Post-Silizium-Ära im Reich der Mitte Unabhängigkeit vom Silizium: China entwickelt Halbleiter aus 2D-Materialien

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China setzt im Chip-Krieg mit den USA auf 2D-Materialien. Die nur ein oder zwei Atome dicken Schichten aus Nanomaterialien könnten den Weg in eine neue „Post-Silizium-Ära“ der Halbleiter-Fertigung ebnen, hofft man in Peking.

In den vergangenen Wochen hat es nun gleich zwei Durchbrüche bei Forschungen mit 2D-Materialien in der Volksrepublik China gegeben, die zwar voneinander unabhängig sind, die aber beide gleichermaßen darauf hinweisen, dass die Hoffnungen in Peking auf eine Post-Silizium-Ära größer sein könnten, und nicht nur ein aus der Not geborener Traum.

Der erste Durchbruch stammt aus dem Bereich der Grundlagenforschung und ist einem Forscherteam am „Institute of Physics“ (IOP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking gelungen. Die Forscher haben erstmals eine Methode zur Herstellung von Metallschichten im 2D-Bereich entwickelt, die stabil und von ihrer Ausdehnung her für die Fertigungsindustrie brauchbar sind. Bislang war dies schon mit Graphen möglich, jener zweidimensionalen Kohlenstoff-Modifikation, für deren Entdeckung Novoselov und Greim mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden sind.

Metallatome hatten sich bislang allen Versuchen widersetzt, sich in ähnlich stabile 2D-Schichten pressen zu lassen wie die Kohlenstoff-Atome im Graphen. Genau diese Hürde der Forschung mit 2D-Materialien aus Metall haben die IOP-Forscher aus Peking nun überwunden, wie sie in einem Aufsatz im Wissenschaftsjournal „Nature“ schreiben.

Mut zur Lücke

Dem Aufsatz mit dem Titel „Realization of 2D metals at the ångström thickness limit“ zufolge ist es mit einer neuen Methode gelungen, aus fünf verschiedenen Metallen jeweils Schichten zu fabrizieren, die nur ein Atom dick sind. Das sind also Metallschichten, die etwa ein Millionstel der Dicke eines DIN-A4-Blattes haben, oder „ein 200.000stel vom Durchmesser eines menschlichen Haares“.

Besonders eines dieser dünn ausgequetschten Metalle, Wismut, zeigt in seiner neuen 2D-Version eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit. Damit eröffnen sich möglicherweise gänzlich neue Möglichkeiten für den Einsatz von 2D-Metallen in der Entwicklung elektronischer Komponenten. „Sie könnten beispielsweise als Interconnect in Chips oder sogar als Kernmaterial für die Chipherstellung dienen“, sagte der an den Experimenten beteiligte Spezialist für Nanomaterialien Zhang Guangyu gegenüber dem chinesischen Fernsehsender CCTV. Auch für ultrasensible Sensoren oder transparente Anzeigen der Zukunft sei die neue Technologie möglicherweise richtungsweisend, sagen die Forscher.

In einer Bewertung der Entdeckung schreibt Javier Sanchez-Yamagishi, eine Autorität im Bereich der 2D-Materialien an der University of California, Irvine, dass die chinesischen Wissenschaftler zwar nicht die ersten seien, die so dünne Metallschichten produziert haben, dass ihre Methode aber deshalb bemerkenswert sei, weil sich damit „großflächige, wahre 2D-Metalle“ erzeugen lassen. Die Einschätzung des amerikanischen Forschers ist ebenfalls in Nature nachzulesen. Außer Wismut hat das Team in Peking auch stabile 2D-Schichten aus Gallium, Indium, Zinn und Blei mit ihrer neu entwickelten, „Van-der-Waals“- oder vdW-Squeezing genannten Methode angefertigt.

