Marktbericht zu RF-GaN (Hochfrequenz-Galliumnitrid): Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Anwendung (Militärische Telekommunikationsinfrastruktur (Backhaul, RRH, Massive MIMO, Small Cells), Satellitenkommunikation, Kabelgebundenes Breitband, Kommerzielle Radar- und Avioniksysteme, HF-Energie, Sonstige Anwendungen), nach Materialtyp (GaN-auf-Si, GaN-auf-SiC, Sonstige Materialtypen (GaN-auf-GaN, GaN-auf-Diamant)) und nach Region (Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik, Naher Osten und Afrika, Lateinamerika), Prognosen, 2025–2033

Wachstumsfaktoren des RF-GaN-Marktes (Hochfrequenz-Galliumnitrid)

Starke Nachfrage aus dem Bereich Telekommunikationsinfrastruktur

Die Telekommunikationsbranche gilt als ein bedeutender Anwender vondigitale TransformationTechnologien spielen sowohl eine Schlüsselrolle bei der weltweiten Digitalisierung als auch eine Branche, die einen tiefgreifenden Wandel ihres Marktumfelds erlebt. Investitionen der Telekommunikationsbranche in Interoperabilität und Technologie verstärkten einen Paradigmenwechsel bei Kapital- und Informationsströmen in der globalen Wirtschaft und schufen gleichzeitig die Grundlage für die Entstehung völlig neuer Geschäftsmodelle in verschiedenen Branchen.

Die GaN-HF-Technologie entwickelt sich aufgrund ihrer Fähigkeit, Verbindungen mit höherer Datenbandbreite bereitzustellen, schnell zur bevorzugten Option für Netzbetreiber. Diese Geräte gewährleisten die maximale Frequenz im benötigten Frequenzband, indem sie Interferenzen mit anderen Frequenzbändern verhindern. GaN-HF-Leistungselektronik ermöglicht es Nutzern, hochwertige Medieninhalte wie Musik und Fotos hoch- und herunterzuladen sowie Online-Spiele zu spielen und Online-Fernsehsendungen in maximaler Frequenzbandbreite anzusehen. Dies dürfte die Nutzung mobiler Endgeräte weiter steigern. Die starke Nachfrage aus der Telekommunikationsbranche treibt daher das Marktwachstum an.

Günstige Eigenschaften wie hohe Leistung und kleine Bauformen sollen die Akzeptanz im Militärsegment fördern.

Der stetige Anstieg der Verteidigungsausgaben in Entwicklungs- und Industrieländern sowie die Nachfrage nach technologisch fortschrittlichen Produkten für die nationalen und internationalen Streitkräfte dürften das Wachstum des globalen Marktes weiter ankurbeln. Laut dem Stockholmer Internationalen Friedensforschungsinstitut (SIPRI) erreichten die weltweiten Militärausgaben 2019 1.922 Milliarden US-Dollar, verglichen mit 1.855 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018, 1.807 Milliarden US-Dollar im Jahr 2017 und 1.785 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016. Darüber hinaus wird für militärische Hochfrequenz- und Mikrowellenprodukte ein Wachstum erwartet, da technologische Fortschritte bei Phased-Array-Systemen und anderen komplexen Anwendungen stark von diesen Komponenten abhängen und somit die Nachfrage nach diesen Produkten steigern.

Die Verwendung von Galliumnitrid (GaN) hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Tausende von Bauelementen wurden entwickelt und in verschiedenen militärischen Anwendungen wie Radar, Satellitenkommunikation und IED-Abwehrsystemen eingesetzt. Die Kombination aus hoher Frequenz, großer Bandbreite und hoher Leistungsfähigkeit sowie der Fähigkeit zum Betrieb bei hohen Temperaturen macht GaN-Bauelemente prädestiniert für militärische Anwendungen. Sie haben sich zu strategischem Militärmaterial entwickelt. Verschiedene technologische Fortschritte wurden erzielt, um aus GaN violette, blaue, grüne und weiße Leuchtdioden herzustellen und so die Materialqualität zu verbessern. Dies ebnete auch den Weg für den zunehmenden Einsatz in der Radartechnik. All diese Faktoren treiben das Wachstum dieses Segments voran.

