Vorwort des Chefredakteurs

Im Jahr 2020 erlebten wir gemeinsam die globale COVID-19-Pandemie. Fast zwei Millionen Menschen starben still und leise. Achtung vor dem Leben, Achtung vor der Wissenschaft und der gemeinsame Kampf gegen die Epidemie wurden zu internationalen Konsensgrundsätzen. Der Lockdown von Wuhan, die verheerenden Überschwemmungen des Jangtse, die Buschbrände in Australien, die Heuschreckenplagen in Afrika und der Ausbruch der Kämpfe in der Region Bergkarabach sind uns allen noch lebhaft in Erinnerung. Man kann sagen, dass 2020 ein Jahr großer Katastrophen war; doch das ist längst nicht alles. Im Jahr 2020 erlebten wir auch die Unterzeichnung des regionalen Freihandelsabkommens RCEP durch 15 Länder des asiatisch-pazifischen Raums, was das Vertrauen in die Weltwirtschaft stärkte, den ersten bemannten kommerziellen Raumflug von SpaceX und den vollen Erfolg der Chang'e-5-Mission. In einer Zeit, in der die Weltwirtschaft schwer getroffen wurde, war China die einzige große Volkswirtschaft, die ein positives Wachstum verzeichnen konnte. Als Motor der wirtschaftlichen Erholung hat die Halbleiterindustrie 2020 ihre Verantwortung übernommen und beachtliche Erfolge erzielt: Im Jahr von 5G wurde der 5-nm-5G-Chip erfolgreich eingeführt, und Apple präsentierte den A14 Bionic mit 11.8 Milliarden Transistoren, der auf TSMCs 5-nm-Prozess basiert. Auch Huawei und Samsung brachten die Kirin-9000-Serie und den Exynos 1080 auf den Markt. Die Entwicklung und Implementierung von EDA in der Cloud wird durch die Zusammenarbeit von EDA-Softwareanbietern, IC-Designunternehmen und Foundries vorangetrieben. Diese können sich an die Bedürfnisse der EDA-Tool-Nutzung anpassen, Rechenleistung intelligent und automatisiert in großem Umfang planen und durch massive Cloud-Ressourcen flexible Rechenleistung bereitstellen. Dies beschleunigt den Forschungs- und Entwicklungszyklus, erhöht die Chip-Ausbeute und senkt die Chipdesignkosten. Die fortschrittliche 3D-Packaging-Technologie hat sich stetig verbessert und die Grenzen des Mooreschen Gesetzes überwunden. Es bietet deutliche Vorteile hinsichtlich Integration, Leistung, Stromverbrauch usw. Samsung gab dieses Jahr bekannt, dass seine neue X-Cube3D-Gehäusetechnologie einsatzbereit ist. … Natürlich haben auch Halbleiter der dritten Generation und andere Verbindungshalbleiter als aufstrebende Technologie im Halbleiterbereich viel Aufmerksamkeit erregt und zahlreiche Highlights geboten. Sehen Sie sich unten die beeindruckenden Ansichten des belgischen Halbleiterunternehmens Cissoid an!

    Exklusivinterview von „Compound Semiconductor“ mit Dr. Luo Ningsheng, Geschäftsführer von Cissoid China          

Dr. Luo Ningsheng ist derzeit Geschäftsführer der China-Niederlassung des belgischen Unternehmens Cissoid. Zuvor war er im Halbleitermarkt und im Business Management für verschiedene europäische und amerikanische Halbleiterunternehmen tätig und verantwortete hauptsächlich die Märkte und Geschäfte in China und im asiatisch-pazifischen Raum. Zu diesen Unternehmen zählen Synaptics (NASDAQ: SYNA) und Silicon Data (beide USA), PicoChip (Großbritannien) und Innovative Micro Technology (beide USA). Er promovierte am Shanghai Institute of Technical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und forschte anschließend viele Jahre als Gastwissenschaftler in Europa und den USA im Bereich der Materialphysik. Seine Forschungsschwerpunkte umfassten Festkörperoberflächenphysik am Max-Planck-Institut für Fluiddynamik in Göttingen sowie Halbleiter-Nanomaterialien am Fachbereich Physik der Universität Louisville (USA).

