Die Halbleiterindustrie steht an einem entscheidenden Wendepunkt. Jahrzehntelang wurde Silizium als das dominierende Material für Transistoren genutzt, doch die physikalischen Grenzen dieses Werkstoffs machen es zunehmend schwierig, die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz aktueller Chips weiter zu steigern. Inmitten dieses technologischen Dilemmas ist ein bedeutender Fortschritt aus China aufgetaucht, der das Potenzial hat, die gesamte Branche zu revolutionieren. Forscher der Peking-Universität haben den weltweit ersten siliziumfreien, zweidimensionalen Gate-All-Around Field-Effect Transistor (GAAFET) entwickelt, der schneller und energieeffizienter arbeitet als aktuelle Lösungen der Marktführer Intel, TSMC und Samsung. Diese Entwicklung wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und sorgt nicht zuletzt wegen ihres innovativen Ansatzes in der Materialforschung für großes Aufsehen.
Das Herzstück dieser Neuerung ist die Verwendung von Bismuth Oxyselenid, kurz Bi₂O₂Se, einem zweidimensionalen Halbleitermaterial, das eine hervorragende Elektronenmobilität aufweist und zugleich sehr dünn und flexibel ist. Während Silizium, das seit den 1950er Jahren unangefochtene Basis der Halbleitertechnologie, bei Verkleinerungen unterhalb der 10-Nanometer-Marke an seine Grenzen stößt, bietet Bi₂O₂Se eine ganz neue Perspektive. Besonders in der Fertigung von Transistoren im Sub-1-Nanometer-Bereich zeigt dieses Material immense Vorteile, da es aufgrund seiner zweidimensionalen Struktur nicht nur robust bleibt, sondern auch deutlich weniger Energie verbraucht. Neben der Materialwahl ist auch die Architektur des Transistors maßgeblich für die beeindruckende Leistung verantwortlich. Der sogenannte GAAFET-Transistor bietet eine Weiterentwicklung zum klassischen Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) und dem Fin Field-Effect Transistor (FinFET), die derzeit im High-End-Chipbereich verwendet werden.
GAAFETs zeichnen sich dadurch aus, dass die Gate-Struktur den Kanal komplett umschließt und so eine außergewöhnlich präzise Kontrolle des elektrischen Flusses ermöglicht. Das erhöht nicht nur die Schaltgeschwindigkeit, sondern senkt auch den Energieverlust erheblich. Kombiniert mit der zweidimensionalen Natur von Bi₂O₂Se ist die Pekinger Entwicklung somit in der Lage, bisherige Performance-Rekorde zu brechen. Die Fertigung eines „wafer-scale multilayer-stacked single-crystalline 2D GAA configuration“ stellt jedoch eine enorme Herausforderung dar und zeigt das technische Können des Teams unter Leitung von Professor Peng Hailin und Qiu Chenguang. Die Herstellung mehrlagiger, einkristalliner 2D-Stacks im großen Maßstab war bislang als kaum realisierbar angesehen worden, da atomare Präzision und ausgeklügelte Prozessschritte erforderlich sind.
Doch genau hier liegt die eigentliche Innovation: Den Forschern ist es gelungen, eine reproduzierbare und skalierbare Produktionstechnologie zu entwickeln, die den Weg für eine industrielle Umsetzung ebnet. Darüber hinaus ist die Forschung nicht nur eine akademische Sensation, sondern hat auch enorme wirtschaftliche und geopolitische Relevanz. Die anhaltenden Handelsbeschränkungen und Technologiestreitigkeiten zwischen China und den USA haben die chinesische Halbleiterindustrie vor große Herausforderungen gestellt. Insbesondere der eingeschränkte Zugang zu modernster EUV-Lithographie, die für aktuelle 3nm und kleinere Fertigungstechnologien entscheidend ist, bremst Pekings Ambitionen, im weltweiten Technologiewettlauf an vorderster Front mitzuspielen. Die Entwicklung eines siliziumfreien Transistors auf Basis neuer Materialien könnte daher ein entscheidender Schritt sein, um technologisch neue Wege zu beschreiten und sich unabhängiger von westlichen Technologien zu machen.
