Indiumphosphid, erneute Warnung

Vor kurzem erklärte Jutta Meier, CEO von IQE, dass die Beschaffung von Indiumphosphid-Substraten aufgrund der durch Exportkontrollen verursachten Versorgungsunsicherheit zu einem Hauptrisiko für die Halbleiterindustrie wird. In einem Interview wies Meier darauf hin, dass die größte Herausforderung für die gesamte Branche die „geopolitischen Beschränkungen“ sind, d. h. die Schwierigkeit, Materialien für die Herstellung von Chips für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zu beschaffen, da das Angebot die Nachfrage nicht decken kann.

„Wir reduzieren das Risiko durch eine umfassende Zusammenarbeit mit verschiedenen Lieferanten“, betonte Meier. „Aber letztendlich werden Exportkontrolllizenzen auch Auswirkungen auf uns haben, wenn die entsprechenden Richtlinien aufgehoben werden.

Aus dieser Äußerung geht hervor, dass das ohnehin knappe Indiumphosphid erneut eine Warnung auslöst.

Was ist Indiumphosphid?

Um zu verstehen, warum Indiumphosphid so wichtig ist, müssen Sie zunächst wissen, was Indiumphosphid ist.

Als eine der drei wichtigsten integrierten Photonik-Plattformen hat Indiumphosphid (InP) die längste Geschichte. Dafür gibt es gute Gründe: Um lichtbasierte elektronische Schaltkreise zu erstellen, braucht man ein Material, das nicht nur „Licht leitet“, sondern auch Licht erzeugt. Das bedeutet, dass neben passiven Bauelementen auch aktive Bauelemente hergestellt werden können. Als sogenannter Halbleiter mit direktem Bandabstand ist InP das einzige Material, das beide Bedingungen gleichzeitig erfüllen kann, während Silizium und Siliziumnitrid dies nicht können.

Auf dem Markt gibt es heute viele Halbleitermaterialien mit direktem Bandabstand, die theoretisch alle zur Herstellung integrierter photonischer Bauelemente verwendet werden können. Aus praktischer Sicht ist es jedoch völlig vernünftig, dass Indiumphosphid (InP) zum Pionier unter den Halbleitern mit direktem Bandabstand geworden ist.

Rückblickend auf die Entwicklungsgeschichte von Indiumphosphid lässt sich die erste Erfindung des ersten Halbleiterlasers im Jahr 1969 zurückverfolgen. Später kam 1987 ein photonischer integrierter Schaltkreis auf den Markt, der aus einem Laser und einem Modulator bestand. Dieser Schaltkreis basierte teilweise auf Indiumphosphid (InP)-Material. Seitdem ist die Anzahl der Bauelemente, die auf einem einzelnen InP-Chip integriert sind, exponentiell angestiegen, ähnlich dem Mooreschen Gesetz im Elektronikbereich. Heute lassen sich in Forschungsumgebungen bereits photonische integrierte Schaltkreise (PIC) mit mehr als tausend integrierten Bauelementen herstellen.

Obwohl InP in vielen Szenarien eingesetzt werden kann, ist sein herausragendes Anwendungsgebiet zweifellos die Optoelektronik. InP-Laser liefern die Lichtquelle für optische Kommunikationssysteme weltweit, einschließlich Glasfaserverbindungen, Netzwerken und Freiraum-Optikkommunikation. Streaming-Unternehmen, mobile Netzbetreiber und Smartphone-Hersteller sind alle auf InP angewiesen. Genauer gesagt ist es nur eine Frage der Zeit, bis InP-photonische integrierte Schaltkreise (PIC) im Bereich der Kommunikationstechnologie in Rechenzentren, Glasfaseranschlüssen für Privathaushalte (FTTH, also Glasfaser bis zu Gebäuden oder anderen Standorten), 5G-Basisstationsverbindungen und vielen weiteren Bereichen eingesetzt werden. Schließlich lassen sich die Vorteile von Indiumphosphid-Chips nicht ignorieren, da die weltweite Nachfrage nach Bandbreite stetig wächst.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, beginnt die Herstellung von Indiumphosphid (InP)-Wafern mit den beiden Grundrohstoffen hochreines Indium und Phosphor. Zuerst werden Indium, das bis zur 6N-Reinheit aufgereinigt wurde, und Phosphor an den beiden Enden eines Quarzbehälters platziert und unter hohem Druck erhitzt: Indium schmilzt über 1062℃, während Phosphor auf etwa 560℃ erhitzt wird, um Dampf zu bilden. Beide reagieren zu flüssigem Indiumphosphid, das anschließend langsam abgekühlt wird, um polykristallines Material zu erhalten. Danach wird das Polykristall erneut geschmolzen und mit dem druckgesteuerten Czochralski-Verfahren (pCZ) zu einem einkristallinen Barren gezogen. Durch präzise Steuerung des Temperaturgradienten, des Phosphordampfdrucks und der Flüssigversiegelung aus Boroxid wird die Phosphorverdunstung unterdrückt und ein einkristalliner Körper mit geringen Defekten erhalten. Gleichzeitig können nach Bedarf Elemente wie Eisen, Zinn und Zink hinzugefügt werden, um unterschiedliche elektrische Eigenschaften zu erzielen. Schließlich wird der einkristalline Barren durch Verfahren wie Ausrichtung der Kristallorientierung, Außenrundschleifen, Diamant-Sägen, beidseitiges Polieren und chemische Reinigung zu Indiumphosphid-Wafern mit ebener Oberfläche und sehr hoher Reinheit verarbeitet, die das Basismaterial für die Epitaxie-Herstellung von optischer Kommunikation, Silizium-Photonik und Hochgeschwindigkeits-Optikchips liefern.

