Marktbericht für Galliumnitrid (GaN)-Halbleiterbauelemente: Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Produkt (GaN-Hochfrequenzbauelemente, Optokoppler, Leistungshalbleiter), Komponenten (Transistor, Diode, Gleichrichter, Leistungs-IC, Sonstige), Wafergröße (2 Zoll, 4 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll), Endverbraucher (Automobilindustrie, Unterhaltungselektronik, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen, Informations- und Kommunikationstechnologie, Industrie und Energie, Sonstige) und Region (Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik, Naher Osten und Afrika, Lateinamerika) – Prognosen für 2025–2033

Marktwachstumsfaktor

Fortschritte in der Gentechnik

Die GaN-Halbleitertechnologie hat sich in den letzten fünf Jahren rasant weiterentwickelt. GaN-Halbleiter haben die Leistung von Dioden deutlich verbessert und deren Herstellungskosten erheblich gesenkt. Marktteilnehmer wie die Toshiba Corporation, GaN Systems und die Efficient Power Conversion Corporation konzentrieren sich auf die Entwicklung modernster GaN-Technologie. Dieser Trend dürfte das Marktwachstum im Prognosezeitraum weiter ankurbeln. So hat die Toshiba Corporation beispielsweise eine Gate-Dielektrikum-Prozesstechnologie entwickelt, um Schwankungen der Eigenschaften von GaN-Leistungshalbleitern, wie etwa der Schwellenspannung, zu reduzieren und deren Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Die Entwicklung der GaN-Technologie steht im Fokus zahlreicher Forschungseinrichtungen, darunter das Air Force Research Laboratory, die Max-Planck-Gesellschaft und die Helmholtz-Gemeinschaft. So entwickelte das Air Force Research Laboratory im März 2016 die Kurzgate-Galliumnitrid (GaN)-Halbleitertechnologie. Diese Technologie eignet sich besonders für die Entwicklung von Halbleitern für Anwendungen wie Radar, Satellitenkommunikation und Software-Defined Radio, die ein breiteres Frequenzspektrum erfordern. Forschungseinrichtungen vergeben Aufträge an verschiedene Unternehmen, um die Weiterentwicklung der GaN-basierten Halbleiterfertigung voranzutreiben. Beispielsweise erhielt die Raytheon Company im April 2017 vom Air Force Research Laboratory einen Auftrag über 14,9 Millionen US-Dollar zur Verbesserung ihres Herstellungsverfahrens für GaN-basierte Halbleiter.

Marktbeschränkung

Hohe Kosten von Galliumnitrid (GAN) in großen Mengen

Galliumnitrid (GaN) ist derzeit sehr teuer und kostet für ein 2-Zoll-Substrat fast 1.900 US-Dollar oder mehr. Im Vergleich zu Siliziumsubstraten, deren Preise für ein 6-Zoll-Substrat zwischen 25 und 50 US-Dollar liegen, sind die Kosten für GaN deutlich höher. Die hohen Herstellungskosten von GaN sind der Hauptgrund für den hohen Preis von GaN-Bulkmaterial. Die zur Herstellung von GaN verwendeten ammonothermalen und Hydrid-Dampfphasenepitaxie-Verfahren (HVPE) sind wesentlich teurer als die Herstellung von Siliziumsubstraten. Die höheren Kosten der GaN-auf-SiC-Technologie stellen ein erhebliches Hindernis für die breite Anwendung von Galliumnitrid auf Siliziumkarbid (GaN-auf-SiC) in Bereichen wie drahtlosen Telekommunikationsbasisstationen oder Kabelfernsehen dar. Darüber hinaus ist die GaN-auf-SiC-Technologie im Vergleich zu alternativen Technologien wie Si-LDMOS für Anwendungen im Frequenzbereich unter 3,5 GHz nicht kosteneffizient.

Zudem wird erwartet, dass die höheren Kosten von GaN auf SiC im Vergleich zu SiC auf SiC das Marktwachstum beeinträchtigen werden. Produkte mit GaN auf SiC kosten rund 50 % mehr als solche mit SiC auf SiC. Darüber hinaus weist GaN auf SiC eine deutlich höhere Defektrate auf als SiC auf SiC, was sich nachteilig auf die Marktentwicklung auswirken könnte. Die Einführung neuartiger Materialien wie Aluminiumnitrid (AlN), die als effizientere Alternativen zur Herstellung von massivem GaN gelten, könnte das Marktwachstum ebenfalls bremsen.

