Ein Bosch-Mitarbeiter hält einen Mikrochip oder Halbleiter zwischen Daumen und Zeigefinder

Halbleiter aus Siliziumkarbid oder Galliumnitrit sind die Chips der dritten Generation. Noch hat Europa einen Vorsprung, aber wie lange noch? (Bild: Bosch)

Chips aus den Verbundmaterialien Galliumnitirit und Siliziumkarbid sind die Halbleiter der dritten Generation: Sie sind sowohl für den Klimaschutz als auch die E-Mobilität unverzichtbar. Noch haben europäische Unternehmen bei der Technologie eine starke Stellung. Doch die macht ihnen China jetzt streitig - mit allen Mitteln. Welche Vorteile - aber auch Nachteile - die neuen Materialien haben und warum europäische Hersteller und Zulieferer sehr genau schauen sollten, was die chinesische Regierung plant, erfahren Sie hier.

Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrit (GaN) sind keine chemischen Kampfstoffe. Allerdings haben die beiden Verbundwerkstoffe dem 1965 von Gordon Moore formulierten Grundgesetz der Halbleiterindustrie den Kampf angesagt.

Dem Mitgründer von Intel zufolge verdoppelt sich alle ein bis zwei Jahre die Zahl der Schaltkreise auf einem Mikrochip bei gleichzeitig sinkenden Produktionskosten. Das geht nur, indem die Schaltkreise immer kleiner werden.

IBM hat im Zuge dieses auf Englisch „Moore Scaling“ genannten Vorstoßes in immer kleinere Welten zuletzt einen Chip mit Strukturbreiten von nur einem Nanometer – also einem Milliardstel Meter – hergestellt. Zum Vergleich: Ende 2019 waren in Intel-PCs Halbleiter in einer Größte von zehn Nanometern verbaut. Der neueste, und selbst entworfene Apple-Chip M1 basiert auf einer 5-Nanometer-Architektur.

Chips aus Siliziumkarbid und Galliumnitrit, sogenannte Halbleiter der 3. Generation, verweigern sich diesem Wettrennen.

 

Wafer sind das Grundgerüst von Halbleitern. Sie bestehen zumeist als Silizium oder Silizium-Verbundmaterialien. (Bild: naka - stock.adobe.com)

Wafer, Chips und Strukturbreiten - darauf kommt es an

Halbleiter entstehen aus sogenannten Wafern. Sie dienen als Grundplatte für die Chips.

Wafer wiederum werden aus sogenannten Einkristallstäben gefertigt, die aus Silizium bestehen. Das Besondere an Einkristallstäbe: In ihnen sind die Atome regelmäßig angeordnet.

Ein solcher Stab wird auf den gewünschten Durchmesser gebracht, das sind meist 200 oder 300 Millimeter. Davon werden etwa ein Millimeter dicke Scheiben abgesägt. Die noch rauen Wafer-Rohlinge werden anschließend durch schleifen, ätzen und polieren veredelt. 450-Millimeter-Wafer sind in Planung, jedoch aufgrund ihrer Größe schwerer zu handeln und zu transportieren.

Ein strukturierter Wafer enthält sogenannte STI-Strukturen, das sind kleine "Gräben", die die Strukturbreite der künftigen Halbleiter vorgeben. Durch Lithografie entstehen dann die typischen Halbleiterstrukturen, dafür gibt es unterschiedliche Methoden.

Je größer der Wafer, desto mehr Chips lassen sich herstellen. Die Chipgrößen variieren aktuell zwischen zehn Nanometern und fünf Nanometern. Für 2022 visiert der taiwanesische Auftragsfertiger die Produktion von 4-Nanometer-Chips an. Im Mai 2021 hat IBM den ersten 2-Nanometer-Prototypen vorgestellt und Intel plant für 2029 die Massenfertigung von 1,4-Nanometer-Halbleitern. Zum Vergleich: Der PC-Prozessor i386 DX von Intel aus dem Jahr 1984 hatte eine Strukturbreite von 1,5 Mikrometern.

