speicher (für mobile Anwen
663 Fossiler Pfad
3.2.5 RadiofrequenzMikrochips
3.2.5.1 Technologiebeschreibung
Radiofrequenzkommunikation
Radiofrequenz(RF)Chips werden für die draht-lose Telekommunikation eingesetzt, die auf einem elektromagnetischen Signal zur Kommunikation basieren. Die Radiofrequenzen reichen von 3 kHz bis 300 GHz. Die RF-Technologie wird in vielen Anwendungen wie Mobiltelefonen, WLAN, Satel-liten- und Fernerkundung eingesetzt. Das breite Anwendungsspektrum wird in Abb. 3.35 darge-stellt.
Tab. 3.39: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelter Rohstoffbedarf für Mikroelektronische Kondensatoren in t
Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018
Bedarfsvorschau 2040 NachhaltigkeitSSP1 SSP2
Mittelweg SSP5 Fossiler Pfad
Tantal 1.832 (B) 740 1.716 1.459 2.013
B: Bergwerksförderung (t Inh.)
Abb. 3.36 zeigt ein vereinfachtes Modell der drahtlosen RF-Kommunikation. Die Quelle liefert die Informationen an den Sender (Audio, Video, Daten). Der Sender sendet am Ende des Sig-nals die Informationen über eine Antenne an den Empfänger. Die Funktionen des Sendeprozes-ses können Modulation, Codierung,
Analog-Digi-tal-Wandlung und die Umkehrfunktionen für den Empfänger sein (Decodierung, Demodulation).
Für ein effektives Senden und Empfangen umfas-sen Sender und Empfänger auch eine Signalver-stärkung, eine Frequenzfilterung und eine Über-setzung des Signals von einer Frequenz in eine andere usw.
Wireless Communication
Systems
Personal Communication
Systems
Remote
Sensing Weather
Forecast Telemetry
Tracking Wireless Networks
& Protocols
Microwave
RF Systems Emerging Wireless Technologies Fixed & Mobile
Satellite Wireless
Application Protocol
Bluetooth
Wireless LAN
Home-based Systems
Beepers Pagers
Cellular Mobile Telephone Wireless
Local Loop
Abb. 3.35: Anwendungen der RF-Kommunikation (Quelle: ugweje 2004)
Abb. 3.36: Vereinfachtes Modell der terrestischen drahtlosen RF Kommunikation (Quelle: ugweje 2004)
RF-Halbleiterbauelemente
Ein RF-System erfordert zwei Arten von Hard-ware-Subsystemen zur Übertragung der Informa-tionen: einen Sender und einen Empfänger. Sie bestehen aus vielen Komponenten, von denen die wichtigsten folgend aufgelistet sind:
– Leistungsverstärker: sie verstärken das aus-gehende Signal und machen es stark genug, um die Basisstation zu erreichen.
– Rauscharme Verstärker: sie verstärken das eingehende Signal.
– Filter: sie wählen Signale nach ihren Frequen-zen aus.
– Schalter: sie pendeln Signale von einem RF-Pfad zu einem anderen.
Es gibt natürlich viel mehr Komponenten in RF-Systemen, die vorliegende Studie konzentriert sich aber auf diejenigen, die kritische Materia-lien enthalten. Bei diesen Komponenten handelt es sich um integrierte Schaltkreise bestehend aus Halbleiterbauelementen. Der Transistor ist das wichtigste Halbleiterbauelement. Es gibt viele Arten von Transistoren, die von der Art der Anwendung abhängig sind.
Integrierte Schaltkreise werden in und auf Wafe-roberflächen hergestellt. Die Fläche auf dem Wafer, die das Halbleiterbauteil oder der integ-rierte Schaltkreis einnimmt, heißt „chip“, „micro-chip“, „die“ oder „bar“. Am Anfang der Produktion (front end of the line – FEOL) werden die Transis-toren und andere elektronische Bauteile auf der Waferoberfläche hergestellt. Unternehmen wen-den in einer Vielzahl von Abfolgen und Variatio-nen vier BasisoperatioVariatio-nen an, um Mikrochips zu produzieren. Diese sind Beschichten („layering“), Musterung („paterning“), Dotierung („doping“) und Hitzebehandlung („heat treatment“).
