Seit vielen Jahren wurde der Fortschritt in der Halbleitertechnologie weitgehend durch Prozessknoten beschrieben.

10 nm wurden zu 7 nm, dann zu 5 nm, 3 nm und immer fortschrittlicheren Transistorarchitekturen.

Aber da KI-Beschleuniger, Hochleistungsrechensysteme und fortschrittliche Verpackungen weiter skalieren, ist die Transistordichte nicht mehr der einzige Faktor, der die Systemleistung bestimmt.

Die Halbleiterindustrie tritt in eine neue Phase ein, in der Materialien, Verpackung, Verbindungen, Stromversorgung und Wärmemanagement genauso wichtig werden wie die Transistorskalierung.

Dieser Übergang erhöht das Interesse an einer breiten Palette von Halbleitermaterialien, darunter:

• Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer
• Glassubstrate
• Siliziumkarbid (SiC)
• Galliumnitrid (GaN)
• Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiken
• Siliziumkarbid-Keramiken
• Diamantbasierte Wärmeableitungsmaterialien
• Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe

Diese Materialien adressieren unterschiedliche technische Herausforderungen, sind aber zunehmend durch einen gemeinsamen Treiber verbunden:

KI- und HPC-Systeme erfordern mehr Bandbreite, höhere Energieeffizienz, dichtere Verpackung und bessere thermische Leistung.

Der Flaschenhals der Halbleiter erweitert sich über Transistoren hinaus

Moderne KI-Prozessoren enthalten enorme Rechenressourcen.

Die zunehmende Rechenleistung schafft jedoch auch mehrere neue Einschränkungen.

Zwei der wichtigsten sind:

Datenbewegung

und

Wärmeableitung.

Ein KI-Beschleuniger muss kontinuierlich riesige Datenmengen mit HBM, benachbarten Prozessoren, Netzwerkschnittstellen und Speichersystemen austauschen.

Gleichzeitig erzeugen diese Geräte zunehmend konzentrierte Wärme in fortschrittlichen Paketen.

Daher reicht die Verbesserung der Transistorleistung allein nicht mehr aus.

Das gesamte Halbleitersystem muss optimiert werden.

Das beinhaltet:

• optische Verbindungen
• fortschrittliche Substrate
• HBM-Integration
• Leistungsumwandlung
• thermische Schnittstellen
• Wärmeverteiler
• Verpackungsmaterialien

Dieser systemweite Übergang schafft neue Möglichkeiten für Halbleitermaterialien, die zuvor relativ spezialisierte Märkte besetzten.

1. Photonik-SOI wird für KI-Verbindungen immer wichtiger

Silizium-auf-Isolator ist kein neues Halbleitermaterial.

SOI-Wafer werden seit langem für Anwendungen wie verwendet:

• MEMS
• HF-Geräte
• Sensoren
• spezielle integrierte Schaltungen

Die KI-Infrastruktur schafft jedoch eine weitere wichtige Wachstumschance:

Siliziumphotonik.

Da KI-Cluster immer größer werden, stoßen herkömmliche elektrische Verbindungen zunehmend auf Herausforderungen in Bezug auf:

• Übertragungsverlust
• Energieverbrauch
• Bandbreitendichte
• Signalintegrität
• Übertragungsdistanz

Kupferverbindungen bleiben unerlässlich, aber die optische Kommunikation wird mit steigenden Bandbreitenanforderungen immer attraktiver.

Dies ist ein Grund, warum Co-Packaged Optics (CPO) so viel Aufmerksamkeit erhalten hat.

Anstatt sich ausschließlich auf elektrische Verbindungen zwischen Hochleistungs-Prozessoren und optischen Modulen zu verlassen, bringt CPO optische Engines näher an das Schalt- oder Rechen-Silizium.

Ziel ist es, die Länge von Hochgeschwindigkeits-Elektroverbindungen zu reduzieren und mehr Daten optisch zu übertragen.

SOI ist eine der wichtigsten Substratplattformen für die Siliziumphotonik.

Warum SOI für Siliziumphotonik gut funktioniert

Ein typischer Photonik-SOI-Wafer enthält:

• eine dünne Silizium-Geräteschicht
• eine vergrabene Oxidschicht
• einen Silizium-Trägerwafer

Die obere Siliziumschicht kann zu optischen Wellenleitern strukturiert werden.