Marktbeschränkung

Kosten- und Betriebsherausforderungen

Die inhärenten Materialvorteile von GaN gehen mit einigen Herausforderungen in der Fertigung einher, darunter die Kosten und Optimierung der Epitaxie sowie die Optimierung der Geräteverarbeitung und -verpackung. Weitere Probleme wie Ladungsspeicherung und Stromkollaps müssen gelöst werden, um eine breitere Anwendung dieser Bauelemente zu ermöglichen. Obwohl bei GaN-basierten RF-Bauelementen (Leistung und Ausbeute) deutliche Verbesserungen erzielt wurden, bestehen weiterhin Hürden, die den Einzug von Galliumnitrid auf Siliziumkarbid (GaN-auf-SiC) in den Massenmarkt (z. B. in Basisstationen für drahtlose Telekommunikation oder Kabelfernsehen) verhindern. In Anwendungen unterhalb von 3,5 GHz sind GaN-auf-SiC-Bauelemente im Vergleich zu Si-LDMOS nicht kosteneffizient genug, was hauptsächlich zu geringeren Marktdurchdringungsraten führt.

Neben den Kosten gibt es weitere Probleme mit RF-GaN. Die Charakterisierung dieser GaN-Bauelemente ist vor allem erforderlich, um Entwicklern verlässliche Transistormodelle für die Schaltungssimulationen bereitzustellen. Dadurch können sie die notwendige Impedanzanpassung und Vorspannungsschaltung für die hocheffizienten und hochlinearen Leistungsverstärker entwickeln, die in modernen Kommunikationssystemen eingesetzt werden. All diese Faktoren hemmen das Marktwachstum.

Marktchance

Einführung von 5G-Netzen

Die Einführung von 5G gilt weithin als Wendepunkt für den untersuchten Markt. 5G-Netze arbeiten in neueren und höheren Frequenzbändern und erfordern daher neue Basistechnologien und Leistungsstandards für HF-Geräte. Die fünfte Generation der Mobilfunknetze zielt primär auf geringere Latenzzeiten im Vergleich zu 4G-Geräten und einen niedrigeren Akkuverbrauch ab, was eine deutlich bessere IoT-Implementierung ermöglicht. Da zahlreiche Telekommunikationsriesen (wie beispielsweise AT&T) auf 5G-Netze und Hochgeschwindigkeitsdienste umsteigen, erschließen sich HF-Leistungsverstärkerprodukte ein weiteres starkes Umsatzpotenzial. Verschiedene Hersteller von HF-Leistungsverstärkern haben bereits mit der Produktion von 5G-kompatiblen HF-Lösungen begonnen, die das Wachstum von 5G-Netzen maßgeblich unterstützen werden.

Radar- und Kommunikationstechnologien sind für Verteidigungs- und kommerzielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Galliumnitrid (GaN)-basierte HF-Lösungen bieten im Vergleich zu Konkurrenztechnologien eine höhere Leistung und verbesserte Effizienz bei deutlich kompakteren Bauformen und ermöglichen so vor allem Leistungssteigerungen für Hochleistungsradar- und Kommunikationssysteme. Die rasante Entwicklung von 5G treibt die HF-Leistung und -Technologie weiter voran. All diese Faktoren beflügeln das Marktwachstum.