Aktive Schichten/Substrate für RF
Die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erfordert ein Substrat (Si, GaAs, InP, SiC oder Saphir), auf dem eine aktive Schicht gewach-sen ist. Dieses Kristallwachstum wird Epitaxie genannt. Ein Beispiel wird in Abb. 3.37 gezeigt. In diesem Fall ist das Substrat GaAs und die aktive Schicht GaAs oder InGaAs. Die Eigenschaften der aktiven Schicht bestimmen die
Leistungs-fähigkeit des Bauelements. Das Substrat wird als physikalischer Träger für den Bau des Bau-elements verwendet, aber seine physikalischen Eigenschaften (Kristallgitterkonstante, Wärme-ausdehnungskoeffizient) müssen ebenfalls an die aktive Schicht angepasst werden, um die beste Kristallqualität und Bauelementleistung zu erhal-ten. Aus diesem Grund wird eine große Vielfalt von Substraten verwendet. Im Falle von GaN wer-den in der Produktion Substrate aus GaN, Si oder SiC verwendet, da GaN-Substrate sehr teuer und in der Größe begrenzt sind. In Abb. 3.37 sind die wichtigsten Substrate pro Substrattyp aufgelistet.
RF-Bauelemente basieren auf vielen Halbleitern wie Silizium (Si und SOI, Silicon-On-Isolator), Gal-liumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), karbid (SiC), Indiumphosphid (InP) und Silizium-germanium (SiGe).
Als piezoelektrische Materialien werden Lithium-niobiat und Lithiumtantalat (LiNbO3 und LiTaO3) verwendet. Sie werden als Bulk-Wafer hergestellt (nAKAMurA 2012).
Betrachtet man die Dicke der auf dem Wafer abge-schiedenen Materialien (wenige Nanometer bis zu einigen Mikrometern), so stammen die meisten Materialien tatsächlich vom Wafer selbst (Dicke etwa 500 – 700 µm). Man muss jedoch berück-sichtigen, dass die Epitaxieprozesse manchmal sehr ineffizient sein können, was zu hohen Mate-rialverlusten führt (bis zu 70 % Materialverlust) (horoWitz, et al. 2018). Dies sind jedoch geringe Mengen im Vergleich zum Materialbedarf für die Waferherstellung. Aus diesem Grund wird in den folgenden Abschnitten nur der Wafer betrachtet.
Galliumarsenid (GaAs)
Einige elektrische Eigenschaften von Galliumar-senid (GaAs) sind besser als die von Silizium. Die Elektronengeschwindigkeit und die Elektronen-mobilität sind höher, was dazu führt, dass Tran-sistoren hergestellt werden können, die bei meh-reren hundert GHz arbeiten. Außerdem haben sie bei diesen hohen Frequenzen weniger Rau-schen als Silizium-Bauteile und können bei höhe-ren Leistungsstufen arbeiten, da sie eine höhere Durchschlagsspannung besitzen. Bauteile aus Galliumarsenid sind zehnmal schneller als Sili-zium-Bauteile. Außerdem sind sie weniger störan-fällig und haben einen geringeren Energiebedarf.
Wegen dieser Eigenschaften sind GaAs-Schalt-kreise (GaAs-ICs) für Hochfrequenzleistungsan-wendungen in Mobiltelefonen, für drahtlose lokale Netze (WLAN) und Global Positioning Systeme (GPS) besonders geeignet. GaAs-ICs werden zudem in der Mikrowellenelektronik, in Kabelfern-sehempfänger, in Telekommunikationsgeräten und beim Militär und in der Raumfahrt angewen-det (yoledéVeloPPeMent 2020b). Abb. 3.38 zeigt ein Schema des GaAs-Transistors.