Frage: Das Jahr 2021 steht vor der Tür. Wie beurteilen Sie mit Blick auf das neue Jahr die Entwicklung und die Veränderungen in der Halbleiterindustrie? Welche Schlussfolgerungen und Erkenntnisse ziehen Sie aus dem Jahr 2020? Antwort: Nachdem BYD 2020 als erster chinesischer Hersteller Elektrofahrzeuge mit SiC-MOSFETs auf den Markt gebracht hatte, legen auch andere große Elektrofahrzeughersteller verstärkt Wert auf den Einsatz von SiC in Elektrofahrzeugen. Für On-Board-Controller (OBC), DC/DC-Wandler und Ladesäulen können in der Regel vergleichsweise günstige SiC-MOSFETs verwendet werden. Dies verbessert die Effizienz, reduziert Volumen und Gewicht und hält die Kosten relativ niedrig. Für Motorantriebe werden hingegen meist High-End-SiC-MOSFETs (mit relativ geringem Innenwiderstand) eingesetzt, um höchste Effizienz und minimale Wärmeverluste zu erzielen. Im Bereich der Elektromotoren für Fahrzeuge hat die Branche allgemein bestätigt, dass der Ersatz herkömmlicher IGBTs durch SiC-MOSFETs die Energieeffizienz des Gesamtfahrzeugs um 5–10 % steigern kann. Dies bedeutet eine um 5–10 % höhere Reichweite bei gleicher Akkukapazität, was durchaus attraktiv ist. 2021 wird das Jahr sein, in dem die Anwendung von SiC im Bereich der Elektrofahrzeuge einen regelrechten Boom erlebt, denn der diesjährige massive Mangel deutet darauf hin. Auch GaN hat sich in letzter Zeit rasant entwickelt und findet vor allem in Schnellladegeräten für mobile Geräte Anwendung. Da GaN auch in der Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommt, wird die Nachfrage enorm sein, sodass die Auslieferungen von GaN-Bauteilen die von SiC-Bauteilen bald um ein Vielfaches übertreffen werden.

F: Mit der rasanten Entwicklung von 5G, Elektrofahrzeugen, Big Data, KI, IoT und anderen Technologiefeldern eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten für Verbindungshalbleiter. Welche Herausforderungen und Chancen sehen Sie für Verbindungshalbleiter? Verbindungshalbleiter (SiC und GaN) sind neuartige Halbleiterbauelemente, die herkömmliche Siliziumbauelemente ersetzen sollen. Die größte Herausforderung liegt in der Kostenkontrolle, die die Kontrolle der Produktionsausbeute und des Produktionsumfangs umfasst. Nur durch die kontinuierliche Verbesserung der Ausbeute und die Erweiterung des Produktionsumfangs lassen sich die Kosten schrittweise senken und so eine breite Anwendung am Markt erzielen. Herausforderungen bergen gleichzeitig Chancen und bieten den Herstellern von Verbindungshalbleitern die Möglichkeit, Marktanteile zu gewinnen.

F: Siliziumkarbid (SiC) ist ein Werkstoff mit großem Entwicklungspotenzial, insbesondere für Anwendungen in der Leistungselektronik und in Mikrowellen-Hochfrequenzgeräten. Er erfährt derzeit große Aufmerksamkeit. Wie beurteilt Ihr Unternehmen die Marktentwicklung von Siliziumkarbid? Wie kann die Weiterentwicklung und Verbesserung von Siliziumkarbidmaterialien gefördert werden? A:

Mit zunehmender Reife und Verbreitung von Halbleitern der dritten Generation, wie beispielsweise SiC-Leistungshalbleitern, werden diese in der Anfangsphase Si-Bauelemente in Anwendungen einfach ersetzen. Später werden sie jedoch ihre Leistungsvorteile aktiv nutzen, um zahlreiche neue Anwendungen zu erschließen und somit in Bereichen eingesetzt, die für Si-Bauelemente bisher unzugänglich waren. Beispielsweise harmoniert die inhärente Hochtemperaturbeständigkeit von SiC hervorragend mit Cissoid-Hochtemperaturhalbleitern, was die Entwicklung von Stromversorgungssystemen grundlegend verändern und Entwicklern neue, weitreichende Möglichkeiten eröffnen wird. Zu diesen typischen, zukünftigen Hochtemperatur- und Hochleistungsdichteanwendungen zählen hochintegrierte Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge, multielektrische und vollelektrische Flugzeuge sowie Elektroflugzeuge, mobile Energiespeicher-Ladestationen und Powerbanks sowie diverse Anwendungen, bei denen die Flüssigkeitskühlung stark eingeschränkt ist. 