Das vergrabene Oxid sorgt für optische Isolation zwischen dem Siliziumwellenleiter und dem darunter liegenden Siliziumsubstrat.

Gängige Siliziumphotonik-Strukturen umfassen:

• Wellenleiter
• Ringresonatoren
• Modulatoren
• optische Koppler
• Mach-Zehnder-Interferometer
• Plattformen für die Integration von Photodetektoren

In vielen kommerziellen photonischen Plattformen ist die Silizium-Geräteschicht nur wenige hundert Nanometer dick.

Zum Beispiel wird etwa 220 nm Silizium auf einem mikrometerskaligen vergrabenen Oxid in der Siliziumphotonik weit verbreitet.

Das bedeutet, dass die SOI-Waferanforderungen für Photonik sehr unterschiedlich sind als für MEMS oder herkömmliche HF-Anwendungen.

Gleichmäßigkeit der Dicke, Oberflächenqualität und BOX-Kontrolle werden besonders wichtig.

KI-Rechenzentren könnten die Nachfrage nach Photonik-SOI steigern

Die Bedeutung der Siliziumphotonik ist eng mit dem Wachstum von KI-Rechenzentren verbunden.

KI-Cluster erfordern extrem schnelle Kommunikation:

innerhalb des Servers

zwischen Beschleunigern

zwischen Racks

und zunehmend

zwischen großen Gruppen von Rechensystemen.

Da die elektrische Kommunikation an praktische Grenzen in Bezug auf Leistung und Bandbreitendichte stößt, werden optische Verbindungstechnologien immer wichtiger.

Das bedeutet, dass SOI nicht nur traditionelle Halbleitergeräte, sondern auch die optische Kommunikationsinfrastruktur rund um KI-Prozessoren zunehmend bedienen könnte.

Mit anderen Worten:

Der KI-Boom steigert nicht nur die Nachfrage nach Rechen-Wafern. Er steigert auch die Nachfrage nach den Materialien, die Daten zwischen Rechengeräten bewegen.

2. Glassubstrate rücken näher an fortschrittliche Verpackungen

Ein weiteres Material, das zunehmend Aufmerksamkeit erhält, ist Glas.

Glas wird seit vielen Jahren in der Elektronik- und Halbleiterfertigung eingesetzt.

Anwendungen umfassen:

• Trägerwafer
• MEMS
• optische Komponenten
• temporäres Bonding
• Displaytechnologie

Aber fortschrittliche Verpackungen schaffen eine neue Chance:

Glas-Kernsubstrate und Glas-Interposer.

Moderne KI-Pakete können kombinieren:

• GPU- oder KI-Beschleuniger-Dies
• mehrere Chiplets
• HBM-Stacks
• Interposer
• Paketsubstrate

Mit zunehmender Größe der Pakete wird die Dimensionsstabilität immer wichtiger.

Herkömmliche organische Substratmaterialien können Herausforderungen aufweisen, darunter:

• Verzug
• thermische Ausdehnung
• Feinlinienstrukturierung
• Dimensionskontrolle großer Flächen

Glas bietet mehrere attraktive Eigenschaften für diese Anwendungen.

Warum Glas für fortschrittliche Verpackungen interessant ist

Glas kann bieten:

• exzellente Dimensionsstabilität
• kontrollierter Wärmeausdehnungskoeffizient
• glatte Oberflächen
• gute elektrische Isolierung
• Kompatibilität mit großflächiger Panelverarbeitung
• Potenzial für feine Pitch-Verbindungsstrukturen

Eine der wichtigsten unterstützenden Technologien ist:

TGV — Through Glass Via.

Ein TGV schafft elektrische Verbindungen durch die Dicke eines Glassubstrats.

Nach der Via-Bildung können die Löcher metallisiert werden, um vertikale elektrische Verbindungen zu schaffen.

Dies macht Glas potenziell geeignet für:

• Glas-Interposer
• Glas-Kernsubstrate
• HF-Pakete
• fortschrittliche Chiplet-Integration
• KI-Beschleuniger-Verpackung

Allerdings erfordert die Glasverpackung mehr als nur die Herstellung eines Glaswafers.