Indiumphosphid (InP)
Heterojunction Bipolar Transistoren (HBT) und High Electron Mobility Transistoren (HEMT) auf Indiumphosphid-Basis (InP) bieten bessere Leistungen als GaAs (höhere Elektronenbeweg-lichkeit und bessere Wärmeableitung) und sind daher ideal für Hochgeschwindigkeits-RF-Anwen-dungen. Abb. 3.39 zeigt einen Querschnitt eines Komponenten und Materialien für RF-Geräte
(nicht abschließende Liste) Power
amplifiers
GaAs
Si
SOl
GaN/SiC &
GaN/Si
SiGe/Si
InP
SiGe/Si
SOI
GaAs
Si
InP
GaN
SOI
Si
SiGe/Si
GaAs
GaN/SiC &
GaN/Si
LiTaO3
Si
LiNbO3
Saphire
SOI
Si
GaAs
Glass
Saphire Low noise
amplifiers Switch Filters Antenna
tuners
Am häufigsten verwendet
Am wenigsten verwendet
Abb. 3.37: Liste der Substrate, die für die Hauptkomponenten von RF-Geräten verwendet werden (Quelle: Eigene Darstellung)
Anmerkung: SOI bedeutet Silizium-auf-Isolator. GaN/Si bedeutet, dass eine GaN-Schicht auf einem Si-Wafer aufgetragen wurde.
emitter contact
n+ contact InGaAs
n emitter InGaP or InP p+ base GaAs or InGaAs n– collector GaAs or InGaAs n+ sub collector GaAs or InGaAs
GaAs substrate base contact
collector contact
Abb. 3.38: Schema eines HBT (Heterojunc-tion Bipolar Transistor) auf einem GaAs-Substrat (Quelle: FReibeRgeR COmpOuNd mateRialS 2020b)
InP-HEMT-Bauelements. Hohe Kosten und die begrenzte Größe des Substrats beschränken den InP-Markt auf einen RF-Nischenmarkt und eine geringe Menge. InP-HF-Geräte werden derzeit in automatischen Testgeräten, Militär- und Verteidi-gungsanwendungen, Radargeräten und Sicher-heitsanwendungen eingesetzt.
Germanium (Ge)
Reine Germaniumwafer werden hauptsächlich als Substrat für III-V-Solarzellen benutzt. Ge-Wafer des Durchmessers von 300 mm können mit Hilfe des Czochralski-Kristallzuchtverfah-rens hergestellt werden. Wird Germanium epita-xisch auf Siliziumwafern gezüchtet, spricht man von epitaxischen Ge-Wafern. Ge bzw SiGe wird mittels chemischer Beschichtung aus der Gas-phase (chemical vapour deposition) auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden (siehe Abb. 3.40).
Mit Siliziumgermanium (SiGe) wird die Legierung Si1-xGex bezeichnet, welche aus einem molaren Verhältnis von Silizium und Germanium besteht.
SiGe-Bauteile werden für drahtlose Geräte, draht-lose lokale Netzwerke (WLANs), optische Kom-munikationssysteme, Festplatten, Automobilchips und Global Positioning Systeme (GPS) benutzt.
SiGe-Transistoren sind klein, rauschen wenig und sind energieeffizient, so dass sie die Batte-rielaufzeiten von mobilen Geräten verlängern.
Sie arbeiten stabiler bei hohen Temperaturen und im ultra-hochfrequenten Bereich. Sehr schnelle SiGe-Chips können mit bekannten Produktions-technologien, wie der Siliziumchipindustrie, her-gestellt werden. SiGe-Prozesse sind ähnlich teuer wie die zur Silizium-CMOS-(Complementary metal-oxide-semiconductor)-Herstellung, sind jedoch billiger als andere Heteroübergangstech-nologien wie GaAs.
Galliumnitrid (GaN)
Der Großteil der Galliumnitrid-RF-Bauelemente sind Leistungsverstärker. LNA (Low Noise Ampli-fier) und Schalter auf der Basis von GaN sind ebenfalls erhältlich, jedoch eher für Nischen-märkte (hauptsächlich militärische Anwendun-gen). Die drahtlose Infrastruktur ist der wich-tigste Antriebsmarkt für das GaN-RF-Geschäft in Zukunft (yoledéVeloPPeMent 2019b) (s. Kapitel 3.5.3 5G/6G). Die Entwicklungen von 5G und 6G werden in den nächsten Jahren zunehmen und das Volumen von GaN antreiben.