Spitzenleistung trotz größerer Strukturbreiten

„Dennoch sind Siliziumkarbid-Halbleiter in der Leistungselektronik, also überall, wo mikroelektronische Bauteile die Energieeffizienz von Geräten oder Batterien regeln derzeit die leistungsfähigsten Halbleiter“, erklärt Dr. Sven Baumann, Experte für Mikroelektronik, Sensorik und Aktorik beim Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI).

Ihr Vorteil: Sie können mit einer höheren Frequenz größere elektrische Spannungen schalten als solche, die nur aus Silizium bestehen. Zugleich verlieren sie nur halb so viel Energie in Form von Wärme wie klassische Halbleiter. Darüber hinaus vertragen Verbundhalbleiter Hitze besser und kommen daher mit kleineren und günstigeren Lüftungs- und Peripheriesystemen aus.

In E-Fahrzeugen optimieren Leistungshalbleiter in Form von SiC- und GaN-Chips dank dieser Eigenschaften den Antriebsstrang und vergrößern die Reichweite der Batterie um bis zu 15 Prozent. Außerdem verkürzen sie deren Ladezeiten.

„SiC-Halbleiter bieten Automobilherstellern somit einen großen Wettbewerbsvorteil auf dem Endkundenmarkt“, weiß Jan-Peter Kleinhals, Leiter des Themenbereichs „Technologie und Geopolitik“ bei der Stiftung Neue Verantwortung (SNV).

Effiziente Stromnetze nur mit SiC und GaN

In der Photovoltaik optimieren Halbleiter der 3. Generation die Wirkungsweise von Wechselrichtern und Heimspeichern. Sie tragen beim Ausbau von Stromnetzen zur Stabilisierung des elektrischen Gleichgewichts bei und reduzieren Übertragungsverluste.

Durch diese entstehen einem Bericht des Bundeswirtschaftsministeriums zufolge in Deutschland 22 Prozent des Primärenergiebedarfs. Der japanische Physiker und Nobelpreisträger des Jahres 2014, Isamu Akasaki, ist sogar davon überzeugt, dass sich der globale Stromverbrauch durch den Einsatz von GaN-Transistoren um zehn Prozent senken ließe.

Halbleiter für den Mobilfunk der Zukunft

„Da 5G-Antennen letztlich nichts anderes machen, als Strom schnell zu schalten, bieten GaN-Halbleiter auch bei der Radio-Frequency-Modulation im Mobilfunk Vorteile“, ergänzt Ondrej Burkacky, Partner und Halbleiter-Experte bei der Unternehmensberatung McKinsey.

Daher lassen sich mit diesen Halbleitern auch in der Industrie Prozesse optimieren, wenn dafür besonders schnelle Sensoren erforderlich sind oder Anlagen über 5G vernetzt werden sollen.

All diese Aufgaben erledigen SiC- und GaN-Halbleiter mit Strukturbreiten, die weit über den heute in der Unterhaltungselektronik, bei Chips für Smartphones oder der Hardware für Datenzentren üblichen fünf bis sieben Nanometer liegen.

 

Nachteil für Auftragsfertiger: SiC-Wafer wachsen langsam und sind teuer

Da es in der Leistungselektronik somit "no more Moore Scaling" gibt, haben Halbleiterunternehmen wie Infineon, Bosch oder ST Microelectronics ihre älteren Produktionsanlagen auf die Fertigung von neuen SiC-Leistungshalbleitern umgerüstet, denn sie haben einen Vorteil: „Dabei kam ihnen entgegen, dass diese Maschinen meist auf Wafer mit einem Durchmesser von 200 Millimetern ausgelegt sind und es bislang ohnehin schwer ist, größere Compound-Wafer in der benötigten Qualität zu fertigen“, räumt Burkacky ein.

Die Produktion von SiC-Wafern dauert mit bis zu zwei Wochen zudem siebenmal so lange wie die Erzeugung von Scheiben aus reinem Silizium. Deshalb sind SiC-Wafer auch deutlich teurer. „Da sich Compound-Wafer mit 300 Millimetern Durchmesser noch nicht im ausreichenden Maße züchten lassen, die Anlagen der großen Auftragsfertiger aber auf dieses Maß ausgelegt sind, haben sie zudem meistens noch keine skalierbare Fertigung von SiC- und GaN-Halbleitern aufgebaut“, ergänzt Burkacky.