Regionalanalyse

Der asiatisch-pazifische Raum dominierte den Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich ein jährliches Wachstum von 19,3 % verzeichnen. China, Japan, Taiwan und Südkorea vereinen rund 65 % des globalen Marktes für diskrete Halbleiter auf sich. Auch Länder wie Thailand, Vietnam, Malaysia und Singapur tragen maßgeblich zur Marktführerschaft des asiatisch-pazifischen Raums bei. Im militärischen Bereich ersetzen GaN-Bauelemente aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Sende-/Empfangssystemen in Bordradargeräten die sperrigen Wanderfeldröhren-Systeme (TWT). Dadurch bleibt der Verteidigungssektor einer der Haupttreiber des GaN-Marktes. Laut dem Stockholmer Internationalen Friedensforschungsinstitut (SIPRI) waren China und Indien 2019 die Länder mit den zweit- bzw. dritthöchsten Militärausgaben weltweit. Chinas Militärausgaben erreichten 2019 261 Milliarden US-Dollar, ein Anstieg von 5,1 % gegenüber 2018, während Indiens Ausgaben um 6,8 % auf 71,1 Milliarden US-Dollar stiegen. Diese Entwicklungen dürften das Marktwachstum in der Region weiter ankurbeln.

Markttrends in Nordamerika

Nordamerika ist die zweitgrößte Region. Es wird erwartet, dass der Markt bis 2030 einen Wert von 450 Millionen US-Dollar erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 18 % im Prognosezeitraum entspricht. Diejenigen, die in Nordamerika Halbleiter herstellen, entwickeln und erforschen, gehören zu den ersten Anwendern neuer Technologien. Die Entwicklung des RF-GaN-Marktes in Nordamerika korreliert stark mit dem Wachstum von Endverbraucherbranchen wie Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung.Unterhaltungselektronikund andere. Die Strategie der Regierung dürfte die Marktexpansion ankurbeln. So hat die US-Regierung beispielsweise Qorvo mit dem Bau eines hochmodernen Produktions- und Prototypenzentrums für heterogene integrierte Gehäuse (SHIP) im Bereich HF-Technik beauftragt, das im November 2020 eröffnet wurde. Das SHIP-Programm wird sicherstellen, dass US-amerikanische Rüstungsunternehmen und kommerzielle Kunden, die HF-Komponenten der nächsten Generation entwickeln, validieren, montieren, testen und fertigen müssen, Zugang zu führender Expertise im Bereich der Mikroelektronik-Gehäusetechnik erhalten.

Markttrends in Europa

Europa ist die drittgrößte Region. Die europäische Region beherbergt einige der weltweit wichtigsten Technologiezentren und ist ein bedeutender Treiber und Anwender moderner Technologien. Der Markt wächst aufgrund des zunehmenden Einsatzes moderner Technologien und Halbleiter in verschiedenen regionalen Sektoren. Die RF-GaN-Technologie in der Region erfährt erhebliche Investitionen. So kündigte beispielsweise Cambridge GaN Devices (CGD) im Juni 2020 eine Initiative im Wert von 10,3 Millionen Euro zur Entwicklung intelligenter GaN-Leistungsmodule an. Diese Initiative ist Teil der Penta-Initiative, deren Partner neben akademischen und wirtschaftlichen Einrichtungen aus Großbritannien, Deutschland und den Niederlanden auch Infineon ist. Das Penta-Projekt bietet CGD eine hervorragende Gelegenheit zur Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen der Leistungselektronik. Solche Ereignisse und die laufenden Aktivitäten in der Region treiben das Marktwachstum weiter voran.

Anwendungseinblicke

Der globale Markt für RF-GaN (Hochfrequenz-Galliumnitrid) ist in die Bereiche Militär, Telekommunikationsinfrastruktur (Backhaul, RRH, Massive MIMO, Small Cells), kabelgebundenes Breitband, Satellitenkommunikation, kommerzielle Radar- und Avioniksysteme, HF-Energie und sonstige Anwendungen unterteilt. Der Militärsektor dominierte den Markt und wird voraussichtlich im Prognosezeitraum eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 22,7 % verzeichnen. Die Modernisierung von Verteidigungsausrüstung erhöht den Bedarf an Hochleistungshalbleiterbauelementen. Gleichzeitig steigert die wachsende Nachfrage nach Hochleistungsanwendungen den Bedarf an hohen Frequenzen im Verteidigungssektor. Dies eröffnet dem Markt vielfältige Wachstumschancen. Verteidigungsanwendungen nutzen zunehmend HF-Technologie.GaN-LeistungsbauelementeAufgrund des Bedarfs, veraltete Röhrenschaltungen durch Halbleitertechnologien für höhere Frequenzen zu ersetzen, steigt der Bedarf am HF-Leistungsmarkt. Dieser Bedarf wird auch durch die zunehmende Verwendung von Galliumnitrid (GaN) als Basis für Bauelemente mit elektrochemischer Bearbeitung (ECM) für Radar- und Systeme der elektronischen Kampfführung getrieben, insbesondere für landgestützte HF-Störsender zum Schutz der Truppen. Das Militär nutzt HF-GaN als Alternative oder Ersatz für lateral diffundierte MOSFET-Komponenten (LDMOS) in militärischen Radar- und EW-Systemen. Dies dürfte die Marktentwicklung in absehbarer Zeit beschleunigen.