INDUCTOR
Si Plane
source Ω T-gate
drain Ω
BACKSIDE VIA
InP HEMT DEVICE h+ InGaAs
AlInAs InGaAs Buffer InP Substrate
AIRBRIDGE TFR MIM
Epitaxial Material Isolated Material Ohmic
Gate Silicon Nitride Thin Film Resistor 1st Level interconnect (FIC) 2nd Level interconnect
(Top Metal) Back metal
Substrate
Abb. 3.39: Querschnitt eines InP-HEMT- Gerätes (Quelle: deal 2014)
Abb. 3.40: Querschnittsansicht von
SiGe-Schichten unterschiedlicher molarer Verhältnisse auf einem Siliziumwafer (Quelle: CiSCO 2018)
Silizium (Si)
Silizium ist das Hauptmaterial für die RF-Kommu-nikation und ist laut EU auch ein kritisches Mate-rial (euroPeAn coMMission 2020b). Dennoch wird Si in allen Arten von integrierten Schaltkreisen verwendet, nicht nur für RF. Es wäre sinnvoll, die Menge an Si für die globale mikroelektronische Fertigung zu berechnen, nicht nur für RF. Das ist nicht der Gegenstand dieser Zusammenfassung.
Lithiumniobiat (LN) und Lithiumtantalat (LT) Lithiumniobiat (LiNbO3) (auch als LN bezeichnet) und Lithiumtantalat (LiTaO3) (auch als LT bezeich-net) sind piezoelektrische Materialien, die ein elektrisches Signal in mechanische Energie, z. B.
Schallwellen, umwandeln können und umgekehrt.
Die Filter können auf Bulk-Wafern von 4,5 oder 6“ LN oder LT hergestellt werden. Die Mehrzahl der Wafer basiert auf LiTaO3. Ein neuer Ansatz von Piezoelektrik auf Isolator (POI) nur für LiTaO3
wurde kürzlich von der Fa. SOITEC herausge-bracht (butAud et al. 2020). Das POI-Volumen ist derzeit noch gering, könnte aber in Zukunft noch zunehmen. SOITEC unterzeichnete im Juli 2020 eine Vereinbarung mit Qualcomm Incorpo-rated über die Lieferung von POI-Substraten für 4G- und 5G-RF-Filter (Joosting 2020). Ein Bulk-LT-Wafer wird auf einen Si-Wafer gebondet. Nach dem Debonding verbleibt nur eine dünne Schicht
LT auf dem Si-Wafer für die Bauelementherstel-lung. Der Rest des LT-Wafers kann theoretisch zur Herstellung eines neuen POI-Substrats wie-derverwendet werden (siehe Abb. 3.41). Eine reduzierte Verwendung von Lithium-Tantalit-Mate-rialien könnte zukunftsweisend sein, jedoch konn-ten keine Informationen über die Materialwieder-verwendung gefunden werden. Das Verfahren ist auch auf LiTaO3- und SAW-(surface acoustic wave) Filter beschränkt.
Erwähnenswert ist, dass Yttrium (ein Element der Seltenen Erden) und Thallium (hochgiftiges Material) dank ihrer Mikrowellensupraleitung auch in Filtern eingesetzt werden, die als „Hoch-temperaturfilter“ (HT-Filter) bezeichnet wer-den. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) oder Tl2Ba2CaCu2O8
(TBCCO)-Schichten werden auf Keramiksubs-trate, wie LaAlO3, MgO oder Saphir (2 Zoll Subs-trat für Massenproduktion) aufgetragen. HT-Filter sind wegen ihrer erhöhten Empfindlichkeit zur Ver-besserung des Signalempfangs und ihrer außer-gewöhnlichen Selektivität zur Unterdrückung von Störsignalen attraktiv. Sie weisen auch einen sehr niedrigen Widerstand auf, wodurch es möglich ist, sehr viel kompaktere Geräte zu bauen als die entsprechenden Geräte mit herkömmlichen Materialien. HT-Filter müssen jedoch mit einem Kühlsystem kombiniert werden, da sie bei nied-rigen Temperaturen optimal arbeiten (siMon et al.
2004). Die Hauptanwendungen von HT-Filtern lie-gen in der Basisstation der Mobilkommunikation,
A 1. Initial materials
2. Deposition/Oxidation 3. Implantation
4. Cleaning and bonding
5. Splitting
Engineered substrate
6. Annealing and CMP touch polishing 7. Wafer is refreshed and becomes new wafer A
A
A
B
B
A
A
Abb. 3.41: Piezoelektrik-auf-Insulator (POI) smart cut ™ Prozessschema von SOITEC (Quelle: butaud et al. 2020)
in Radarsystemen und in der Radioastronomie (sun & he 2014). Die Menge an Yttrium und Thal-lium konnte nicht abgeschätzt werden, sollte aber im Vergleich zu Gallium und Arsen klein sein.