Über die fünf Metalle hinaus sei das Verfahren aber auch für völlig andere Materialien nutzbar, was „vollkommen neue Sphären der zweidimensionalen Metallforschung“ eröffne und „Innovationen in der Materialwissenschaft auslösen“ könne, wie die amtliche chinesische Nachrichtenagentur Xinhua schreibt.

GAAFET aus Wismut-Oxiselenid

Der zweite, ebenfalls in den vergangenen Wochen bekannt gewordene Durchbruch im 2D-Bereich, stammt nicht aus der Grundlagenforschung, sondern betrifft eine konkrete Anwendung der neuen Technologie. Ein anderes Team von chinesischen Wissenschaftlern, dieses Mal an der Peking-Universität, hat eigenen Angaben zufolge den ersten GAAFET (Gate-All-Around-Field-Effect-Transitor) der Erde entwickelt, der nicht aus Silizium, sondern aus Wismut-Oxiselenid (Bi₂O₂Se) gefertigt ist.

Dieser im Februar im Wissenschaftsjournal „Nature Materials“ veröffentlichte Prototyp eines 2D-Transistors habe sich in Tests als „40 Prozent schneller“ erwiesen als 3-Nanometer-Silizium-Chips von Intel und TSMC, behaupten die chinesischen Forscher, verbrauche dabei aber zehn Prozent weniger Energie. „Es ist der schnellste, effizienteste Transistor aller Zeiten“, heißt es auf der Webseite der Peking-Universität.

„Wenn man Chip-Innovationen auf der Basis von existierenden Materialien als ‚Abkürzung‘“ bezeichnet, dann ist unsere Entwicklung eines auf 2D-Materialien basierenden Transistors so etwas wie ein Wechsel auf die Überholspur“, wird der Teamleiter, Professor Peng Hailin, von der South China Morning Post zitiert.

Siliziumfreie Chips

Ob und wann diese zwei Erfindungen und Entwicklungen in der Zukunft wirklich zu neuen Chips ohne Silizium führen und ob sie damit China die Herstellung modernster, superschneller Halbleiter ermöglichen werden, die dem Land derzeit durch Boykotte aus den USA, Europa und Japan verwehrt ist, wird erst die Zukunft zeigen. Deutlich ist aber schon jetzt, dass es die Regierung ernst meint mit dem Versuch, die Chipboykotte der USA durch intensive Anstrengungen in der Forschung & Entwicklung von 2D-Materialien auszuhebeln.

Mehr als 100 Wissenschaftler von 45 Universitäten in China haben zu diesem Zweck im Juli vergangenen Jahres gemeinsam eine Strategie mit dem Titel „Zweidimensionale Materialien für die Informationstechnologie der Zukunft: Status und Aussichten“ veröffentlicht. Darin verbirgt sich eine Art nationaler Kraftakt, der von der Regierung angeschoben und vor dem Hintergrund der Chipboykotte von vielen der Forscher - ob Mitglieder der Kommunistischen Partei oder nicht - mit großem patriotischem Eifer begrüßt und mit vielen Überstunden im Labor vorangetrieben wird.

Ähnlich wie in großen Unternehmen wie Intel, TSMC oder imec wird nun auch in China massiv in die Erforschung von 2D-Materialien in der Halbleiterindustrie investiert. Während diese Technologie jetzt an der Schwelle vom Labor zur industriellen Fertigung steht, sind Erfolge chinesischer Wissenschaftler, wie die hier zitierten, hochaktuell. Statt sich auf von einem „Chip-Krieg“ um fortgeschrittene Halbleiter, Lithografie-Maschinen und Design-Software aus den USA, den Niederlanden oder Japan einzulassen, will China von Anfang das Post-Silizium-Zeitalter anführen. Das Ziel: sich so unabhängig von aktuellen und künftigen Anfeindungen seitens der USA und ihrer Verbündeten in der Halbleiterindustrie machen. China macht auf diesem Weg gerade erkennbare Fortschritte. (sb)

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