Das Segment Telekommunikationsinfrastruktur ist das zweitgrößte. Darüber hinaus wird erwartet, dass die 5G-Technologie den Bereich verschiedener Breitbanddienste revolutionieren und die Konnektivität in unterschiedlichen Endnutzerbranchen verbessern wird. Zu den Haupttreibern für das Marktwachstum zählen steigende Mobilfunkverträge, Online-Videostreaming, der Ausbau der 5G-Infrastruktur und diverse IoT-Anwendungen, die 5G nutzen. 5G wird voraussichtlich eine Vielzahl von Diensten und die damit verbundenen Anforderungen in verschiedenen Szenarien unterstützen. Mit 5G steigt die Dichte der benötigten HF-Lösungen exponentiell an. Daher ist es unerlässlich, den Energieverbrauch zu reduzieren. GaN-Leistungstransistoren sind zu einer Schlüsselkomponente der Basisstationstechnologie für 5G geworden und bieten höchste Leistung. Um die Elektroneneinfangrate im Halbleiter zu erhöhen, hat NXP seine GaN-Technologie verbessert, vor allem um eine hohe Linearität und geringe Memory-Effekte zu gewährleisten. Ähnliche Investitionen und Expansionen werden das Wachstum des untersuchten Marktes voraussichtlich beschleunigen.

Die Zahl der 5G-Mobilfunkverträge lag 2019 weltweit bei 0,42 Millionen und wird voraussichtlich bis 2022 auf 400 Millionen steigen. Mit dem erheblichen Wachstum beim weltweiten Ausbau der 5G-Technologie wird auch die Nachfrage nach RF-GaN-Technologie voraussichtlich steigen.

Einblicke in die Materialarten

Der globale Markt für RF-GaN (Hochfrequenz-Galliumnitrid) ist in GaN-auf-Si, GaN-auf-SiC und andere Materialtypen (GaN-auf-GaN, GaN-auf-Diamant) unterteilt. Das Segment GaN-auf-Si dominierte den Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich eine jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 17,6 % verzeichnen. Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen von GaN-auf-Si-Bauelementen zählen unter anderem Basisstationen und Telekommunikation, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt sowie Satellitenkommunikation. Darüber hinaus werden diese Bauelemente häufig in LEDs und Leistungselektronik eingesetzt. Traditionell verwendeten Basisstationen HF-Leistungsverstärker (PAs) auf Basis von lateral diffundierten Metall-Oxid-Halbleitern (LDMOS) (planare Doppeldiffusions-MOSFET-Technologie). In den letzten Jahren haben RF-GaN-Bauelemente diese jedoch in Basisstationen weitgehend verdrängt. LDMOS macht zwar weiterhin einen bedeutenden Anteil des Umsatzes mit Basisstations-Leistungsverstärkern aus, doch wird für GaN ein höheres Wachstum und eine stärkere Verbreitung erwartet, da die Frequenzen von 5G-Netzen steigen. GaN-auf-Si-Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 150 mm werden bereits für verschiedene Endanwendungen eingesetzt, während führende Hersteller derzeit GaN-auf-Si-Wafer mit 200 mm Durchmesser entwickeln. Diese wichtigen Trends werden das Marktwachstum im Prognosezeitraum voraussichtlich stetig vorantreiben.