Neue Halbleitermaterialien China erforscht die „4. Generation“ von Halbleitern

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Die Stadt Shanghai bereitet sich auf die „vierte Generation von Halbleitern“ vor. Die Herstellung von Chips aus Materialien wie Galliumoxid, Diamant und Aluminiumnitrid ist gerade offiziell in die Entwicklungsstrategie der Stadt aufgenommen worden.

Wie das chinesische Elektronikportal Zhongguo Dianzibao berichtet, werden in Shanghai die Bemühungen zur Herstellung von Chips aus Halbleitermaterialien der „vierten Generation“ offiziell befeuert, und zwar mit der Aufnahme in die Entwicklungsstrategie der Stadt. Aus diesem Grund sollen entsprechende Unternehmen und Labors in mehreren neuen Wissenschafts- und Technologieclustern angesiedelt werden. Dazu zählen unter anderem „Oriental IC Port“ und „Lingang Science and Innovation City“.

Die größte Stadt Chinas positioniert sich schon seit geraumer Zeit als eine Hochburg der Entwicklung fortgeschrittener Halbleiter in der Volksrepublik. Obwohl die Fertigung von Chips aus den neuen Materialien gerade erst noch erforscht wird, möchten sich die Industriepolitiker in Shanghai schon jetzt als bester Standort für diese Zukunftsindustrie empfehlen.

Die Generationen der Halbleiterei

In der chinesischen Fachliteratur wird die Chipfertigung gerne nach Generationen eingeteilt. Die erste waren klassische Silizium-Halbleiter, zur zweiten gehören Verbindungshalbleiter aus Galliumarsenid und anderen Materialien. Generation 3 sind solche Halbleiter mit ultrabreiter Bandlücke aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid.

In der nun erforschten vierten Generation gilt insbesondere Galliumoxid wegen seiner physikalischen Eigenschaften als Hoffnungsträger für besonders hitzebeständige und zugleich kostengünstig herstellbare Halbleiter. Sie ermöglichen höhere Durchbruchspannungen und Betriebstemperaturen. „Mit seiner ultrabreiten Bandlücke besitzt Galliumoxid theoretisch eine Durchbruchfeldstärke, die zehnmal so hoch ist wie die von Silizium und dreimal so hoch wie die von Siliziumkarbid. Sein Baliga-Gütefaktor (Baliga Figure of Merit oder BFOM) liegt mehr als 3.000 Mal höher als das von Silizium“, schreibt das Halbleiter-Fachportal Jibang Huahewu Bandaoti.

BFOM beschreibt das theoretische Leistungsvermögen eines Halbleitermaterials. Mit der Durchbruchfeldstärke ist die maximale elektrische Feldstärke gemeint, die das Material aushält, bevor es zum elektrischen Durchbruch kommt. Galliumoxid gehört zu den Materialien, aus denen sich „Ultra-Wide-Bandgap-Halbleiter“ mit solchen Eigenschaften herstellen lassen, sofern momentan noch bekannte technische Hürden überwunden werden können.

Noch wichtiger für die Praxis ist, dass Galliumoxid der einzige Halbleiter mit sehr großer Bandlücke ist, der offenbar mit einer kostengünstigen Schmelzzüchtung produziert werden kann. Es sei vorstellbar, dass die Kosten für die Wafer damit künftig in die Nähe von Saphir oder sogar Silizium sinken könnten, heißt es in den chinesischen Berichten.

Immer größere Einkristalle

Im vergangenen Jahr haben chinesische Forschungsinstitute und Unternehmen eigenen Angaben zufolge eine Reihe technologischer Durchbrüche mit diesen Materialien erzielt. Genannt werden in diesem Kontext die Herstellung immer größerer Einkristalle, das epitaktische Wachstum oder auch die Entwicklung entsprechender Fertigungsanlagen.

Die Technologie befinde sich zwar noch in einer frühen Phase der Industrialisierung, und der Yield, also die Ausbeute bei der Produktion, sowie andere Parameter seien derzeit noch stark verbesserungsfähig. Dennoch werde mit den vielen vereinzelten Fortschritten gerade „schrittweise die Grundlage für industrielle Anwendungen gelegt“, schreibt das Fachmedium.

Die Investitionen in die eigene Forschung und Entwicklung gibt es nicht erst, seitdem die USA versuchen, China durch Handelsboykotte den Zugang zu fortgeschrittenen KI-Chips zu verwehren. Während es aber erkennbar schwer ist, Unternehmen wie das taiwanesische TSMC oder auch Nvidia technologisch bei Chips der jetzigen Generation einzuholen, sieht man eine Chance, bei neuen Technologien von Anfang an auf Augenhöhe zu entwickeln.

„Galliumoxid besitzt eine Bandlücke von 4,9 Elektronenvolt und einen Schmelzpunkt von 1740 Grad Celsius. Es weist eine hohe Strahlungsresistenz und Temperaturbeständigkeit auf“, schreibt die Zhongguo Dianzi Bao.

Der Zeit voraus

Während das Moore’sche Gesetz immer weiter an seine Grenzen stößt und gleichzeitig die Nachfrage nach leistungsstarken Halbleitern wächst, will man sich in Shanghai rechtzeitig eine eigene Versorgung mit allen Schlüsselkomponenten künftiger Lieferketten sichern.

Für Anwendungen in vielen Zukunftsindustrien wie intelligente Stromnetze, das Schnellladen von E-Autos, moderne Wechselrichter für die Photovoltaik oder KI-Rechenzentren seien leistungsfähige und zugleich kostengünstig zu produzierende Halbleiter von entscheidender Bedeutung, heißt es in den Verlautbarungen aus Shanghai. Man wollte rechtzeitig mit dem „Aufbau von Produktionslinien und einem neuen industriellen Ökosystem“ beginnen, hieß es.

Entsprechende Ziele sind unter anderem im jüngsten Regierungsbericht des Shanghaier Bürgermeisters Gong Zheng nachzulesen, in dem auch viel von anderen Zukunftstechnologien wie etwa „Brain Computer Interfaces“ (BCI) die Rede ist.  (sb)

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