Effiziente Leistungshalbleiter China fertigt Diamant-Chips in Serie

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Leistungshalbleiter aus Diamant? Tatsächlich wird weltweit daran geforscht. Der Grund: Diamant hat eine größere Bandlücke als Silziumkarbid, ist deswegen besonders gut geeignet für Leistungs- und Hochfrequenzanwendungen. Chinesischen Forschenden soll nun ein Durchbruch bei der Herstellung von Diamant-Wafern gelungen sein.

Ein Vergleich aus der Welt der Berge hilft. Halbleiter aus Diamant sind so etwas wie der „Mount Everest“ unter den Halbleitern. Ein chinesisches Forscherteam meldet nun einen Durchbruch bei der Produktion von einkristallinen Diamant-Substraten, einem der bisherigen Engpässe auf dem Weg zum Gipfel.

Das Team um Wang Hongxing an der Xian-Jiatong-Universität habe mithilfe von plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD; plasma-assisted chemical vapour deposition) erfolgreich 2 inch (5 cm) große heteroepitaktisch aufgewachsene einkristalline Diamantsubstrate in Serie gefertigt, berichtet das chinesische Elektronik-Fachportal Dianzi Gongcheng Zhuanji.

Diamant: Bandlücke von 5,5 Elektronenvolt

Das ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zum oben genannten Gipfel, den Wissenschaftler weltweit versuchen zu erklimmen. Einer der Engpässe war bislang der Mangel an Substraten von ausreichender Größe, ohne die nicht genügend Diamant-Einkristalle für die benötigte Halbleiterfläche gezüchtet werden können.

Diamant hat eine noch größere Bandlücke als zum Beispiel Siliziumkarbid – nämlich rund 5,5 eV. Das macht Diamant-Halbleiter für eine ganze Reihe von Applikationen mit hohen Anforderungen an die Rechenleistung zu einer Art „ultimativen Lösung“, von Quanten-Computern über Kommunikations-Satelliten bis hin zu ultra-effizienten Powertrains der nächsten Generation in E-Autos oder Zügen.

Diamant leitet Wärme 13-mal besser als Silizium

Diamant zeigt auch eine hohe thermische Leitfähigkeit. Der Wärmeleitwert ist vier Mal so groß wie der von Siliziumkarbid und 13-mal so groß wie der von Silizium. Daher sollen Diamant-Chips bei der Verarbeitung von Daten mit hoher Geschwindigkeit mehr als 1.000-mal so effizient sein wie herkömmliche Halbleiter auf Silizium-Basis.

Allerdings ist der nun in Xian gelöste Engpass nur einer von mehreren. Experten schätzen, dass Halbleiter aus Diamant frühestens im Jahr 2030 kommerziell verfügbar sein werden und sich erst zwischen 2040 und 2050 für den Massenmarkt durchsetzen können.

Fertigung von einkristallinen Diamant-Wafern

Doch wer weiß schon, wie akkurat solche Prognosen sind, wo sich doch das internationale Rennen um die Entwicklung von Diamant-Chips gerade eindeutig beschleunigt. Dem amerikanischen Unternehmen „Diamond Foundry“, gegründet von Ingenieuren mit Abschlüssen von MIT, Stanford und Princeton, ist im Oktober vergangenen Jahres die Fertigung eines Einkristall-Diamant-Wafers mit einem Durchmesser von 100 mm und einem Gewicht von 100 Karat gelungen.

Auch in Japan wird mit Hochdruck an den Materialien und Prozessen zur Fertigung von Diamant-Halbleitern geforscht. Anfang vergangenen Jahres konnte die japanische Firma Orbray in Kooperation mit der Saga-Universität unweit von Fukuoka eine Diamant-Schicht auf einem Saphir-Substrat epitaxieren.

Auch sie war „2 inch“ groß. Ein Hochleistungs-Chip auf dieser Basis kann mit einem Output von 875 MW / cm² arbeiten, einem bisher nie für möglich gehaltenen Wert, berichteten japanische Medien.

Forschungen an Diamant-Chips

Andere Forscher an der Chiba-Universität östlich von Tokio haben im Sommer vergangenen Jahres ein neues Verfahren zum Schneiden von Diamant mit Lasern entwickelt, das für die Produktion von Diamant-Wafern in großen Mengen nützlich sein könnte.

Und auch in China wird intensiv an der Entwicklung von Diamant-Chips gearbeitet. Das „Wide Bandgap Semiconductor Materials and Devices Research Center“ an der Xian-Jiatong-Universität, das gerade den aktuellen Forschungserfolg melden konnte, war schon im Jahr 2013 gegründet worden und erforscht seither unter anderem auch Diamant als Halbleiter-Material.

Patent von Huawei für hybrides Bonden

Im vergangenen November meldeten Mitarbeiter des chinesischen Tech-Konzerns Huawei und das „Harbin Institute of Technology“ gemeinsam ein neues Patent an, das sie „eine Methode zum hybriden Bonden von dreidimensionalen integrierten Chips auf der Basis von Silizium und Diamant“ nannten.

Ähnlich wie bei Diamond Foundry in San Francisco glaubt man offenbar auch bei Huawei, dass die Kombination von Silizium- und Diamant-Halbleitern besonders vielversprechend ist. Gelingt hier die kommerzielle Fertigung, so ließen sich etablierte Prozesse nutzen, um Chips mit besserer Wärmeleitung und höherer Effizienz zu produzieren. (me)

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* Henrik Bork, langjähriger China-Korrespondent der Süddeutschen Zeitung und der Frankfurter Rundschau, ist Managing Director bei Asia Waypoint, einer auf China spezialisierten Beratungsagentur mit Sitz in Peking.

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