Der Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen (Motor, elektronische Steuerung und Getriebe) entwickelt sich hin zu einer Drei-in-Eins-Lösung, ist aber aktuell nur strukturell miteinander verbunden, was eine schwache Integration darstellt. Strukturell betrachtet ist eine tiefe Integration des Antriebsstrangs zukünftig unumgänglich, da sich dadurch Volumen, Gewicht und Eigenverbrauch um etwa ein Drittel reduzieren und die Gesamtkosten um das Zwei- bis Vierfache senken lassen. Allerdings wird die elektronische Steuerung eng mit dem Motor integriert, und eine tiefe Integration wird die Leistungsdichte erheblich erhöhen. Die größte unumgängliche Herausforderung stellen die hohen Temperaturen dar.

Bei traditionellen Flugzeugen basieren die mechanischen Funktionen zur Steuerung von Seitenruder, Tragflächen, Fahrwerk usw. auf klassischen Hydraulikgetrieben. Hydrauliköl ist als Flüssigkeit stark von Umwelteinflüssen abhängig und verursacht hohe Wartungskosten. Aktuell geht der Trend hin zur teilweisen oder vollständigen Elektrifizierung, dem Konzept des multielektrischen und vollelektrischen Flugzeugs. Der Einsatz von Elektromotoren anstelle von Hydraulikkreisläufen für den mechanischen Betrieb bietet hohe Zuverlässigkeit, einfache Wartung und ermöglicht redundante Systeme. Die größte Herausforderung besteht jedoch darin, dass Motoren und elektronische Steuerungen nicht wassergekühlt werden dürfen und nur auf Zwangsluft- und natürliche Kühlung angewiesen sind. Um die elektronische Steuerung multielektrischer, vollelektrischer oder gar rein elektrischer Flugzeuge zu realisieren, muss daher zunächst die hohe Temperaturbeständigkeit des Systems gelöst werden. 

Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungsszenarien, insbesondere mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Halbmobile Ladestationen mit Energiespeichern und vollständig mobile Powerbanks werden in bestimmten Situationen die Lücken stationärer Ladeinfrastruktur effektiv schließen. Bei dieser Art mobiler Ladeanwendungen führt die Wasserkühlung jedoch nicht nur zu zusätzlichem Gewicht und Volumen, sondern verbraucht vor allem die gespeicherte elektrische Energie. Daher ist natürliche Kühlung für die elektronische Steuerung die beste Lösung, wobei das Wärmemanagement des Steuerungssystems adäquat geregelt werden muss.

Neben den drei oben genannten typischen Hochtemperaturanwendungen stehen elektronische Steuerungssysteme in vielen speziellen Industrieanwendungen, in denen die Flüssigkeitskühlung stark eingeschränkt ist, vor denselben Herausforderungen. Hochtemperatur-Steuerungstechnik ist der Schlüssel zur Realisierung dieser Anwendungen. Ihre Kerntechnologie besteht in der Hochtemperatur-Gehäusetechnologie für SiC-Leistungshalbleiter und der dazugehörigen Hochtemperatur-Ansteuerschaltungstechnik.

SiC-Materialien und ihre Bauelementstrukturen weisen eine inhärente hohe Temperaturbeständigkeit auf und halten unter Vakuumbedingungen sogar Temperaturen von 400 bis 600 °C stand. Um Oxidation durch Luftkontakt zu verhindern, müssen SiC-Bauelemente in der Praxis verkapselt werden. Für den Einsatz in Hochtemperaturbauteilen sind hochtemperaturbeständige Gehäuse erforderlich. Eine Sperrschichttemperatur von 150 °C gilt derzeit als höchster Industriestandard. Die Erforschung von Sperrschichttemperaturen bis zu 175 °C schreitet gerade erst voran. Es gibt bereits quasi-standardisierte Gehäuse. Gehäuse für Temperaturen ab 200 °C stellen sehr hohe Anforderungen an die Verpackungsmaterialien und -prozesse und müssen individuell an die Eigenschaften des Chips angepasst werden, um die erforderliche Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung zu gewährleisten.