Marktchance

Zunehmender Einsatz von GAN in der 5G-Infrastruktur

Aktuell wird Galliumnitrid (GaN) in den USA und Japan in 5G-Netzen für Anwendungen zur Verdichtung von Remote Radio Heads (RFH), Tiny Cells und verteilten Antennensystemen (DAS) eingesetzt. Es wird erwartet, dass GaN auch in anderen Ländern für 5G-Netzanwendungen, insbesondere für Tiny Cells, verwendet wird, die höhere Frequenzen und geringe Installationskosten erfordern. Das Hauptziel von Telekommunikationsanbietern ist es, Netze mit höherer Kapazität, geringerer Latenz und flächendeckender Vernetzung bereitzustellen. Die Effizienz von GaN ist dabei ein entscheidender Faktor.5G-InfrastrukturIm Hinblick auf Energieeffizienz sind Datenübertragungsraten, Latenz und Verkehrskapazität weitere Bereiche von Interesse für Telekommunikationsanbieter.

Bis 2021 werden kommerzielle 5G-Netzstarts in Ländern wie Deutschland, Indien und Russland erwartet. Dies dürfte Herstellern von GaN-Bauelementen erhebliche Wachstumschancen eröffnen. Der verstärkte Einsatz von GaN in der 5G-Infrastruktur, einschließlich Basisstationen, Sendern und Rechenzentren, wird von Telekommunikationsriesen wie Nokia und AT&T aktiv vorangetrieben. GaN-Bauelemente eignen sich aufgrund ihrer höheren Drain-Effizienz besonders für den Einsatz in der 5G-Netzwerkinfrastruktur. Darüber hinaus weisen GaN-Bauelemente eine Drain-Effizienz von etwa 60 % auf, verglichen mit weniger als 50 % bei LDMOS-Bauelementen.

Produkt-Einblicke

Basierend auf dem Produkt ist der globale Markt für GaN-Halbleiterbauelemente in GaN-Hochfrequenzbauelemente, Optohalbleiter und Leistungshalbleiter unterteilt. Das Segment der Leistungshalbleiter trägt am meisten zum Markt bei und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,60 % wachsen. GaN-basierte Leistungshalbleiter eignen sich hervorragend für Anwendungen wie Mikrowellengeräte, da sie bei hohen Temperaturen funktionieren. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte bei diesen Halbleitern erzielt, darunter der Schutz von Leistungsfunktionen (Power Function Protection, PFP), der durch die Kombination von Niederspannungs-Daten- und Signalverarbeitungsschaltungen ermöglicht wurde. Dies hat sich in einer Vielzahl von Konsumgeräten und IT-Peripheriegeräten als vorteilhaft erwiesen. Die Effizienz und Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen (ICs) haben sich aufgrund der reduzierten Systemkosten und der kleineren Chipgrößen verbessert. GaN-Leistungshalbleiter werden außerdem in der Satellitenkommunikation, in Mikro-Wechselrichtern, Vorschaltgeräten, Schaltnetzteilen (SMPS), Ladegeräten für Elektroautos und Batterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt.

Leuchtdiodentransistoren (LEDs), Solarzellen, Fototransistoren, Laser und Optoelektronik sind nur einige Anwendungsgebiete für Optokoppler. Der zunehmende Einsatz von GaN-Halbleitern in der Automobil- und Unterhaltungselektronikindustrie hat die Verbreitung von Optokopplern maßgeblich gefördert. Sie werden hauptsächlich in gepulsten Lasern, Innen- und Außenbeleuchtung sowie in Fahrzeugleuchten eingesetzt. Auch in Anwendungen wie gepulsten Lasern und LiDAR (Light Detection and Ranging) finden sie häufig Verwendung und tragen so zum Wachstum des Sektors bei. Der Übergang von Koaxialkabeln zu Glasfasern, auf den sich Telekommunikationsunternehmen konzentrieren, dürfte das Wachstum dieses Segments deutlich beschleunigen. Darüber hinaus werden digitale Schilder und Anzeigegeräte häufig mit LEDs aus GaN-Technologie betrieben.