Dies sei aber Voraussetzung dafür, dass das Geschäft mit der Technologie einen deutlichen Schub erfährt. Denn dann könnten mehr Unternehmen in dieses einsteigen, ohne selbst teure Fertigungsstätten aufbauen zu müssen.

Der Markt für Compound-Halbleiter steht kurz vor dem Durchbruch

Das könnte sich bald ändern. Das Marktforschungsinstitut IHS Markit erwartet, dass der Markt für SiC- und GaN-Halbleiter in den kommenden Jahren regelrecht explodiert. Allein durch den zunehmenden Bedarf an effizienten Halbleitern in Hybrid- und E-Autos legen die Umsätze den Marktforschern zufolge bis 2027 jedes Jahr um rund ein Drittel auf dann zehn Milliarden US-Dollar zu.

„Bei GaN-Halbleitern für den Mobilfunk erwarten wir durch den Aufbau von 5G-Netzen und der anstehenden Entwicklung des 6G-Standards Wachstumsraten von 21 Prozent pro Jahr, sodass 2026 weltweit gut 1,1 Milliarden Dollar umgesetzt werden“, ergänzt Ondrej Burkacky von McKinsey.

ZVEI-Experte Baumann findet diese Wachstumserwartungen nicht übertrieben. „Immerhin sind SiC- und GaN-Halbleiter Schlüsseltechnologien, ohne die sich das deutsche und europäische Ziel einer klimaschonenden, grünen Gesellschaft kaum erreichen lässt“, so Baumann. Denn das gelinge nur, wenn wir so gut wie jeden Lebensbereich elektrifizieren.

„Wenn wir die dabei aus erneuerbaren Quellen erzeugte elektrische Energie möglichst effizient nutzen wollen, kommen wir an SiC und GaN nicht vorbei“, fasst Baumann zusammen.

 

Europäische, japanische und US-Chiphersteller setzen auf SiC und GaN

Noch haben europäische Halbleiterunternehmen wie

  • Bosch,
  • Infineon,
  • ST Microelectronics und
  • NXP

gute Chancen, von dem Boom zu profitieren. Ihre Stärken liegen schon heute in der Herstellung von Halbleitern für die Leistungselektronik, die Industrie und den Automobilbau.

Auch SGL Carbon aus Wiesbaden und Aixtron aus Herzogenrath werden gut verdienen. Sie liefern Öfen und sogenannte Epitaxieanlagen für die Produktion von Compound-Wafern.

Ernstzunehmende Konkurrenz kommt bislang mit

  • General Electric,
  • Fairchild Semiconductor,
  • Microsemi und
  • Cree aus den USA sowie
  • Renesas,
  • ROHM, und
  • Tokyo Electron aus Japan.

Der Kreis dieser Wettbewerber könnte allerdings bald größer werden.

China plant „Großen Halbleitersprung nach vorne“

Denn Chinas Staatspräsident Xi Jinping hat die Förderung der Chipindustrie in der Volksrepublik zu einer Priorität des im März 2020 verabschiedeten 14. Fünf-Jahresplans erklärt. Die Analysten von McKinsey erwarten, dass Peking sich dies in den kommenden gut fünf Jahren umgerechnet rund 130 Milliarden Euro kosten lässt.

Die chinesischen Provinzen werden weitere 38 Milliarden Euro beisteuern. Sowohl die Zentral- wie die Provinzregierungen wollen mit dem Geld auch „die Entwicklung der Industrie für Halbleiter der 3. Generation im Zeitraum von 2021 bis 2025 energisch unterstützen, um die industrielle Unabhängigkeit zu erreichen“, schreibt das chinesische Marktforschungsunternehmen Quianzhan Industry Research.

Anders als bei den im Fokus des Technologiekonflikts mit den USA stehenden Logikchips mit ultradünnen Knoten rechnet sich Peking bei Halbleitern der 3. Generation große Chancen darauf aus, mit den hohen Subventionen eigene Hersteller aufbauen und in führenden Positionen auf dem Weltmarkt platzieren zu können.

Chinesische Staatsmedien schwärmen in Anlehnung an Mao Ze Dongs gescheiterte Industriepolitik der 50er-Jahre daher bereits vom „Großen Halbleitersprung nach vorne“.