3.2.5.2 Rohstoffinhalt
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf GaAs- und InP-Substrate sowie auf die piezoelektrischen Subst-rate.
Halbleiter Wafer
Der Nettogehalt von Ga, As, In und P wird auf der Grundlage der Waferdicke (AXT 2020;
Freiberger coMPound MAteriAls 2020a), der GaAs- und InP-Dichte (jeweils 5.315 g/cm3 und 4.81 g/cm3) und dem Molekulargewicht berech-net (siehe Tab. 3.40). Der Bruttoanteil des Halb-leiterelements berücksichtigt den Materialverlust während der Waferherstellung. Bei der GaAs-Herstellung liegt die Materialausnutzungsrate bei etwa 45 % (cleMM et al. 2017). Diese Mate-rialausnutzungsrate beinhaltet bereits das „Inner Loop“-Recycling, bei dem Zwischenabfälle wieder in die Wafersynthese eingeführt werden. Für die InP-Wafer-Herstellung konnten keine Daten über die Materialausnutzung gefunden werden, so dass die gleiche Rate wie bei der Herstellung von GaAs-Wafern unterstellt wird.
Keramikwafer
Der Nettoanteil von Li, Nb und Ta, der in Tab. 3.41 dargestellt ist, wurde auf Grundlage der Größe und Dicke des Wafers sowie der Materialdichte (jeweils 4.64 g/cm3 und 7.46 g/cm3 für LiNbO3
und LiTaO3) berechnet. Die Bruttomenge der Ele-mente konnte, aufgrund fehlender Informationen über die Materialausnutzung während des Wafer-herstellungsprozesses, nicht berechnet werden.
3.2.5.3 Foresight Industrielle Nutzung
InP
InP-RF-Geräte werden derzeit in automatischen Testgeräten, Militär- und Verteidigungsanwendun-gen, Radargeräten und Sicherheitsanwendungen eingesetzt. Aufgrund der begrenzten Größe und der hohen Kosten gibt es derzeit keinen Markt-druck für hochvolumige RF-Anwendungen. Es wird nicht davon ausgegangen, dass InP bis 2040 in den Massenmarkt eintreten wird, daher wird die Menge an InP-Wafern für diese Anwendung wahrscheinlich sehr niedrig und bis 2040 stabil bleiben (yoledéVeloPPeMent 2019a). Die Masse an Indium, die für die eigentliche InP-Produktion für RF-Chips benötigt wird, wird für 2018 auf etwa 1 Tonne geschätzt und sollte stabil bleiben. Die Hauptanwendung für InP-Wafer sind die optoelek-tronischen Bauelemente.
Tab. 3.40: Menge von Ga, As, In und P pro Wafer für die RF-Anwendung (Bruttobedarf)
GaAs
Wafer InP
Wafer
Wafergröße 6 Zoll 4 Zoll
Dicke 675 µm 600 µm
Materialausnutzungsrate
der Wafer-Herstellung 45 % 45 % Galliumbedarf pro Wafer 70,1 g
Arsenbedarf pro Wafer 75,3 g
Indiumbedarf pro Wafer 42,7 g Phosphorbedarf pro Wafer 11,5 g Anmerkung: Bruttobedarf ist die Menge, die für die Wafer-Herstellung benötigt wird, einschließlich der Materialverluste bei der Herstellung.
Tab. 3.41: Menge von Li, Nb und Ta pro Keramikwafer (Nettoanteil)
LiNbO3
Wafer LiTaO3 Wafer
Wafergröße 6 Zoll 6 Zoll
Dicke 500 µm 500 µm
Lithium n: 2,0 g n: 2,0 g
Niob n: 26,6 g
Tantal n: 52,2 g
Anmerkung: Nettoanteil ist die Masse der Elemente, die im Wafer enthalten ist. Sie stellt nicht für die Herstellung erforderliche Masse dar.
GaN
Die Kristallzucht von Galiumnitrid (GaN) steht derzeit noch am Anfang. Als Substrat für Halb-leiterelektronik ist GaN noch nicht verfügbar.
GaN-Bauteile werden auf Silizium- (6 Zoll) oder Siliziumkarbid- (SiC) (4 Zoll) Wafern aufgebaut.
