLCFET:s egenskaper.

Sedan finns transistorlatchning. Här förblir enheten i på‑tillståndet trots att den är polariserad med gate‑bias i avstängt tillstånd (VGS), en effekt som är välkänd i kiselbaserade enheter. Dock minimerar GaN:s höga bandgap impact‑ionisation. Forskarna har tidigare bekräftat förekomsten av impact‑ionisation i SLCFET:s på‑tillstånd.

Förbättra GaN-prestanda genom latch‑effekten

Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) eller galliumnitrid (GaN)-baserade SLCFETs visar lovande som grund för högkrafts RF‑förstärkare och switchar i framtidens avancerade radarsystem.

Dessa transistorer har visat den bästa prestandan i W‑bandets frekvensområde, som är från 75 GHz till 110 GHz. Vetenskapen bakom detta var dock okänd fram till nu.

Enligt studien publicerad i tidskrift Nature Electronics¹ är det “en latch‑effekt i GaN, som möjliggör hög radiofrekvensprestanda.”

Med effekten nu erkänd gick teamet vidare för att ta reda på exakt var den inträffar. De använde ultra‑precisa elektriska mätningar och optisk mikroskopi samtidigt för att studera effekten ytterligare och bättre förstå den.

Efter att ha analyserat över 1 000 fenor lokaliserade forskarna effekten på den bredaste fenan. För att ytterligare verifiera observationerna byggde teamet en 3D-modell med en simulator.

“Ström‑spännings‑mätningar, simuleringar och korrelerad elektroluminiscensutsläpp vid latch‑tillståndet indikerar att utlöst fin‑bredds‑beroende lokaliserad impact‑ionisation är ansvarig för latch‑effekten,” noterade studien och tillade att denna lokalisering beror på variation i fen‑bredd, vilket beror på variation i tillverkningsprocessen.

Därefter tog teamet itu med tillförlitlighetsaspekterna av effekten för praktiska tillämpningar. Den rigorösa testningen av enheten under en lång period visade att latch‑effekten inte har någon skadlig inverkan på enhetens prestanda eller tillförlitlighet.

Latch‑tillståndet, enligt studien, är reversibelt samt icke‑nedbrytande och kan leda till förbättring av transistorns transkonduktanskarakteristik, vilket innebär förbättrad linearitet och effekt i radiofrekvensförstärkare.

“Vi fann att en nyckelaspekt som driver denna tillförlitlighet var ett tunt lager av dielektrisk beläggning runt varje fen.”

– Professor Kuball, Royal Academy of Engineering‑ordförande för Emerging Technologies

Som ledare för Centre for Device Thermography and Reliability (CDTR) hjälper Kuball till att utveckla nästa generations halvledarelektroniska enheter för kommunikations- och radarteknik, samt att uppnå net‑zero utsläpp. CDTR arbetar också med att förbättra enhetens termiska hantering, dess elektriska prestanda och tillförlitlighet genom breda och ultrabreda bandgap‑halvledare.

Den viktigaste slutsatsen av forskningen, noterade Kuball, “var tydlig – latch‑effekten kan utnyttjas för otaliga praktiska tillämpningar, vilket kan hjälpa till att förändra människors liv på många olika sätt under kommande år.”

I framtida arbete kommer teamet att fokusera på att ytterligare öka den effekt‑densitet som enheterna kan leverera. Detta kommer att möjliggöra ännu högre prestanda och nå en bredare publik.

Dessutom kommer industripartners att hjälpa till att göra dessa nästa generations enheter kommersiellt tillgängliga.

Investera i halvledarinnovation

När det gäller investeringar i GaN‑teknik är MACOM ett av de få amerikanska börsnoterade företagen som erbjuder direkt exponering mot den. Det använder både GaN‑on‑SiC‑ och GaN‑on‑Si‑processer för att möjliggöra nästa generations systemarkitekturer över ett brett spektrum av tillämpningar. Företaget erbjuder innovativa låg‑brusförstärkare, GaN‑effektförstärkare och switchar som sträcker sig från DC till över 100 GHz.

MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )

MACOM Technology Solutions Holdings är en tillverkare av högpresterande halvledarprodukter för telekommunikation samt andra industrier.

Företaget betjänar mer än 6 000 kunder årligen med sin breda produktportfölj som omfattar analoga, mikrovågs-, radiofrekvens‑ (RF), mixed‑signal‑ och optiska halvledarteknologier. MACOM specialiserar sig på applikations‑ och föreningshalvledartillverkning, inklusive GaAs, GaN, InP och specialiserat kisel, analog och mixed‑signal‑kretsdesign, avancerad paketering samt bakre montering och test.

Företaget har erhållit flera certifieringar, inklusive AS9100D‑luftfartsstandarden, IATF16949‑bilstandard, ISO9001‑internationella kvalitetsstandarden och ISO14001‑miljöledningsstandarden.

När det gäller MCOM:s marknadsprestation, med ett börsvärde på 9 miljarder dollar, handlas MTSI‑aktier för närvarande till 123,41 $. Medan MTSI är ned 6,37 % hittills i år, är den upp 46,7 % från sitt lägsta värde i början av april och bara cirka 15,5 % från toppen den nådde i januari i år. Med detta är dess EPS (TTM) -1,22 och P/E (TTM) -99,66.