Volksrepublik subventioniert die Hälfte der Forschungsausgaben

Zu diesem hat der chinesische Drache auch bereits angesetzt. So haben sich in der von der Regierung initiierten „Allianz für Technologieinnovationen der Halbleiterindustrie der dritten Generation“ unter anderem der größte chinesische Hersteller von Leuchtdioden, San’an Optoelectronics sowie die staatliche Netzagentur State Grid und der Telekommunikationsausrüster ZTE mit ihren konzerneigenen Forschungsinstituten zusammengefunden.

Allein San’an Optoelectronics hat in diesem Zuge bereits umgerechnet vier Milliarden Euro in die Forschung zu neuen Halbleitermaterialien und die Herstellung von SiC-Wafern sowie SIC-Halbleiter investiert. Die Hälfte der Ausgaben finanzierte der Staat.

Huawei beteiligt sich an Herstellern von SiC-Wafern

Um bei Compound-Halbleitern nicht von den Vereinigten Staaten abhängig zu sein, hat sich Huawei im Dezember 2020 zudem am chinesischen Hersteller von SiC-Wafern Epiworld beteiligt. Zuvor hat der Mobilfunkkonzern bereits in andere Unternehmen der Siliziumkarbid-Wertschöpfungskette wie den Waferproduzenten Shandong Tian Yue Advanced Materials investiert.

BYD wiederum, der weltweit größte Produzent von Akkus für Mobiltelefone und führende Hersteller von Elektro-Pkw und –Bussen in der Volksrepublik, will seine Halbleitertochter zum Integrated Device Manufacturer ausbauen – zu einem Halbleiterunternehmen also, das Chips entwirft, selbst Wafer produziert, mit diesen Prozessoren, Controller und Sensoren fertigt, sie anschließend testet und verpackt. Der Konzern will dabei vorrangig Produktionsstätten für Siliziumkarbidhalbleiter aufbauen.

Dabei setzt BYD darauf, dass gemäß den Vorstellungen der KP im Jahr 2025 in über 90 Prozent der in der Volksrepublik gefertigten Elektrofahrzeuge SiC-Halbleiter aus heimischer Produktion verbaut sein sollen. Bislang liegt ihr Marktanteil erst bei fünf Prozent.

Immerhin enthält fast jede zweite 5G-Basisstation bereits chinesische SiC-Chips. Allerdings soll auch hier der Anteil auf wenigstens 95 Prozent steigen. Das theoretisch mögliche Wachstumspotenzial auf dem chinesischen Markt ist also enorm. Zumal auf diesem 2025 immerhin 223 Milliarden Dollar umgesetzt werden, wie das Marktforschungsinstitut IC Insights berechnet hat.

Noch gibt es große Engpässe bei Compound-Wafern

Allerdings stammt bislang nur gut jeder fünfte in der Volksrepublik verbaute Halbleiter aus heimischer Fertigung. Denn noch kämpfen chinesische Chiphersteller bei SiC und GaN mit den gleichen technischen Herausforderungen wie Halbleiterunternehmen in Europa, den USA und Japan – etwa dem langsamen Heranwachsen der SiC-Kristalle zu Wafern.

„Es gibt auch in der Volksrepublik bislang keine international bedeutsamen Hersteller von SiC-Wafern“, ergänzt Jan-Peter Kleinhans von der SNV. Die Herstellung von Wafern mit dem benötigten Reinheitsgrad gelänge aber nur ausreichend großen Unternehmen. 

„Denn diese müssen genug Wafer herstellen und verkaufen, um Investitionen in die modernsten Siliziumreinigungsanlagen finanzieren zu können“, so Kleinhans. „Für die Produktion von SiC-Halbleitern sind außerdem spezielle Produktionsanlagen und das Wissen erforderlich, wie diese optimal betrieben werden“, ergänzt ZVEI-Experte Sven Baumann.

Open-Source-Chip-Architekturen machen China unabhängig von den USA

Solange die Vereinigten Staaten der Volksrepublik den Zugang zu US-Technologie verwehren, haben chinesische Halbleiterunternehmen außerdem Probleme im Bereich des Chip-Designs. Denn den Markt für entsprechende Softwaretools beherrschen

  • Cadence Design Systems,
  • Synopsys und
  • Mentor.

