Die digitale Revolution erfasst immer breitere Segmente der Gesellschaft, könnte aber ohne moderne Halbleiter in hinreichenden Mengen ganz schnell ins Stocken geraten. Um dafür immer schnellere und bessere Chips zu entwickeln, die in ihrem Stromhunger nicht gleich die dringend benötigte Energiewende zunichtemachen, sind neue Materialien jenseits des klassischen Siliziums unerlässlich.
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Die digitale Revolution erfasst immer breitere Segmente der Gesellschaft, könnte aber ohne moderne Halbleiter in hinreichenden Mengen ganz schnell ins Stocken geraten. Um dafür immer schnellere und bessere Chips zu entwickeln, die in ihrem Stromhunger nicht gleich die dringend benötigte Energiewende zunichtemachen, sind neue Materialien jenseits des klassischen Siliziums unerlässlich.
Sie blocken Leckströme, also unerwünschte Stromverluste, sorgen für energieeffiziente Rechenkraft u.a. für den mobilen Einsatz und ebnen Ökoenergie aus Wind- und Sonnenkraftwerken den Weg in die Netze.
„Noch vor etwa 25 Jahren war die Zahl der Stoffe, die für die Mikroelektronik wichtig waren, sehr übersichtlich“, skizziert Nanoelektronik-Professor Thomas Mikolajick von der TU Dresden diesen Trend. „Seither ist diese Zahl regelrecht explodiert und die Halbleitertechnologie hat sich auf einen großen Teil des Periodensystems ausgedehnt.“ Darunter sind einige Elemente und Verbindungen, an die die Branche besonders viele Hoffnung für die nahe Zukunft knüpft – hier eine kleine „Tour d’Horizon“:
Sie gelten als Hoffnungsträger für die dreidimensionalen Logik- und Speicher-Schaltkreise der übernächsten Generation. Als transparente Verbindungshalbeiter sind sie bereits seit Jahren beispielsweise in der Solarzellen- und Bildschirmfertigung im Einsatz. Diese Metalloxide eignen sich aber auch für das 3D-CMOS-Konzept. Das wird nach Expertenschätzungen in etwa fünf bis zehn Jahren in den Fokus der Halbleiterindustrie rücken, wenn sie vor dem Vorstoß in die Sub-Nanometer-Welt steht. Dann könnten ITO und IGZO den Schlüssel für dreidimensional übereinandergestapelte Transistorebenen liefern. 3D-Architekturen gibt es zwar schon für einzelne Transistoren wie den FinFET oder für Speicher in USB-Sticks, nicht aber für komplexe Logikschaltungen. An den Technologien forscht vor allem das Imec in Belgien, aber auch die TU Dresden.
Sie sollen preiswertere und leistungsfähigere Speicherzellen ermöglichen.
Sie eignen sich für Memristoren. Das ist Elektronik, die sich frühere Zustände „merkt“, also gewissermaßen „Erfahrungen sammelt“. Panasonic und TSMC produzieren bereits derartige Speicher.
… ist in seiner orthorombischen Version (Kristall mit drei senkrechten Achsen) ein ferroelektrisches Material und ein Hoffnungsträger für schnelle Speicher und KI-Hardware. Der Durchbruch gelang vor allem in Dresden: einst bei Qimonda und dann im NaMLab der TU, im Fraunhofer CNT und in der „NaMLab“-Ausgründung „FMC“.
Beide sind Halbleiter mit hoher Bandlücke zwischen den äußersten Elektronenbändern. Dadurch vertragen sie höhere Spannungen und stärkere Ströme als gewöhnliche Silizium-Bauelemente und setzen Strom weniger Widerstand entgegen. In Sachsen stellt unter anderem das X-FAB -Werk in Dresden Galliumnitrid-Halbleiter her.
Gallium-Arsenid wird bereits seit Jahren für Hochfre
quenz-Elektronik verwendet. Der Einsatz als Material für Leistungselektronik ist noch recht neu. Denkbar ist, damit eine Nische zwischen Silizium im unteren Leistungsspektrum und Siliziumkarbid beziehungsweise Galliumnitrid auf der anderen Seite abzudecken. Sachsen gilt als wichtiger Standort für die Gallium-Arsenid-Halbleitertechnologie. Zu den Pionieren gehören hier die Freiberger Compound Materials (FCM) und die „3-5 Power Electronics“ aus Dresden.
Galliumoxid könnte nach Siliziumkarbid und Galliumnitrid die nächste Generation von Leistungselektronik ermöglichen. Diese Technologie befindet sich aber noch in der Forschungsphase.
Hightech-Unternehmen und Forschungseinrichtungen in Sachsen beschäftigen sich mit mehreren dieser vielversprechenden Materialentwicklungen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt unter anderem in der Leistungselektronik. Zu den Leuchttürmen gehören in diesem Segment beispielsweise in Freiberg ein Galliumnitrid-Forschungszentrum sowie Freiberger Compound Materials (FMC), außerdem das NaMLab der TU Dresden, die Leistungselelektronik-Produktion von Infineon, die Galliumnitrid-Linie von X-FAB in Dresden und andere mehr.
Dieser Artikel ist erstmalig im Rahmen unseres Magazins NEXT "Im Fokus: Mikroelektronik" erschienen. Zur Gesamtausgabe des Magazins Weitere Artikel: Computingtrends: Quantencomputer, neuromorphe Rechner und abhörsichere Telefonie Deutschlands Mikroelektronik-Landschaft – Das Halbleiterherz Europas schlägt hier European Chips Act: Gut, aber gut genug?
