China steigert Produktionsgeschwindigkeit neuartiger 2D-Halbleiter um das Tausendfache

Die Geschwindigkeitsgrenze bei atomar dünner Elektronik durchbrechen

Chinesische Forscher haben einen Durchbruch in der Fertigung bekannt gegeben, der die globale Halbleiterlandschaft verändern könnte: Sie entwickelten ein Verfahren, mit dem sich zweidimensionale Halbleitermaterialien etwa 1.000-mal schneller herstellen lassen als mit herkömmlichen Techniken. Die von Wissenschaftlern der National University of Defence Technology und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitete Innovation löst einen kritischen Engpass, der die kommerzielle Nutzung von Chips der nächsten Generation seit Langem behindert.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Zhu Mengjian veröffentlichte seine Ergebnisse am 26. März gemeinsam mit den Kollegen Ren Wencai und Xu Chuan vom Institute of Metal Research in der Fachzeitschrift National Science Review. Die Arbeit beschreibt ein modifiziertes Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung, mit dem großflächige Schichten aus Wolfram-Silizium-Nitrid mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 Mikrometern pro Minute hergestellt werden. Das ist eine drastische Steigerung gegenüber früheren Vergleichswerten: Damals dauerte es fünf Stunden, um gerade einmal 0,001 Millimeter wachsen zu lassen.

Warum Silizium an seine Grenzen stößt

Seit mehr als fünf Jahrzehnten folgt die Elektronikindustrie dem Mooreschen Gesetz. Es besagt, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, während die Kosten sinken. Diese Entwicklung hat alles geprägt, von Smartphones bis hin zu Supercomputern, und eine Billionen-Dollar-Industrie auf Basis von Silizium geschaffen. Doch da die Abmessungen der Transistoren sich der atomaren Größenordnung nähern, greift die Grundlagenphysik zunehmend ein.

Unterhalb von etwa 5 Nanometern zeigen Elektronen in Silizium quantenmechanische Verhaltensweisen, die das klassische Rechnen beeinträchtigen. Durch Quantentunneln können Elektronen Isolationsbarrieren durchdringen, die sie eigentlich aufhalten sollten. Gleichzeitig lässt sich die Wärme immer schwerer abführen, je dichter die Bauteile gepackt sind. Diese physikalischen Einschränkungen drohen den Fortschritt zu stoppen, auf dem die moderne technologische Entwicklung beruht.

Der Bedarf an Rechenleistung steigt weiter rasant, vor allem getrieben durch Systeme künstlicher Intelligenz und große Sprachmodelle, die exponentiell mehr Verarbeitungskapazität benötigen. Branchenprognosen zufolge könnte der Rechenbedarf für KI bis 2030 gegenüber dem Stand von 2023 um das Tausendfache steigen. Die wachsende Kluft zwischen dem Bedarf und den physikalischen Grenzen von Silizium hat weltweit die Suche nach alternativen Materialien ausgelöst, mit denen sich die herkömmliche Halbleiterfertigung erweitern oder ersetzen ließe.

Das Potenzial zweidimensionaler Materialien

Zweidimensionale Halbleiter zählen zu den vielversprechendsten Ansätzen, um über herkömmliches Silizium hinauszugehen. Diese Materialien sind mitunter nur ein Atom dick und leiten Strom auf eine Weise, die sich grundlegend von der in dreidimensionalen Kristallen unterscheidet. Anders als bei massivem Silizium, bei dem der Kanal für den Stromfluss aus einem festen Block herausgearbeitet werden muss, sind 2D-Halbleiter von Natur aus dünn. Daher muss kein Material physisch abgetragen werden, um Strukturen im Nanomaßstab zu erzeugen.

Quanteneinschlusseffekte in diesen ultradünnen Schichten können die elektrischen Eigenschaften sogar verbessern, statt sie zu verschlechtern. Werden Elektronen auf eine zweidimensionale Bewegung beschränkt, steigt ihre Mindestenergie. Dadurch verbreitert sich effektiv die Bandlücke, die bestimmt, ob ein Transistor ein- oder ausgeschaltet ist. 2D-Materialien könnten bei vergleichbaren Abmessungen somit eine höhere Energieeffizienz und geringere Leckströme als Silizium erreichen und sich damit für Technologien mit Strukturbreiten unter 5 Nanometern eignen.