Die GaN-Schicht beträgt auf SiC etwa 3 µm. Auf Si ist eine Pufferschicht aus AlxGa1-xN notwendig, um die Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Si auszugleichen, so dass die AlGaN/GaN-Schicht dicker ist (~5 µm). Die Fertigungsausbeute ist dann auch geringer, da die Epitaxie aufwendiger ist. Die Ga-Masse pro Wafer berechnet sich nach den Parametern in Tab. 3.42. Die Anzahl der Sili-zium- und Siliziumkarbid-Wafer für GaN-Bauele-mente bleibt im Vergleich zu GaAs-Wafern gering.
Im Jahr 2018 wurden etwa 48 000 SiC-Wafer und 400 Siliziumwafer für GaN-Bauelemente für RF verkauft. Es wird erwartet, dass der Markt in den nächsten Jahren aufgrund von 5G (siehe Kapitel 3.5.3 5G/6G) mit einer CAGR von 116 % zwischen 2018 und 2024 schnell wachsen wird.
Als Worst-Case-Szenario für das Jahr 2040 kann davon ausgegangen werden, dass der Markt für GaN-Geräte direkt mit dem Wachstum der Mobil-telefonverkäufe verbunden ist, der in der Tech-nologiesynopse „5G/6G“ (siehe Kapitel 3.5.3) vorgestellt wurde. In der Tat sollten GaN-Bau-teile massiv in der 5G/6G-Infrastruktur eingesetzt werden (siehe Kapitel 3.5.3). Wenn die Anzahl der verkauften Si/SiC-Wafer mit diesem Wachs-tum korreliert wird, lässt sich abschätzen, dass im
Jahr 2040 zwischen 1 und 2 Tonnen Ga (je nach Szenario SSP1-2-5) für GaN-HF-Bauteile benö-tigt werden. Selbst wenn man einen extremen Anstieg der Wafer-Verkäufe durch das exponen-zielle Wachstum des mobilen Internetverkehrs in Betracht zieht, bleibt die Menge an Ga in Verbin-dung mit GaN-HF-Geräten im Vergleich zu GaAs-Geräten gering.
GaAs
Gemäß yole déVeloPPeMent (2020b) ist der Bedarf an Frequenzfiltern mit GaAs-basierten Ver-stärkern weitgehend abhängig von der Anzahl der Mobiltelefone, da ca. 93 % dieser Filter in Mobil-telefonen verwendet werden. In den vergangenen Jahren nahm die Anzahl der Mobilfunkanschlüsse stark und stetig zu (stAtistA 2021a), in den letzten zehn Jahren allerdings mit deutlich abnehmen-den Wachstumsraten. Seit 2019 hat die Anzahl kaum mehr zuzgenommen. Sie übertrifft mit ca.
8,2 Milliarden Anschlüssen die Weltbevölkerung von ca. 7,8 Milliarden Menschen (stAtistA 2019b).
Das Wachstum bei den Anschlüssen wurde in den letzten Jahren vor allem von den Ländern in Asien und Afrika getragen. In Europa und Nord- und Lateinamerika hingegen wuchs die Zahl der Mobilfunkanschlüsse nur noch langsam, hier ist mittlerweile eine Sättigung erreicht. Aufgrund dieser Entwicklung des Mobilfunkmarktes in den letzten Jahren und aufgrund der Tatsache, dass die Anzahl der Mobiltelefone die Weltbevölkerung beträchtlich übersteigt, wird für die Berechnungen des Rohstoffbedarfes für GaAs-basierte Verstär-ker in Mobiltelefonen davon ausgegangen, dass die Gesamtzahl an Mobiltelefonen von 2026 an mit dem Bevölkerungswachstum ansteigt.
yole déVeloPPeMent (2020b) prognostiziert für GaAs-Halbleiter in mobilen Endgeräten ein durch-schnittliches jährliches Wachstum von 6 % von 2019 bis 2025. Für den Zeitraum von 2019 bis 2025 wurde aus den Prognosen der verkauften Mobiltelefone verschiedener Generationen (yole déVeloPPeMent 2020b) eine durchschnittliche jährliche Steigerungsrate von 81 % für 5G-Mobil-telefone errechnet. Dieses Wachstum bei den 5G-Mobiltelefonen verursacht also die 6 % jährli-chen Zuwachs bei den GaAs-Verstärkern.