När det gäller företagets finanser rapporterade MACOM nyligen resultat för det andra räkenskapsåret som avslutades den 4 april 2025, där de registrerade en omsättning på 235,9 miljoner dollar, en ökning med 30,2 % jämfört med samma kvartal föregående år.

Rörelseresultatet var 34,9 miljoner dollar, eller 14,8 % av omsättningen, medan nettoresultatet var 31,7 miljoner dollar, eller 0,42 $ per utspädd aktie. Bruttomarginalen under denna period ökade med 2,7 % till 55,2 % medan justerad bruttomarginal steg med 0,4 % till 57,5 %.

När han kommenterade företagets “solida Q2‑prestation” berömde VD och koncernchef Stephen G. Daly det “exceptionella teamworket i hela MACOM‑organisationen” för att möjliggöra denna framgång.

Dessa siffror följde “en bra start” på räkenskapsåret i Q1, där Daly sade att företagets fokus fortsätter att vara på att betjäna kunder och “bygga en starkare, bredare och mer konkurrenskraftig produktportfölj.”

Under 1Q25 var MACOM:s omsättning 218,1 miljoner dollar, vilket ökade med 38,8 % från 1Q24, och rörelseresultatet var 17,5 miljoner dollar, eller 8 % av omsättningen. I föregående kvartal rapporterade företaget faktiskt en nettoförlust på 167,5 miljoner dollar, eller 2,30 $ förlust per utspädd aktie, på grund av en engångsförlust på 193,1 miljoner dollar vid skuldutsläckning.

Nu, för det tredje räkenskapsåret som avslutas den 4 juli 2025, prognostiserar MACOM en omsättning mellan 246 miljoner och 254 miljoner dollar. De förväntar sig att den justerade bruttomarginalen blir mellan 56,5 % och 58,5 % samt justerade vinst per utspädd aktie mellan 0,87 $ och 0,91 $, med en 3 % icke‑GAAP-skattesats och 76,5 miljoner fullt utspädda aktier i omlopp.

Mitt i allt detta fortsatte MACOM att expandera sin verksamhet genom investeringar.

I januari i år meddelade MACOM en strategisk plan att investera upp till 345 miljoner dollar under en femårsperiod i sina wafer‑tillverkningsanläggningar i Massachusetts och North Carolina. Målet med investeringen är att modernisera befintliga anläggningar och införa avancerade tillverkningskapaciteter för RF‑, mikrovågs‑ och millimetervågs‑teknologier för att förbättra MACOM:s produktutbud för datacenter, telekommunikation och försvarsindustrier.

I dess Massachusetts‑anläggning specifikt kommer företaget att installera 150 mm GaN‑on‑SiC‑tillverkningskapacitet.

“Denna plan kommer att stärka MACOM:s inhemska halvledartillverkningskapacitet,” sade Daly och tillade att den också kommer att påskynda företagets tillväxtstrategi.

Detta initiativ stöds av ett preliminärt avtal med CHIPS Program Office, som har avsatt totalt 39 miljarder dollar för att erbjuda incitament för investeringar i anläggningar och utrustning i USA. Det föreslår 180 miljoner dollar i finansiering och skatteincitament till MACOM under CHIPS and Science Act.

Ett par månader innan detta förvärvade MACOM ett fabless‑halvledarföretag kallat ENGIN‑IC, som designar avancerade GaN‑MMICs (monolitiska mikrovågsintegrerade kretsar) med målet att bättre betjäna sina målmarknader och vinna en större marknadsandel.

ENGIN‑IC:s fokus är faktiskt på att betjäna den amerikanska försvarsindustrin och har en produktportfölj med över 60 standard‑MMICs och många fler skräddarsydda MMICs.

“ENGIN‑IC:s exceptionella bredbands‑ och hög‑effektivitets‑MMIC‑ och moduldessignkompetens kommer att möjliggöra att vi bättre kan stödja våra gemensamma kunder,” sade Daly då, medan ENGIN‑IC:s medgrundare och CTO Stephen Nelson uttryckte entusiasm för att “vara en del av MACOM:s ansträngningar att leda branschen inom GaN‑halvledarprocesser och produkter.”

Slutsats

6G är nästa generation av teknik för trådlös kommunikation som lovar ännu snabbare hastigheter och mer effektiv kommunikation. Att förverkliga denna framtid av global kommunikation, automation och uppslukande virtuella upplevelser beror dock på framsteg inom halvledare. Halvledarmaterialet GaN, med sina unika egenskaper av högre hastighet, lägre resistans och högre genombrottsspänning, visar sin potential att revolutionera elektronik och kommunikation.

Det senaste genombrottet i GaN‑baserade SLCFETs, som utnyttjar de nya transistorarkitekturerna och avslöjar mekaniken bakom latch‑effekten, skjuter gränserna för vad som är möjligt i högfrekvent halvledarprestanda.

Innovationen gör vägen till 6G‑verkligheten tydligare än någonsin genom att avslöja både skalbar prestanda och robust tillförlitlighet.

Klicka här för en lista över de bästa halvledarutrustningsaktierna.

Studier som refereras:

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