5G en nieuwe uitdagingen voor de halfgeleiderindustrie

5G-netwerken drummen aan de deur. Hogere datasnelheden en densiteit, meer mobiele verbindingen per km2 maken ze geschikt voor de massale uitrol van machine-to-machine communicatie en IoT.

Trefwoorden: #5G, #EpiGaN, #halfgeleider, #telecommunicatie

Lees verder

Magazine

Download het artikel in

ENGINEERINGNET.BE - Maar om die belofte waar te maken moet de halfgeleiderindustrie nieuwe horizonten verkennen. De silicium halfgeleidertechnologie nadert immers haar theoretische grenzen, stelt Dr. ir. Marianne Germain, CEO en medeoprichter van het Hasseltse EpiGaN nv.

"Terwijl in 4G-netwerken datasnelheden pieken tot 1 GB per seconde halen, verwachten we voor 5G pieken van ongeveer 20 GB per seconde. 4G is geschikt voor het verbinden van mensen maar 5G zal ook de verdere uitrol van IOT en machine-to-machine communicatie ondersteunen. Bovendien zal de verbindingsdichtheid toenemen van 100.000 verbindingen per km2 tot 1.000.000 verbindingen per km2”, legt Marianne Germain uit.

“GaN-technologie is zeer geschikt voor 5G door haar superieure RF-prestaties in vergelijking met klassieke technologieën zoals GaAs, pHEMT of Si LDMOS. De nieuwe 5G-architectuur zal RF-architecturen ondersteunen in minder drukbezette frequentiebanden (hoger dan de huidige 6 GHz) en met een bereik tot aan de 100 GHz. Bovendien hebben deze nieuwe frequentiebanden ook een veel grotere bruikbare bandbreedte.”

Hoger en sneller
“Grote bandbreedte bij hoge frequenties betekent snellere datatransmissie. Standaard silicium-technologieën bieden onvoldoende RF-vermogen voor het overbrengen van de signalen in deze hoge-frequentiebanden.

Een GaN-halfgeleider kan bij die zeer hoge frequenties echter het gewenste vermogensniveau bieden. GaN leidt ook tot een hogere efficiëntie door het genereren van stuurbare antennesignalen die door de gebruiker rechtstreeks worden ontvangen, waardoor het benodigde vermogen om het signaal te verzenden aanzienlijk daalt.”

“Compactheid, lage kosten, hoge vermogensdichtheid, lineariteit bij millimetergolflengtes en integreerbaarheid met traditionele halfgeleidertechnologie zijn noodzakelijke eigenschappen om te beantwoorden aan de doelstellingen voor de 5G-infrastructuur. De GaN RF-halfgeleidertechnologie is het meest geschikt om deze veeleisende doelstellingen te realiseren.”

“Breedband GaN-technologie kan opereren bij een tien maal hogere vermogensdichtheid per millimeter dan de GaAs (galliumarsenide) halfgeleidertechnologie, werkt met hogere voltages, heeft een hogere efficiëntie, en toont uitstekende breedbandwerking bij hoge frequenties. Bovendien kan GaN hogere temperaturen aan waardoor de kosten voor koeling en onderhoud dalen en de betrouwbaarheid verhoogt.”

Wet van Moore ?
Zou de wet van Moore, de exponentiële toename van rekenkracht op het punt staan om haar grenzen te bereiken? "Deze wet zal blijven gelden, niet alleen door verdere miniaturisering maar ook door diversificatie in de halfgeleidermaterialen", stelt Germain.

"De wet van Moore lijkt uit te doven omdat het krimpen van traditionele silicium transistors onder de 10 nm de fysieke en economische grenzen benadert. Hier bieden de halfgeleiders van Groep III-V en vooral breedband GaN-op-SI-technologie de oplossing. Voor het eerst is een nieuwe halfgeleidertechnologie in staat om de bestaande Si-en GaAs-technologieën aanzienlijk te overtreffen in toepassingen voor stroomschakeling, RF- en sensorsystemen.

De volgende generatie Groep III-V technologieën zoals GaN in combinatie met een hogere functionele integratie en nieuwe ontwerpconcepten voor transistors zal de wet van Moore doen overleven.”

De toekomst? Een co-existentie van halfgeleidertechnologieën
Dit betekent echter niet dat de hele Si-gebaseerde chiptechnologie straks wordt vervangen door nieuwe materialen. "Voor applicaties waar deze technologie volstaat, zal silicium nog steeds gebruikt worden”, benadrukt Germain die een co-existentie van meerdere halfgeleidertechnologieën verwacht.

“Voor elke specifieke toepassing zal de beste technologie in termen van prestaties versus kosten de winnaar zijn. Niettemin zal GaN steeds belangrijker worden voor elektronica (RF en stroomschakeling) wegens zijn superieure prestaties in vergelijking met de bestaande Si- en GaAs-oplossingen en zijn potentiële schaalvoordelen door de integratie van GaN-op-Si-substraten.”


Door Luc Franco

KADER: EpiGaN
EpiGaN is een toonaangevende leverancier van GaN-oplossingen voor de volgende generatie efficiënte apparaten voor stroomschakeling, RF-systemen en sensortechnologie. Het bedrijf ontwikkelt en produceert commerciële GaN-op-Si en GaN-op-SIC epi-wafers (epitaxiale lagen voor halfgeleiders) met grote diameters.

Het bedrijf werd opgericht in 2010 als een spin-off van imec. In 2011 vervoegden drie belangrijke investeerders EpiGaN: Capricorn Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital en LRM. Sinds mei 2012 heeft EpiGaN een productiefaciliteit op de Corda Campus in Hasselt. De cleanroomfaciliteiten van EpiGaN zijn ingericht voor testen en productie van grote volumes GaN-epitaxiale wafers.

In 2016 trad het in Brussel en Beijing gevestigde Europese privé-investeringsfonds ACAPITAL toe tot EpiGaN om de expansie van het bedrijf te financieren, in het bijzonder op de Aziatische markten. Ten slotte is in 2017 ook de SFPI-FPIM (Federale Participatie- en Investeringsmaatschappij) toegetreden.