Die vollständige Fertigungskette kann umfassen:

Glasvorbereitung
→ Präzisionsdünnung
→ TGV-Bildung
→ Metallisierung
→ Umverteilungsschichten
→ Bonding
→ fortschrittliche Verpackung

Unternehmen, die die gesamte Prozesskette kontrollieren können, können mehr Wert erzielen als Lieferanten von Rohglas allein.

3. HBM macht Wärmemanagement zu einem Materialproblem

High Bandwidth Memory ist zu einer der definierenden Technologien für KI-Hardware geworden.

HBM verbessert die Speicherbandbreite, indem mehrere DRAM-Dies vertikal gestapelt werden.

Dies ermöglicht eine viel größere Datenbewegung zwischen Speicher und Prozessoren als bei herkömmlichen Speicherarchitekturen.

Aber es gibt eine unvermeidliche Konsequenz:

Das Stapeln erschwert das Wärmemanagement.

Mehrere Silizium-Dies erzeugen Wärme in einer kompakten vertikalen Struktur.

Gleichzeitig werden HBM-Stacks typischerweise sehr nahe an Hochleistungs-KI-Beschleunigern platziert.

Ein fortschrittliches KI-Paket kann daher mehrere Hauptwärmequellen auf begrenztem Raum enthalten.

Die thermische Leistung wird zu einem Designproblem auf Paketebene.

Fortschrittliche Verpackungen benötigen bessere Wärmeableitungsmaterialien

Herkömmliches Kupfer bleibt aufgrund seiner Bedeutung extrem wichtig:

• hohe Wärmeleitfähigkeit
• ausgereifte Fertigung
• niedrige relative Kosten
• gute Bearbeitbarkeit

Allerdings können zukünftige Hochleistungs-Pakete Materialien mit zusätzlichen Fähigkeiten erfordern.

Potenzielle Materialien umfassen:

• AlN-Keramiken
• SiC-Keramiken
• Cu-Mo
• Cu-W
• CVD-Diamant
• Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe
• fortschrittliche thermische Schnittstellenmaterialien

Die wichtigsten Materialparameter umfassen zunehmend:

• Wärmeleitfähigkeit
• Wärmeausdehnungskoeffizient
• thermischer Grenzflächenwiderstand
• Ebenheit
• mechanische Steifigkeit
• Zuverlässigkeit unter thermischer Wechselbelastung

Das thermische Problem wird daher nicht mehr einfach durch Anbringen eines größeren Kühlkörpers gelöst.

Es beginnt viel näher am Halbleiter-Die.

4. Warum Diamant in die Diskussion über thermische Halbleiter zurückkehrt

Diamant erhält aufgrund einer außergewöhnlichen Eigenschaft erneute Aufmerksamkeit:

sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.

Hochwertiger synthetischer Diamant kann Wärme viel effektiver leiten als viele herkömmliche Wärmemanagementmaterialien.

Dies macht Diamant attraktiv für die Ableitung konzentrierter Wärme von Hochleistungsgeräten.

Potenzielle Anwendungen umfassen:

• KI-Beschleuniger
• HPC-Prozessoren
• GaN-HF-Geräte
• Leistungshalbleitermodule
• Lasersysteme

Reiner Diamant hat jedoch auch Nachteile.

Dazu gehören:

• hohe Kosten
• schwierige Bearbeitung
• schwierige Metallisierung
• herausforderndes Bonding
• begrenzte großflächige Wirtschaftlichkeit

Daher erforschen Forscher und Materiallieferanten zunehmend Hybridlösungen.

Ein wichtiges Beispiel ist:

Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff.

Warum Diamant-Kupfer interessant ist

Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe kombinieren Diamantpartikel mit einer Kupfermatrix.

Ziel ist es, zwei Eigenschaften gleichzeitig zu erreichen:

höhere Wärmeleitfähigkeit

und

geringere Wärmeausdehnung als herkömmliches Kupfer.

Dies ist attraktiv, da die Halbleiterverpackung häufig einen Kompromiss eingeht.