Mehrere 2D-Materialien haben bereits leistungsstarke Eigenschaften gezeigt. Molybdändisulfid und Molybdändiselenid, Verbindungen aus der Gruppe der Übergangsmetalldichalkogenide, verfügen über natürliche Bandlücken, durch die sie zwischen leitendem und isolierendem Zustand wechseln können. Diese n-Typ-Materialien, in denen Elektronen den elektrischen Strom transportieren, ließen sich im Labor vergleichsweise einfach herstellen. Für praktische integrierte Schaltungen sind jedoch komplementäre Materialpaare erforderlich.

Die Krise bei p-Typ-Materialien lösen

Moderne Transistorarchitekturen beruhen auf dem Zusammenspiel zweier Halbleitertypen: n-Typ, bei dem Elektronen als Ladungsträger dienen, und p-Typ, bei dem Löcher – also fehlende Elektronen im Kristallgitter – positive Ladung transportieren. Diese komplementäre Metalloxid-Halbleiterarchitektur, bekannt als CMOS, bildet die Grundlage der gesamten modernen digitalen Logik. Jedes NAND-, NOR- und NOT-Gatter benötigt beide Varianten, die zusammenarbeiten.

Während n-Typ-2D-Halbleiter weit verbreitet sind, blieben leistungsstarke und stabile p-Typ-Pendants hartnäckig schwer zu finden. Zhu Mengjian bezeichnete diesen Mangel als kritischen Engpass und als hart umkämpftes Forschungsgebiet der Halbleiterforschung. Ohne zuverlässige p-Typ-Materialien können Ingenieure die grundlegenden Logikgatter, auf denen die Datenverarbeitung beruht, nicht bauen – ganz gleich, wie gut die n-Typ-Materialien sind.

Das chinesische Team identifizierte Wolfram-Silizium-Nitrid als Lösung für dieses Ungleichgewicht. Das Material zeigt von Natur aus p-Typ-Verhalten, ohne dass eine externe Dotierung nötig ist, die häufig zu Instabilität führt. Die Schichten wiesen eine hohe Lochbeweglichkeit und Stromdichte sowie robuste mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaften sprechen dafür, dass das Material die mehrstufigen lithografischen Prozesse der kommerziellen Chipfertigung ohne Risse oder Ablösung vom Substrat überstehen kann.

Professor Peng Hailin von der Peking-Universität, der an einem separaten, aber verwandten 2D-Transistorprojekt mit Wismutoxyselenid arbeitet, erläuterte die grundlegende Bedeutung dieses Dotierungsgleichgewichts. In dieser ebenfalls auf Architekturen nach dem Silizium ausgerichteten Forschung erzielte sein Team eine um 40 Prozent höhere Geschwindigkeit als Intels neueste 3-nm-Chips bei 10 Prozent geringerem Stromverbrauch. Die Gruppe der Peking-Universität beschrieb ihre Entwicklung als Spurwechsel statt Abkürzung und signalisierte damit eine grundlegende Abkehr von siliziumbasierten Designs.

Die Innovation mit Gold und Wolfram

Die entscheidende Innovation hinter dem Durchbruch bei der Produktionsgeschwindigkeit bestand darin, das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zur Herstellung von 2D-Halbleiterschichten neu zu gestalten. Bei herkömmlichen CVD-Verfahren strömen Vorläufergase über erhitzte Substrate; anschließend wird gewartet, bis die Atome Schicht für Schicht kristallisieren. Dieses Verfahren war bislang äußerst langsam. Daher war der Schritt von Millimeter großen Labormustern zu den 300-Millimeter-Wafern der kommerziellen Fertigung wirtschaftlich nicht machbar.

Das Forschungsteam ersetzte das übliche feste Substrat durch eine zweilagige Schicht aus flüssigem Gold und Wolfram. Die Oberfläche des flüssigen Goldes weist keine Korngrenzen auf und bietet so eine gleichmäßig glatte Vorlage für die Keimbildung der Kristalle. Dadurch können sich Vorläuferatome deutlich schneller über die Oberfläche bewegen als auf herkömmlichen festen Substraten. Zugleich liefert die darunterliegende Wolframschicht einen der für den Wolfram-Silizium-Nitrid-Film benötigten Grundstoffe. Damit sinkt die Abhängigkeit von der Zufuhr aus der Gasphase, die das Wachstum häufig begrenzt.