Komponenten-Einblicke

Basierend auf den verwendeten Komponenten ist der globale Markt für GaN-Halbleiterbauelemente in Transistoren, Dioden, Gleichrichter, Leistungs-ICs und Sonstige unterteilt. Das Segment der Leistungs-ICs hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,45 % wachsen. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von GaN-basierten Leistungs-ICs, die Funktionen wie effektive Navigation, Kollisionsvermeidung und Echtzeit-Flugverkehrskontrolle ermöglichen, wird für den Markt für Leistungs-ICs im Prognosezeitraum eine deutliche CAGR erwartet. Fujitsu Ltd., Qorvo, Inc. und die Toshiba Corporation konzentrieren sich ebenfalls auf die Entwicklung von Leistungs-ICs für Telekommunikationsanwendungen und treiben so das Wachstum dieses Segments an. Beispielsweise brachte Qorvo, Inc. im Juni 2017 das Dual-Channel-5G-Wireless-Frontend-Modul IC-QPF4005 der nächsten Generation für den Einsatz in Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sowie 5G-Wireless-Basisstationen und Endgeräten auf den Markt. Um die Zuverlässigkeit von Leistungs-ICs zu verbessern, brachte die Toshiba Corporation im August 2017 die Gate-Dielektrikum-Prozesstechnologie auf den Markt. Sie reduziert Schwankungen von Eigenschaften wie der Schwellenspannung.

Die Verwendung von GaN-Dioden in Schnittstellenschaltungen, Treiberschaltungen, Schaltkreisen, IC-Schaltungsmanagement und Wechselrichterschaltungen in diversen digitalen Elektronikanwendungen ist ein wesentlicher Treiber. Ihre kompakte Bauweise und ihr geringes Gewicht ermöglichen ein zuverlässiges und kostengünstiges Schalten zwischen miniaturisierten elektrischen Bauteilen. Darüber hinaus führen die geringe Verlustleistung und die Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen der GaN-Diode zu erhöhter Zuverlässigkeit und gesteigerter Energieeffizienz.

Einblicke in die Wafergröße

Basierend auf der Wafergröße ist der globale Markt für GaN-Halbleiterbauelemente in 2-Zoll-, 4-Zoll-, 6-Zoll- und 8-Zoll-Wafer unterteilt. Das 6-Zoll-Segment trägt am meisten zum Markt bei und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 24,80 % wachsen. Der 6-Zoll-Wafer bietet eine hervorragende Spannungshomogenität und präzise Stromregelung. Aufgrund von Eigenschaften wie einer hohen Durchbruchspannung und geringen Leckströmen findet er breite Anwendung in der Unterhaltungselektronik und der Verteidigungsindustrie. Der Anstieg der Rüstungsindustrie hat die Marktdurchdringung von 6-Zoll-Wafern in der Galliumnitrid-Industrie gefördert. Hochleistungs-LEDs und Fotodetektoren nutzen die Halbleiter auf diesen Wafern. Der zunehmende Einsatz dieser Halbleiter in Produkten für Branchen wie das Gesundheitswesen, die Luft- und Raumfahrt, das Militär und die Automobilindustrie trägt positiv zum Wachstum dieses Segments bei.

Um GaN mit hoher Leistung für GaN-auf-Silizium-Transistoren und andere elektronische Peripheriegeräte dynamisch bereitzustellen, wurde kürzlich der 8-Zoll-Wafer eingeführt. Halbleiter mit 8-Zoll-Wafern tragen dazu bei, die parasitäre Kapazität im Vergleich zu solchen mit 4- und 6-Zoll-Wafern um bis zu 90 % zu minimieren, wodurch sie vorwiegend in der Leistungselektronik eingesetzt werden.VerbindungshalbleiterGeräte für höhere Produktivität und überlegene Prozesssteuerung. Automobilanwendungen wie Musiksysteme, Radios, Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikationssysteme, Ladegeräte für Smartphones im Fahrzeug und Innenbeleuchtungssysteme von Autos verwenden allesamt auf 8-Zoll-Wafern gefertigte Bauteile.

Endnutzer-Einblicke

Basierend auf den Endnutzern ist der globale Markt für GaN-Halbleiterbauelemente in die Segmente Automobilindustrie, Unterhaltungselektronik, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen, Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), Industrie und Energiewirtschaft sowie Sonstige unterteilt. Das IKT-Segment hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,55 % wachsen. Mit zunehmender Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) findet Galliumnitrid (GN) vermehrt Anwendung in der IKT. Die Nachfrage nach intelligenter Datenverarbeitung dürfte mit der nächsten Generation vernetzter Geräte weiter steigen und somit einen stabilen Markt für GaN-basierte Halbleiter schaffen. Silizium wird in IKT-Geräten für Hochfrequenzanwendungen eingesetzt. GaN ersetzt diese siliziumbasierten Bauelemente aufgrund seiner höheren Stabilität und des geringeren Stromverbrauchs. GaN-Halbleiter finden breite Anwendung in Small Cells, Remote Radio Head Networks (RFHNs), Distributed Antenna Systems (DAS) und weiteren Bereichen.

