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23.03.1990 - 

Der Wunderstoff für schnelle Chips

Gallium-Arsenid avanciert zum Halbleiter der Zukunft

Geradezu phantastische Eigenschaften bescheinigen Fachleute dem Werkstoff Gallium-Arsenid. Computer-Chips aus diesem synthetischen Halbleiter sind schneller, hitzebeständiger und auch noch sparsamer im Stromverbrauch als herkömmliche Silizium-Bauelemente. Der einzige Nachteil der Super-Chips: Ihre Fabrikation ist aufwendig und dementsprechend teuer.

Schneller; immer schneller: So lautet die Devise der Computerbauer. Wer nach ihr leben will, muß mit seinen Bemühungen schon bei den Bausteinen beginnen - bei den Chips, die die Computerinformationen verarbeiten .

Nun hat aber jede Technik ihre physikalischen Grenzen: Elektrische Signale können sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit (300 000 Kilometer pro Sekunde) fortbewegen. In der Computerhardware erreichen sie diese Geschwindigkeit bei weitem nicht: Im Silizium eines normalen Halbleiter-Bausteins können die Elektronen pro Sekunde nur etwa einen Kilometer zurücklegen. Um die Datenverarbeitung in der Maschine zu beschleunigen, bleibt den Ingenieuren nichts anderes übrig, als die Entfernungen im Computer zu reduzieren. Das Zusammenrücken der Schalter vergößert aber die Probleme der Verlustwärme: Wird diese nicht laufend abgeführt, entsteht ein Hitzestau und der Computer versagt seinen Dienst.

Elektronen bewegen sich fünfmal schneller

Als geradezu idealer Retter in der Not bietet sich da ein Werkstoff an, der immer mehr zum Zauberwort der Branche avanciert: der Halbleiter Gallium-Arsenid (GaAs). Bekannt ist das silberglänzende Material seit gut 30 Jahren, als es dem deutschen Physiker Heinrich Welker zum ersten mal gelang, aus den beiden seltenen Elementen Gallium und Arsen einen Mischkristall zu synthetisieren.

Die Versuche, die der damalige Forschungs- und Entwicklungschef bei Siemens durchführte, zeigten die hervorragenden Eigenschaften des neuen Halbleiters: In Gallium-Arsenid können sich Elektronen fünfmal schneller bewegen als in Silizium, das Material erträgt wesentlich höhere Arbeitstemperaturen und ist außerdem unempfindlicher gegen schädliche Strahlen.

Doch Welkers Kristall, gezüchtet in einem aufwendigen Verfahren, war mit einem Durchmesser von zwei Zentimetern und einer Länge von zehn Zentimetern viel kleiner als die Siliziumkristalle, die man routinemäßig aus simplem Quarzsand herstellen konnte. Für eine Massenproduktion elektronischer Schaltelemente kam das Material damals sowieso nicht in Frage - dafür war es viel zu unrein.

Im Schatten des höchst erfolgreichen Werkstoffs Silizium geriet das Gallium-Arsenid in Vergessenheit. Erst in den siebziger , Jahren wurde es in Japan und den USA wiederentdeckt, und zwar für das rasch wachsende Gebiet der Opto-Elektronik. Als sogenannter direkter Halbleiter wandelt Gallium-Arsenid nämlich Ströme in Licht um, und zwar mit einer deutlich besseren Effizienz als Silizium. Diese Eigenschaft nutzten die Ingenieure aus, um Leuchtdioden und Laser zu bauen, wie sie heute in CD-Geräten oder in der Glasfasertechnik zum Einsatz kommen.

Von da an ging's bergauf: Erfolge in der Hochfrequenztechnik, zum Beispiel beim Satellitenfunk, und im Militärbereich machten Gallium-Arsenid zusehends populär - um so mehr, als sich die Grenzen des Konkurrenzstoffs Silizium auch in der Schalttechnik immer deutlicher zeigten.

Um mit Silizium-Chips hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, braucht es hohe Spannungen und mithin eine große elektrische Leistung - bis zu ein paar Dutzend Watt pro Quadratmeter. Diese muß dem Chip erst zugeführt werden und, da der größte Teil davon als Wärme frei wird, mit einer aufwendigen Kühltechnik wieder abgeleitet werden, denn Siziliumbausteine sind sehr hitzeempfindlich .