Kupfer leitet Wärme gut, hat aber einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Materialien mit niedrigem CTE wie Wolfram und Molybdän können die Dimensionsstabilität verbessern, reduzieren aber oft die Wärmeleitfähigkeit, wenn sie zu Kupfer hinzugefügt werden.

Diamant bietet eine andere Möglichkeit, da er beides hat:

• extrem hohe Wärmeleitfähigkeit
• sehr geringe Wärmeausdehnung

Im Prinzip können Diamant/Cu-Verbundwerkstoffe daher die Wärmeleitfähigkeit verbessern und gleichzeitig den CTE reduzieren.

Die Schnittstelle ist wichtiger als der Diamantanteil

Ein Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff ist nicht automatisch Hochleistung, nur weil er einen großen Anteil an Diamant enthält.

Das schwierigste Problem ist die Schnittstelle zwischen:

Diamant

und

Kupfer.

Kupfer haftet von Natur aus nicht effizient an Diamant.

Schlechter Kontaktschluss an der Schnittstelle kann erheblichen thermischen Widerstand erzeugen.

Das bedeutet, dass Wärme nicht effizient von:

Kupfer → Diamant → Kupfer.

Hersteller verwenden daher Schnittstellentechniken mit karbidbildenden Elementen wie:

• Ti
• Cr
• W
• Mo
• Zr

Diese Elemente können die Diamant-Kupfer-Bindung verbessern.

Die Grenzflächenschicht muss jedoch auch sorgfältig kontrolliert werden.

Wenn sie zu dick wird, kann die Grenzfläche selbst zu einer thermischen Barriere werden.

Dies verdeutlicht einen wichtigen Trend bei fortschrittlichen Halbleitermaterialien:

Die zukünftige Leistung hängt zunehmend von der Schnittstellenkonstruktion ab, nicht nur von den Masseneigenschaften des Materials.

5. SiC bleibt ein wichtiges Halbleitermaterial

Obwohl KI enorme Aufmerksamkeit erhält, treibt die Elektrifizierung weiterhin einen weiteren wichtigen Halbleiterübergang voran:

die Verbreitung von Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen.

SiC ist für Anwendungen wichtig geworden, darunter:

• Elektrofahrzeuge
• EV-Traktionswechselrichter
• Schnellladung
• Solarwechselrichter
• Energiespeicherung
• industrielle Stromversorgungssysteme
• Hochspannungs-Leistungsumwandlung

Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Leistungsbauelementen kann SiC ermöglichen:

• höhere Betriebsspannung
• höhere Schaltfrequenz
• geringere Schaltverluste
• höhere Betriebstemperaturen
• kleinere passive Komponenten

Aber mit der Reifung der SiC-Industrie ändert sich die Frage.

Vor einigen Jahren konzentrierte sich die Diskussion oft auf:

Kann SiC Silizium in Hochleistungsanwendungen ersetzen?

Heute ist die praktischere Frage:

Wie können die Herstellungskosten von SiC gesenkt werden?

SiC-Fertigung wird zu einem Wettbewerb um Ausbeute und Kosten

SiC-Substrate sind schwierig herzustellen.

Herausforderungen treten in der gesamten Verarbeitungskette auf:

• Kristallwachstum
• Schneiden
• Schleifen
• Läppen
• CMP
• Reinigung
• Epitaxie
• Waferinspektion
• Geräteherstellung

SiC ist extrem hart und spröde.

Dies macht das Schneiden und Polieren von Wafern langsamer und teurer als die herkömmliche Siliziumverarbeitung.

Substratfehler können auch die endgültige Geräteausbeute beeinflussen.

Da SiC sich in Richtung einer größeren Volumenfertigung bewegt, verlagert sich der Fokus zunehmend auf:

• größere Waferdurchmesser
• höhere Kristallqualität
• geringere Defektdichte
• reduzierte Sägeverluste
• schnelleres Polieren
• verbesserte Wafer-Ebenheit
• bessere Prozessausbeute

Dies bedeutet, dass es nicht nur bei SiC-Wafern selbst, sondern in der gesamten SiC-Material- und Ausrüstungslieferkette Möglichkeiten gibt.