Auch wenn derzeit unklar ist, ob und wann diese Technologie in kommerziellen Prozessoren zum Einsatz kommen wird, eröffnet sie einen entscheidenden Pfad. Durch die Kombination aus neuen Materialeigenschaften und innovativer Transistorarchitektur könnten zukünftige Chips nicht nur schneller, sondern auch wesentlich effizienter im Energieverbrauch sein. In einer Zeit, in der die Anforderungen an Rechenleistung rapide steigen – etwa durch Künstliche Intelligenz, Big Data und Internet der Dinge – ist jede Verbesserung der Effizienz von besonderer Bedeutung. Ein Blick auf die technischen Grundlagen zeigt, dass die zweidimensionale Natur von Bi₂O₂Se im Vergleich zu herkömmlichem Silizium zahlreiche Vorteile bietet. Während Siliziumkristalle bei extremen Verkleinerungen unter 10 Nanometern mit Problemen wie verringerter Ladungsträgerbeweglichkeit zu kämpfen haben, bieten 2D-Halbleiter eine nahezu perfekte latticestruktur ohne Defekte und ermöglichen somit schnellere Bewegungen von Elektronen.
Dies führt nicht nur zu schneller schaltenden Transistoren, sondern auch zu einer verminderten Wärmeentwicklung – ein kritischer Faktor in modernen Hochleistungschips. Die Gate-all-around-Struktur verstärkt diese Effekte noch zusätzlich, indem das Gate den Kanal vollständig umschließt. Dies ermöglicht eine bessere Steuerung der elektrischen Eigenschaften und minimiert Leckströme, die ansonsten zu Energieverschwendung und Hitze führen würden. Gerade in Zeiten, in denen die Herstellung von Prozessoren im Sub-Nanometer-Bereich immer schwieriger wird, könnte diese Struktur die Antwort auf Probleme sein, die sich durch den stetigen Trend zu Miniaturisierung ergeben. Neben den rein technischen Aspekten ist der wichtige Beitrag der Pekinger Universität ein Zeichen für das zunehmende Engagement Chinas im Bereich der Spitzentechnologie.
Längst ist das Land nicht mehr nur ein Fertigungsstandort für Halbleiter, sondern setzt verstärkt auf Forschung und Entwicklung, um sich eine Führungsposition zu sichern. Die Kombination aus staatlicher Förderung, Talenten in Wissenschaft und Technik sowie dem Druck durch geopolitische Herausforderungen führt zu großen Innovationssprüngen wie diesem. Kritiker weisen zwar darauf hin, dass die Marktreife und industrielle Anwendbarkeit der neuen Transistor-Technologie noch überprüft werden muss und es Jahre dauern könnte, bis Bi₂O₂Se-basierte Transistoren tatsächlich in kommerziellen Produkten zu finden sind. Dennoch zeigt diese Entwicklung wichtige Möglichkeiten auf, die über herkömmliche Silizium-Technologien hinausgehen. Die Debatte um die Zukunft der Halbleitertechnologie bekommt damit eine neue Dimension, bei der Materialwissenschaften und Transistorarchitektur enger denn je zusammenspielen.
Abschließend lässt sich festhalten, dass die sogenannte „Post-Silizium-Ära“ nicht mehr nur eine theoretische Vision ist, sondern durch konkrete Forschung aus der Praxis heraus Realität wird. Der siliziumfreie, zweidimensionale GAAFET-Transistor aus China könnte eine neue Generation von Hochleistungs-Chips einleiten, die nicht nur schneller, sondern auch deutlich energiesparender sind. Dies ist angesichts der steigenden Anforderungen an elektronische Bauteile eine essentielle Entwicklung. Die kommenden Jahre werden zeigen, ob und wie schnell diese Innovation auch international angenommen wird und welche weiteren Fortschritte sich aus dieser Technologie ableiten lassen. Klar ist jedoch, dass die Halbleiterwelt sich verändert – und Peking dabei eine Schlüsselrolle einnimmt.
Mit der Vorstellung des schnellsten siliziumfreien Transistors hat die chinesische Forschung einen bedeutenden Meilenstein gesetzt, der die Grenzen des Machbaren neu definiert und einen neuen Wettlauf um die technologische Vorherrschaft entfacht.