Galliumnitrid wird in verschiedenen Anwendungen der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie eingesetzt, um die Bandbreite und Zuverlässigkeit von Kommunikationssystemen, elektronischer Kampfführung und Radargeräten zu verbessern. GaN-Halbleiter, die in den in Radarplatinen verwendeten integrierten Schaltungen (ICs) zum Einsatz kommen, ermöglichen effektive Navigation, Kollisionsvermeidung und Echtzeit-Flugverkehrskontrolle. Darüber hinaus werden militärische Funkverstärker und elektronische Artilleriekomponenten aus Galliumnitrid gefertigt. GaN-FETs finden auch in der Leistungselektronik zunehmend Verwendung.DC-DC-WandlerDie

Galliumnitrid (GaN) findet in vielen verschiedenen Elektronikgeräten Verwendung, darunter Computer-Motherboards, Ladegeräte für elektronische Geräte und Schaltnetzteile (SMPS). Auch in LEDs, die in der Innen- und Außenbeleuchtung zum Einsatz kommen, wird GaN verwendet. LEDs in Fernbedienungen für Konsumgüter wie Klimaanlagen, Fernseher, Unterhaltungselektronik und Kühlschränke zählen zu den wichtigsten Anwendungsgebieten von GaN in der Unterhaltungselektronik. Diese Programme tragen zum Wachstum der Unterhaltungselektronikbranche bei, die 2021 den Endkundenmarkt dominierte.

Regionalanalyse

Nordamerika ist der bedeutendste Marktteilnehmer im globalen Markt für Galliumnitrid (GaN)-Halbleiterbauelemente und wird voraussichtlich im Prognosezeitraum mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,35 % wachsen. Staatliche Fördermaßnahmen zur Entwicklung von GaN-basierten Leistungshalbleiterbauelementen dürften die Nachfrage nach MBE-Systemen in Nordamerika ankurbeln. Das Projekt „GaN Initiative for Grid Applications“ (GIGA) wurde 2009 vom Office of Electricity Delivery and Energy Reliability des US-Energieministeriums (DOE) ins Leben gerufen. Hauptziel des Projekts war die Entwicklung von Leistungselektronikbauelementen auf Basis der Galliumnitrid-auf-Silizium (GaNonSi)-Technologie.HalbleitertransformatorenFehlerstrombegrenzer, Wechselrichter und Leistungsflussregler. Diese Lösungen verbesserten die Fähigkeit eines Stromnetzes, Strom aufzunehmen, zu steuern und umzuleiten.

Markttrends im asiatisch-pazifischen Raum

Asien-Pazifik Es wird erwartet, dass der Markt im Prognosezeitraum mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 24,20 % wächst und einen Umsatz von 3.375,48 Millionen US-Dollar generiert. Die Branche im asiatisch-pazifischen Raum dürfte im Prognosezeitraum aufgrund des beschleunigten technologischen Fortschritts und der daraus resultierenden Nachfrage nach effizienten und leistungsstarken HF-Komponenten das schnellste Wachstum aller regionalen Märkte verzeichnen. Zu den größten Herstellern von Unterhaltungselektronik in der Region, darunter LED-Displays, Mobiltelefone und Spielekonsolen, zählen Länder wie China und Japan. Dies ist ein wesentlicher Treiber für das Wachstum des regionalen Marktes. Die Nachfrage nach zuverlässigen Kommunikationsgeräten ist aufgrund der steigenden Verteidigungsausgaben in Ländern wie China, Indien und Südkorea gestiegen. Diese Nachfrage dürfte den Markt für GaN-basierte HF-Bauelemente weiter ankurbeln. Der massive Anstieg der Nutzung drahtloser elektronischer Geräte und die weitverbreitete Telekommunikationsinfrastruktur im asiatisch-pazifischen Raum treiben den Markt zusätzlich an.

Markttrends in Europa

Für Europa wird im Prognosezeitraum ein deutliches Wachstum erwartet. Imosys wurde im Juli 2016 zum europäischen Vertreter der Efficient Power Conversion Corporation ernannt und ist für den technischen Support sowie Vertrieb und Marketing zuständig. Die weitreichenden Kontakte, die technische Expertise und die Fähigkeit von Imosys, lokale Unterstützung zu leisten, trugen maßgeblich dazu bei, das Ziel des Unternehmens zu erreichen, die Verfügbarkeit modernster Elektronik für Ingenieure und Entwickler in ganz Europa zu erweitern.