6. GaN findet neue Möglichkeiten in KI-Stromversorgungssystemen

Galliumnitrid ist ein weiteres wichtiges Wide-Bandgap-Halbleitermaterial.

GaN ist besonders attraktiv, wenn:

• hohe Schaltfrequenz
• hohe Effizienz
• kompakte Leistungsumwandlung

wichtig sind.

KI-Rechenzentren verbrauchen enorme Mengen an Strom.

Die Reduzierung von Leistungsumwandlungsverlusten in der gesamten Server- und Rack-Architektur wird daher immer wertvoller.

GaN-Bauelemente können in Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsanwendungen eingesetzt werden, darunter:

• Server-Netzteile
• DC-DC-Wandler
• Hochleistungs-Netzteile
• Telekommunikations-Stromversorgungssysteme

Dies schafft eine weitere wichtige Verbindung zwischen KI und Halbleitermaterialien.

KI-Nachfrage schafft nicht nur Nachfrage nach Prozessoren.

Sie erhöht auch die Nachfrage nach der Leistungselektronik, die zur effizienten Steuerung dieser Prozessoren erforderlich ist.

SiC und GaN sind eher komplementär als wettbewerbsfähig

SiC und GaN werden oft als konkurrierende Halbleitertechnologien dargestellt.

In der Praxis adressieren sie häufig unterschiedliche Teile des Leistungselektronikmarktes.

SiC leistet besonders gute Arbeit in:

• Hochspannungsanwendungen
• Hochleistungssysteme
• Automobil-Traktion
• Netz- und Industriestromversorgung

GaN ist hochattraktiv für:

• Hochfrequenzschaltung
• kompakte Leistungswandler
• Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Spannung
• Rechenzentrums-Leistungselektronik

Der zukünftige Markt für Leistungshalbleiter wird daher wahrscheinlich verwenden:

Silizium + SiC + GaN

anstatt ein einziges universelles Material auszuwählen.

7. Halbleiterkeramiken werden wichtiger

Eine weitere weniger sichtbare, aber zunehmend wichtige Kategorie sind fortschrittliche Keramikmaterialien.

Halbleitergeräte sind für Präzisionskeramiken für Komponenten wie angewiesen:

• Wafer-Chucks
• Heizplatten
• isolierende Komponenten
• Teile von Plasma-Kammern
• Wafer-Träger
• Präzisionsbühnen
• Vakuumkomponenten

Wichtige Materialien umfassen:

• Aluminiumoxid
• Aluminiumnitrid
• Siliziumkarbid
• Siliziumnitrid
• Yttriumoxid

Jedes Material löst ein anderes technisches Problem.

Aluminiumoxid

Aluminiumoxid bietet:

• exzellente elektrische Isolierung
• gute chemische Beständigkeit
• hohe Härte
• ausgereifte Verarbeitung
• relativ kontrollierte Kosten

Es bleibt eine der am weitesten verbreiteten technischen Keramiken.

Aluminiumnitrid

AlN ist besonders attraktiv, wenn beides:

elektrische Isolierung

und

hohe Wärmeleitfähigkeit

erforderlich sind.

Dies macht es nützlich für:

• Leistungshalbleiter-Substrate
• Heizkomponenten
• Wärmemanagement-Strukturen
• elektronische Verpackung

SiC-Keramik

SiC-Keramik bietet:

• hohe Steifigkeit
• hohe Wärmeleitfähigkeit
• geringe Wärmeausdehnung
• exzellente Verschleißfestigkeit
• hohe Temperaturbeständigkeit

Diese Eigenschaften machen es attraktiv für Komponenten von Halbleitergeräten, die unter wechselnden thermischen Bedingungen dimensionsstabil bleiben müssen.

KI verbindet bisher getrennte Materialmärkte

Einer der interessantesten Halbleitertrends ist, dass Materialien, die einst zu relativ getrennten Industrien gehörten, Teil desselben Systems werden.

Betrachten Sie eine fortschrittliche KI-Rechenplattform.

Sie kann erfordern:

SOI

für Siliziumphotonik und optische Kommunikation.

Glas

für fortschrittliche Verpackungen der nächsten Generation.

HBM

für High-Bandwidth-Speicher.