Durch diese Änderung des Substrats konnten Monolagen mit Abmessungen von etwa 36 mal 18 Millimetern hergestellt werden. Damit rücken 2D-Halbleiter in den Bereich der Waferfertigung. Das resultierende Material zeigte eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit, Robustheit und Wärmebeständigkeit – Eigenschaften, die für anspruchsvolle Chipanwendungen erforderlich sind. Die Produktionsgeschwindigkeit stieg von etwa 0,00004 Zoll in fünf Stunden auf rund 0,0008 Zoll pro Minute. Das entspricht der tausendfachen Beschleunigung, die in der Branche Aufmerksamkeit erregt hat.

Das Verfahren ermöglicht außerdem eine präzise Kontrolle der Dotierungseigenschaften, sodass Ingenieure die elektrischen Eigenschaften der entstehenden Schichten anpassen können. Diese Einstellbarkeit ist entscheidend, um 2D-Materialien in bestehende CMOS-Architekturen zu integrieren – ein notwendiger Schritt auf dem Weg zur kommerziellen Nutzung. Die Kompatibilität mit der bestehenden Halbleiterinfrastruktur könnte die künftige Integration vereinfachen. Die Übertragung von der derzeit demonstrierten Größe auf vollständige Produktionswafer bleibt jedoch eine erhebliche technische Herausforderung.

Globaler Wettbewerb und strategische Folgen

Der Durchbruch in der Halbleiterforschung fällt in eine Phase zunehmenden technologischen Wettbewerbs zwischen den großen Wirtschaftsmächten. Daten der CAS Content Collection zufolge haben chinesische Einrichtungen bei Fachveröffentlichungen und Patenten im Bereich der Mikroelektronik stark zugelegt. Das Land meldet zahlreiche kommerziell ausgerichtete Patente an. Die Vereinigten Staaten verfolgen unterdessen mit dem CHIPS and Science Act eine offensive Strategie, um ihre Führungsposition zu behaupten. Das Gesetz stellte 52,7 Milliarden US-Dollar bereit, um die heimische Fertigung und Forschung zu stärken.

Geopolitische Spannungen haben die globalen Lieferketten verkompliziert. Im Oktober 2022 eingeführte Exportkontrollen schränken Chinas Zugang zu hochentwickelter Halbleiterausrüstung und Rechenchips ein. Die Beschränkungen sollen Chinas Fortschritte bei KI- und Verteidigungstechnologien begrenzen, haben aber zugleich heimische Forschungsinitiativen befördert, die technologische Unabhängigkeit anstreben. Die Fortschritte bei 2D-Halbleitern stehen exemplarisch für jene Grundlagenforschung, die China helfen könnte, herkömmliche Engpässe bei der Ausrüstung zu umgehen, indem alternative Materialplattformen entwickelt werden.

Der weltweite Markt für Halbleiterausrüstung, dessen Wert 2025 auf etwa 111,84 Milliarden US-Dollar geschätzt wird, soll laut Marktanalysen bis 2034 auf 268,06 Milliarden US-Dollar anwachsen. Treiber sind der Übergang zu Strukturbreiten unter 5 Nanometern, bei denen extreme Ultraviolettlithografie und neuartige Materialien unverzichtbar werden. Auf den asiatisch-pazifischen Raum entfallen derzeit fast 69 Prozent des Marktes. Europa und Nordamerika investieren jedoch ebenfalls stark, um die Produktion breiter aufzustellen und weniger von konzentrierten Lieferketten abhängig zu sein.

Branchenexperten weisen darauf hin, dass der Weg von Labordemonstrationen zur kommerziellen Fertigung mehrjährige Anstrengungen erfordert, bei denen Materialwissenschaftler, Prozessingenieure und Gerätephysiker zusammenarbeiten müssen. Die Defektdichte muss so weit sinken, dass Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip zuverlässig funktionieren. Außerdem müssen neue Materialien mit bestehenden Lithografie-, Ätz- und Metallisierungsschritten kompatibel sein. Der vom chinesischen Team entwickelte Ansatz mit einem Flüssigmetallsubstrat könnte die technischen Grundsätze der gesamten Branche beeinflussen – unabhängig davon, welches konkrete Material letztlich in die Massenproduktion gelangt.