Alle drei Unternehmen sind in den USA ansässig, auch wenn Mentor 2017 von Siemens aufgekauft wurde.

Allerdings hat China Wege gefunden, diese Einschränkungen zu umgehen. So fördert Peking seit 2016 Industrieallianzen und Stiftungen, die Chips auf Grundlage von Open-Source-Architekturen wie RISC-V und ORAN entwickeln.

Wie das Mercator-Institut für China-Studien berichtet, arbeiten inzwischen 87,4 Prozent aller chinesischen Firmen mit Open-Source-Technologien. Zuletzt hat Chinas größte IT-Firmengruppe Alibaba einen mit RISC-V entwickelten Chip vorgestellt. Er soll so leistungsfähig sein wie die vom britischen Chip-Designer ARM entworfenen Kirin-Chips. Diese nutzt Huawei in seinen Smartphones.

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Investoren müssen in der Volksrepublik ihre Technologien offenlegen

Know-how, das sich die Volksrepublik nicht auf diesem Weg beschaffen kann, besorgt sie sich, indem sie ausländische Investoren zwingt, Joint Ventures mit chinesischen Partnern einzugehen und diesen Zugang zu ihrem geistigen Eigentum zu gewähren.

Wer Fördermittel der Volksrepublik will, muss seine Patente sogar an eine eigenständige chinesische Firma übertragen, an der die ausländische Gesellschaft keine Anteile halten darf.

„So versucht China, seine Stellung als globaler Hub bei der Produktion von Unterhaltungselektronik auszunutzen, um ausländische Unternehmen zu zwingen, in der Volksrepublik zu fertigen, Partnerschaften mit chinesischen Firmen, Staatsunternehmen oder Regierungsorganisationen einzugehen und ihre Technologie mit diesen zu teilen“, schreibt der Forschungsdienst des US-Congress in einem Bericht.

Wenn nichts mehr hilft, greift China zu Cyberspionage

Wo auch dies nicht weiterhilft, schreckt Peking nicht davor zurück, sich dringend benötigtes Wissen durch Wirtschaftsspionage zu verschaffen.

Wie der stellvertretende Leiter des Bereichs „Globale Innovationspolitik“ bei der Information Technology and Innovation Foundation (ITIF) in Washington, Stephen Ezell in einem Arbeitspapier feststellt, ist die Zahl der Cyberangriffe auf Unternehmen in den Vereinigten Staaten explodiert, seit diese Exportverbote gegen Huawei und andere chinesische Firmen verhängt haben.

Die Volksrepublik hat auch einen Weg gefunden, um nach wie vor Maschinen und Anlagen für die Halbleiterproduktion zu importieren. So haben chinesische Hersteller den Markt für Gebrauchtmaschinen vor allem in Japan leergekauft.

Auch lässt sich der wichtigste Hersteller von Maschinen für die Deep-Ultraviolet-Lithographie, ASML aus den Niederlanden, nicht davon abhalten, seine Technologie nach China zu exportieren – auch wenn die USA dies gerne verhindern würden. Das stellten die Niederländer durch ihre Teilnahme an der China International Import Expo in Shanghai im November 2020 unter Beweis.

Europas Halbleiterunternehmen müssen sich zunehmender Konkurrenz aus China stellen

„Wir werden uns also damit abfinden müssen, dass künftig auch in den klassischen Stärkenfeldern europäischer Halbleiterhersteller wie der Leistungselektronik mit SiC und GaN ernstzunehmende Wettbewerber entstehen“, erwartet SNV-Experte Jan-Peter Kleinhans.

„Da der größte Einzelmarkt europäischer Anbieter von Leistungselektronik heute meist China ist, wäre diese Entwicklung eine sehr reelle Gefahr für sie“, ergänzt Ondrej Burkacky von McKinsey.

Siliziumkarbid und Galliumnitrit sind somit zwar keine Kampfstoffe, aber doch Teil der Arena, in der der immer heftiger werdende Kampf um die globale Führungsrolle bei Zukunftstechnologien ausgetragen wird.

Bearbeitet von Dörte Neitzel

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