AlN- oder SiC-Keramiken

für Wärmemanagement und Halbleitergeräte.

Diamantbasierte Materialien

für extreme Wärmeableitung.

GaN

für hocheffiziente Rechenzentrums-Leistungsumwandlung.

SiC

für Hochleistungs-Energieinfrastruktur.

Diese Materialien erfüllen völlig unterschiedliche Funktionen.

Aber KI verbindet sie durch die gleichen technischen Anforderungen:

• mehr Bandbreite
• größere Integration
• höhere Energieeffizienz
• geringerer thermischer Widerstand

Von Prozessskalierung zu Systemskalierung

Die Halbleiterindustrie tritt daher in eine breitere Form der Skalierung ein.

Die traditionelle Skalierung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Verkleinerung von Transistoren.

Zukünftige Leistungsverbesserungen hängen zunehmend ab von:

**Transistorskalierung

• Verpackungsskalierung
• Speicherskalierung
• optische Skalierung
• Leistungsskalierung
• thermische Skalierung**

Deshalb werden fortschrittliche Materialien strategisch wichtig.

Ein schnellerer Transistor bietet nur begrenzten Nutzen, wenn die Daten ihn nicht schnell erreichen können.

Ein größerer KI-Beschleuniger bietet nur begrenzten Nutzen, wenn er überhitzt.

Mehr HBM bietet nur begrenzten Nutzen, wenn die Verpackungsdichte unkontrollierbar wird.

Fortschrittliche Verpackungen und Materialien werden Teil der Leistungsgleichung.

Welche Halbleitermaterialien sollte die Branche als Nächstes beobachten?

Mehrere Kategorien verdienen besondere Aufmerksamkeit.

Photonik-SOI

Angetrieben durch Siliziumphotonik, Hochgeschwindigkeits-optische Kommunikation und CPO.

Glassubstrate

Angetrieben durch Chiplets, HBM, großflächige fortschrittliche Verpackungen und TGV-Technologie.

SiC

Angetrieben durch EVs, Industriestrom, erneuerbare Energien und Hochspannungselektronik.

GaN

Angetrieben durch Hochfrequenz-Leistungsumwandlung und Rechenzentrums-Effizienz.

Hochwärmeleitfähige Keramiken

Angetrieben durch Leistungsdichte und fortschrittliche Halbleitergeräte.

Diamantbasierte thermische Materialien

Angetrieben durch extreme Wärmeflüsse in KI-, HF- und Hochleistungsgeräten.

Diese Materialien werden Silizium nicht ersetzen.

Stattdessen werden sie Silizium zunehmend umgeben und es ermöglichen, auf Systemebene weiter zu skalieren.

Schlussfolgerung

Die KI-Halbleiterrevolution wird zu einer Materialrevolution.

Jahrzehntelang war die wichtigste Frage der Branche:

Wie klein können wir den Transistor machen?

Diese Frage bleibt wichtig.

Aber sie reicht nicht mehr aus.

Die nächste Generation von Halbleitersystemen muss auch beantworten:

Wie schnell können Daten bewegt werden?

Wie eng können mehrere Dies integriert werden?

Wie effizient kann Strom umgewandelt werden?

Wie schnell kann Wärme abgeführt werden?

Diese Fragen erhöhen die Bedeutung von SOI-Wafern, Glassubstraten, SiC, GaN, fortschrittlichen Keramiken und diamantenbasierten thermischen Materialien.

Die Zukunft der Halbleiterleistung wird daher nicht nur von besseren Chips abhängen, sondern von besseren Materialien, die diese Chips umgeben.

Die nächste Wettbewerbsphase wird möglicherweise weniger durch einen einzelnen Materialdurchbruch definiert, sondern durch die Fähigkeit, mehrere spezialisierte Materialien in einem Hochleistungssystem zu integrieren.

Im KI-Zeitalter geht die Halbleiterinnovation über das einfache Verkleinern von Chips hinaus.

Es geht zunehmend darum, Chips zu ermöglichen, schneller zu kommunizieren, dichter zu verpacken, Strom effizienter zu verbrauchen und bei niedrigeren Temperaturen zu arbeiten.