Herausforderungen auf dem Weg zur Kommerzialisierung

Trotz der vielversprechenden Laborergebnisse stehen der Verwendung von 2D-Transistoren in Verbraucherprodukten noch erhebliche Hindernisse entgegen. Mit zunehmendem Produktionsumfang wird es exponentiell schwieriger, die Gleichmäßigkeit auf größeren Wafern zu gewährleisten. Der Übergang von 36 mal 18 Millimeter großen Schichten zu 300-Millimeter-Produktionswafern erfordert mehr, als lediglich die CVD-Kammer zu vergrößern: Die Präzision auf Atomebene muss auf einer erheblich größeren Fläche erhalten bleiben.

Auch die Wärmeableitung stellt eine erhebliche Herausforderung dar. Wolfram-Silizium-Nitrid weist zwar im Vergleich zu einigen Alternativen günstige thermische Eigenschaften auf, doch ultradünne Materialien bieten grundsätzlich nur einen begrenzten Querschnitt für den Wärmetransport. Je dichter die Transistoren gepackt sind, desto wichtiger wird die Abführung der Abwärme, um die Leistung zu erhalten und thermische Schäden an empfindlichen Strukturen zu verhindern. Die mechanische Festigkeit von 2D-Materialien muss zudem den Belastungen der Fertigungsprozesse standhalten. Dazu gehören Ätz-, Abscheidungs- und Reinigungsschritte, die atomar dünne Schichten beschädigen könnten.

Der Mangel an Fachkräften verschärft diese technischen Herausforderungen. Die Semiconductor Industry Association prognostiziert, dass allein den Vereinigten Staaten bis 2030 rund 67.000 qualifizierte Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler fehlen werden. Ähnliche Engpässe gibt es in Fertigungszentren weltweit. Sie könnten die Einführung neuer Technologien bremsen, selbst wenn deren Eignung im Forschungsumfeld bereits nachgewiesen ist.

Auch Umweltfragen werfen einen langen Schatten auf die Ausbaupläne. Eine einzige moderne Fabrik, die 12-Zoll-Wafer herstellt, verbraucht täglich etwa 10 Millionen Gallonen Wasser. Die schwere Dürre in Taiwan im Jahr 2021 hat gezeigt, wie anfällig die Halbleiterfertigung für Ressourcenengpässe ist. Hersteller setzen zunehmend auf Recyclingtechnologien und nachhaltige Verfahren. Der hohe Energie- und Wasserbedarf der Chipproduktion bleibt jedoch ein wichtiger Faktor, wenn die Branche den Bau neuer Anlagen für neuartige Materialien erwägt.

Das Wichtigste auf einen Blick

• Chinesische Forscher haben ein Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung entwickelt, mit dem 2D-Halbleitermaterialien 1.000-mal schneller wachsen als mit bisherigen Methoden. Die Geschwindigkeit beträgt etwa 20 Mikrometer pro Minute.
• Der Durchbruch nutzt ein zweilagiges Substrat aus flüssigem Gold und Wolfram, um wafergroße Schichten aus Wolfram-Silizium-Nitrid herzustellen. Damit wird der kritische Mangel an leistungsstarken p-Typ-2D-Materialien angegangen, die für CMOS-Transistorpaare benötigt werden.
• Die Innovation kommt zu einem Zeitpunkt, an dem Silizium unterhalb von 5 Nanometern an grundlegende physikalische Grenzen stößt. Quantentunneln und Wärmeabfuhr drohen Jahrzehnte stetiger Leistungssteigerungen nach dem Mooreschen Gesetz zu beenden.
• Zweidimensionale Halbleiter, die nur wenige Atome dick sind, könnten eine weitere Verkleinerung von Transistoren ermöglichen und dabei energieeffizienter sein als herkömmliches dreidimensionales Silizium.
• Die Entwicklung ist Teil des intensiven globalen Wettbewerbs um die Vorherrschaft in der Halbleiterindustrie. China steigert seine Forschungsleistung, während die Vereinigten Staaten und Europa über CHIPS-Gesetze Milliarden investieren, um ihre heimischen Lieferketten zu sichern.
• Für den Übergang von Labordemonstrationen zur kommerziellen Fertigung müssen Herausforderungen bei Defektdichte, Wärmeableitung, gleichmäßiger Produktion und Integration in bestehende Fertigungsanlagen überwunden werden.
• Der Markt für Halbleiterfertigungsanlagen soll von 111,84 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 268 Milliarden US-Dollar im Jahr 2034 wachsen. Treiber sind der Bedarf an KI-Rechenleistung, fortschrittliche Strukturbreiten und neuartige Materialien wie 2D-Halbleiter.