Um den Bedarf an Gallium im Jahr 2040 in den verschiedenen SSPs zu ermitteln, wird für den Tab. 3.42: Menge von Ga pro Wafer für die
RF-Anwendung (Bruttobedarf) GaNon
Si GaNon
SiC
Wafergröße 6 zoll 4 zoll
GaN Dicke 5 µm 3 µm
Ga Masse in Wafer 0,5 g 0,1 g Materialausnutzungsrate
der WaferHerstellung 80 % 80 % Herstellungausbeute 70 % 90 % Galliumbedarf pro Wafer 0,6 g 0,2 g Anmerkung: Bruttobedarf ist die Menge, die für die Wafer-Herstellung benötigt wird, einschließlich der Materialverluste bei der Herstellung.
Zeitraum von 2019 bis 2025 die Yole-Prognose zugrunde gelegt. Danach wird davon ausgegan-gen, dass der unterschiedliche Datenverkehr der Digitalisierungsszenarien SSP1, SSP2 und SSP5 den Zuwachs der 5G-tauglichen Mobiltele-fone und somit der GaAs-Halbleiter nach 2025 bestimmt, wenn die 5G-Netze weitgehend aus-gebaut sein sollen. Für die einzelnen Szenarien wurden folgende Zuwachsraten zwischen 2025 und 2040 angenommen:
– SSP5: Der Anteil 5G-tauglicher Mobiltele-fone an den Mobiltelefonverkäufen nimmt von 2019 bis 2025, beginnend mit 19 Millio-nen Stück, um jährlich durchschnittlich 81 % jährlich zu. Dies setzt sich nach 2025 fort, bis zur Marktsättigung, d. h., dass 100 % der neu verkauften Mobiltelefone 5G-tauglich sind. Dieses Wachstum entspricht laut yole déVeloPPeMent (2020b) einem durchschnittli-chen jährlidurchschnittli-chen Zuwachs an GaAs-Verstärker von 6 %. Durch Einführung von 6G ab 2030 wiederholen sich diese Wachstumsraten, so dass ab 2039 alle verkauften Mobiltelefone 6G-tauglich sind.
Weil jedoch die Verstärker für Frequenzen jenseits der 6Hz auch in Siliziumtechnik ausgeführt sein können (Integration in Sili-ziumtechnologie), wird für den Zeitraum ab 2030 alternativ nur mit einem Wachstum der 5G/6G-Mobiltelefone von 0,7 % gerechnet, was der jährlichen Zunahme der Weltbevölke-rung in diesem Zeitraum entspricht. Die jähr-liche Zunahme der GaAs-Halbleiter beträgt damit 0,14 % in diesem Zeitraum.
– SSP2: Der Anteil 5G-tauglicher Mobiltele-fone an den Verkäufen wächst nach 2025 um durchschnittlich 40 % jährlich bis zur Marktsättigung. Ab 2030 soll der Anteil der dann 6G-tauglichen Mobiltelefone beginnend mit 9,5 Millionen Stück wiederum um durch-schnittlich 40 % jährlich zunehmen bis maxi-mal zur Marktsättigung.
Alternativ wird davon ausgegangen, dass ab 2030 die weitere Zunahme nur gemäß dem Weltbevölkerungswachstum erfolgt, da die 6G-spezifischen Frequenzen jenseits der 6 GHz in siliziumbasierter Technologie aus-geführt bzw. darin integriert werden.
– SSP1: Der Anteil 5G-tauglicher Mobiltelefone wächst nach 2025 nur um jährlich 0,7 %, was
der Zunahme der Weltbevölkerung laut stA
-tistA (2019b) entspricht. Die Einführung von 6G ab 2030 bis 2036 verursacht wie in SSP2 eine jährliche Zunahme von 40 % beginnend mit 9,5 Millionen Stück. Danach wächst der Anteil dieser Telefone wieder analog zur Zunahme der Weltbevölkerung in diesem
-tistA (2019b) entspricht. Die Einführung von 6G ab 2030 bis 2036 verursacht wie in SSP2 eine jährliche Zunahme von 40 % beginnend mit 9,5 Millionen Stück. Danach wächst der Anteil dieser Telefone wieder analog zur Zunahme der Weltbevölkerung in diesem