Die Anwendung von SiC-Leistungshalbleitern und -Modulen ist untrennbar mit Treiberschaltungen und den dazugehörigen Chips verbunden. Die meisten Treiberchips sind jedoch herkömmliche Siliziumbauelemente und nicht hochtemperaturbeständig. Ein Betrieb bei hohen Temperaturen wie 175 °C über 1,000 Stunden ist bereits selten. Hinzu kommt, dass die Hochtemperaturbeständigkeit nur ein Aspekt des Problems ist. Schwerwiegender ist die Konstanz der Bauteilleistung bei hohen Temperaturen. Die Leistung herkömmlicher Siliziumbauelemente nimmt oberhalb von 70 °C rapide ab, sodass sie für den Einsatz bei hohen Temperaturen ungeeignet sind. Nach über 20 Jahren innovativer Forschung und Entwicklung sowie Anwendungstests erreichen die SOI-Spezialsiliziumbauelemente von Cissoid eine Hochtemperaturbeständigkeit von 175 °C und können 15 Jahre lang kontinuierlich betrieben werden. Die Leistung ist über den gesamten Temperaturbereich hinweg hervorragend und bildet eine tragende Säule für SiC-Hochtemperaturanwendungen.

F: Bitte teilen Sie Ihre Ansichten darüber mit, wie Chinas Halbleiterindustrie aus internationalen Erfahrungen lernen und ihre industrielle Entwicklung beschleunigen kann. A: Obwohl China im Bereich der Verbindungshalbleiter spät eingestiegen ist und hinter anderen Ländern zurückliegt, bietet dieser Bereich hervorragende Voraussetzungen für eine rasante Entwicklung. Dafür gibt es drei Hauptgründe: Erstens finden die Prozesse der Verbindungshalbleiterherstellung im Wesentlichen im Mikrometerbereich statt. Von den Materialien bis hin zu den Anlagen ist eine vollständige inländische Wertschöpfungskette vorhanden, sodass die Notwendigkeit des Imports von hochpräzisen Nanotechnologieanlagen (insbesondere Fotolithografiemaschinen) keine gravierenden Einschränkungen mit sich bringt. Zweitens ist die Bauelementstruktur von Verbindungshalbleitern relativ einfach und erfordert keine hochkomplexe EDA-Unterstützung. Auch dies beseitigt die erheblichen Einschränkungen durch Importe. Drittens verfügt China über einen riesigen Anwendungsmarkt. Daher lässt sich schlussfolgern, dass Verbindungshalbleiter einen wichtigen Durchbruch für die Verbesserung der gesamten chinesischen Halbleiterindustrie darstellen werden. In den letzten Jahren hat das Land der Halbleiterfertigung große Bedeutung beigemessen und viel investiert. Dutzende von Waferfabriken wurden gegründet, erweitert oder neu gebaut. Insbesondere in jüngster Zeit fordern einige Branchenvertreter, die Fertigung mikroelektronischer Systeme als eigenständige Disziplin anzuerkennen. Dies ist eine sehr positive Entwicklung. Betrachtet man jedoch die heimischen Waferfabriken, so verfügen diese alle über neue Produktionsanlagen und modernste Ausrüstung, was mit enormen Investitionen verbunden ist. Am meisten mangelt es an Fachkräften in der Prozessentwicklung und an einem System zur Talentförderung im Bereich der Instandhaltung. Traditionelle mechanische Bearbeitungsprozesse wie Drehen, Fräsen und Schweißen hingegen verfügen über ein mehrstufiges System zur Förderung und Sicherung der Fachkräfteentwicklung durch entsprechende Zuschüsse. Eine so wichtige Branche wie die Fertigung mikroelektronischer Systeme sollte über ein umfassenderes System zur Talentförderung verfügen.