Mit Gallium-Arsenid sind diese Probleme viel kleiner: Auch bei hohen Schaltgeschwindigkeiten kommt das Material mit vergleichsweise niedrigen Spannungen aus. Entsprechend gering ist die Verlustleistung. Und wenn's trotzdem mal heiß wird, nehmen die GaAs-Chips noch lange keinen Schaden: Temperaturen bis über 200 Grad halten sie aus, während die Kollegen aus Silizium schon bei 80 Grad den Dienst versagen. Damit entfallen bei der GaAs-Technik die sperrigen und teuren Kühlsysteme, die zusehends die Grenzen der herkömmlichen Computertechnik bestimmen .

Das Material unterstützt auch sonst das Bestreben, möglichst viele Schaltelemente auf engem Raum unterzubringen. Gallium-Arsenid hat einen so hohen elektronischen Grundwiderstand, daß schon das Trägermaterial alleine, also ohne isolierende Oxidschicht, die einzelnen Elemente auf dem Chip zu trennen vermag Fazit: Man kann die Transistoren auf dem Chip noch dichter aneinanderrücken, ohne die Funktionstüchtigkeit zu beeinträchtigen.

Zukunftsträchtig trotz schwieriger Herstellung

Bei so vielen guten Eigenschaften des Gallium-Arsenids wundert es eigentlich, weshalb es so lange dauerte, bis das Material Furore machte. Das große Problem ist die Herstellung: Es ist sehr schwer, das für die praktische Anwendung nötige hochreine Material zu synthetisieren. Selbst unter exakt kontrollierten Bedingungen gezüchtete Kristalle - man verwendet dafür sogar leistungsfähige Prozeßrechner - weisen noch viele Fehler auf, so daß die Ausschußrate und damit natürlich der Preis des begehrten Materials relativ hoch sind.

Die Verlockung, allen Schwierigkeiten zum Trotz doch auf Gallium-Arsenid-Technik umzuschwenken, ist heute allerdings größer denn je. Das Marktforschungsinstitut ICE jedenfalls prognostiziert bei den Umsätzen von GaAs-Schaltungen bis 1991 ein jährliches Wachstum von beinahe 70 Prozent. Den Anfang werden Chips für Analogschaltungen und Hochfrequenzanwendungen machen. Die kommerzielle Anwendung wird sich verzögern, weil die heiklen digitalen Bauelemente schwer in den Griff zu bekommen sind.

Pioniere der digitalen GaAs-Technik gibt es schon heute: Der für seine Supercomputer bekannte Amerikaner Seymour Cray zum Beispiel plant, beim neuesten Modell Cray-3 weitgehend Chips aus Gallium-Arsenid zu verwenden. Diese sollen bis zu 30 000 Komponenten enthalten und den Cray-3 fünf- bis zehnmal schneller machen als das Vorgängermodell Cray-2, das noch mit Silizium-Chips arbeitet. Mit seinen bis zu 20 Milliarden Gleitkomma-Operationen pro Sekunde wäre der Cray-3 dann einer der schnellsten Computer der Welt.

Aber auch in der Opto-Elektronik, wo die neue Technik ihr Debut feierte, steht die Entwicklung nicht still: Im IBM-Forschungslabor in Rüschlikon zum Beispiel haben Mitarbeiter eine neue Kristallwachstums- Methode und einen Ätzprozeß entwickelt, mit dem man GaAs-Laser und Fotodetektoren direkt auf einem Chip integrieren kann.

Ziel dieser Anstrengungen ist es, eine kostengünstige Methode zu finden, um die Datenübertragung mit Glasfaserverbindungen noch effizienter zu machen, als sie es heute schon ist.

Und wie geht es weiter? Neigt sich das Siliziumzeitalter langsam, aber sicher seinem Ende zu? Fachleute glauben das nicht: Gallium-Arsenid mag noch so phantastische Eigenschaften besitzen, ganz verdrängen wird es Silizium nie.