Daraus geht hervor, dass in jedem Glied der Lieferkette die Entwicklung von Indiumphosphid behindert werden kann. Diese aktuelle Nachfragewelle beginnt jedoch bei den Rechenzentren.

Rechenzentren lösen die Nachfrageexplosion aus

Zunächst muss betont werden, dass Indiumphosphid selbst kein Endprodukt ist, sondern ein Halbleitermaterial aus der Gruppe der III-V-Verbindungen, das hauptsächlich zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente wie Laser, Detektoren und Modulatoren für die optische Kommunikation verwendet wird. Unter anderem sind die DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) und die CW-Laser (Dauerstrichlaser) die Hauptprodukte aus Indiumphosphid, die auch die wichtigsten Bestandteile von optischen Modulen sind. Was die aktuelle Nachfrage nach Indiumphosphid wirklich auslöst, ist nicht die Unterhaltungselektronik, sondern die Rechenzentren.

Da der Umfang des KI-Trainings und der KI-Inferenz stetig wächst, müssen Hunderttausende von GPUs durch Hochgeschwindigkeits-Optikverbindungen zu Großclustern zusammengeschlossen werden. Optische Module entwickeln sich derzeit von 400G und 800G in Richtung 1,6T und sogar 3,2T. Im Vergleich zu VCSEL können Indiumphosphid-Laser eine höhere Leistung, eine längere Übertragungsdistanz und Mehrwellenlängenfähigkeit bieten. Sie sind zu der zentralen Lichtquelle für Silizium-Photonik-Optikmodule geworden und haben das ursprünglich relativ Nischen-Indiumphosphid zu einem der knappsten Schlüsselmaterialien in der KI-Infrastruktur gemacht.

Es ist zu betonen, dass jede Geschwindigkeitssteigerung bei optischen Modulen nicht nur die Bandbreite verdoppelt, sondern auch die Komplexität erhöht:

• 800G-Transceiver verwenden in der Regel vier optische Kanäle.
• 1,6T-Module verwenden acht Kanäle
• Jeder Kanal benötigt seinen eigenen Laser und Detektor – in der Regel auf Indiumphosphid (InP)-Basis.

Wenn die Branche also von 800G auf 1,6T umsteigt, verdoppelt sich die verwendete InP-Menge pro Modul fast.

Nun betrachten wir moderne KI-Architekturen. Diese Plattformen sind von NVIDIA inspiriert. Ihr Designziel ist es, eine Bandbreite von mehreren Terabit pro Rack zu erreichen. Das bedeutet, dass jedes Rack Hunderte von optischen Modulen benötigt, jede Bereitstellung Tausende von Racks erfordert und jedes Hyperscale-Rechenzentrum jährlich Millionen von Indiumphosphid-Laserkomponenten braucht.

Aus den Nachfrageprognosen von Yole lässt sich das Wachstum dieser Nachfrage sehr anschaulich ablesen.

Laut Yole benötigen KI-Cluster alle zwei Jahre eine 70-fache Steigerung der Anzahl von Verbindungen. Die Kanalgeschwindigkeit verdoppelt sich nur alle vier Jahre, die Switch-Bandbreite alle zwei Jahre und die Anzahl der KI-Parameter alle vier Monate. Diese „Verbindungsbarriere“ macht den Übergang zu 1,6T, 3,2T und CPO für jeden Lieferanten von entscheidender Bedeutung und nicht nur eine schrittweise Verbesserung.

Yole schätzt, dass der Markt für optische Module von rund 10 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 112 Milliarden US-Dollar im Jahr 2031 wachsen wird (mit einer jährlichen Wachstumsrate von etwa 35%), was hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass die Hyperscale-Rechenzentren voraussichtlich allein im Jahr 2026 Kapitalausgaben von 670 Milliarden US-Dollar und zwischen 2026 und 2031 insgesamt 5,3 Billionen US-Dollar an Kapitalausgaben tätigen werden.

Die daraus resultierende Nachfrage nach Indiumphosphid ist vorstellbar. Man muss sich jedoch auch bewusst machen, dass die InP-Lieferkette nicht dafür ausgelegt ist, die Nachfrage im KI-Maßstab zu bewältigen: Die Produktion von InP-Substraten wird von sehr wenigen Lieferanten kontrolliert, das Wachstum von Epitaxie-Wafern ist noch stärker konzentriert und die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Lasern mit externem Modulator (EML) wird hauptsächlich von zwei Unternehmen dominiert.

Diese Konzentration birgt sowohl industrielle als auch geopolitische Risiken. Ein erheblicher Teil der InP-Substratproduktion steht in Zusammenhang mit China, während fortschrittliche Epitaxie-Technologien stark auf Taiwan konzentriert sind. Als China das System von Exportlizenzen für indiumbezogene Materialien einführte, breiteten sich Verzögerungen fast sofort im gesamten System aus.

Lumentum, ein großer Hersteller von optischer Kommunikation, der entsprechende Optikchips herstellte, warnte im August, dass die Nachfrage nach Indiumphosphid-Lasern in KI-Rechenzentren sprunghaft ansteigt und das Angebotsdefizit schwerwiegender sein könnte als bei Speicherchips. Selbst nachdem Coherents Indiumphosphid-Kapazität verdoppelt wurde, reicht das Angebot nicht aus, um die Nachfrage zu decken.

Aus diesem Grund schenken alle diesem Material große Aufmerksamkeit.

Selbsthilfe nach dem „Engpass“

Nachdem die Branche diese Probleme erkannt hat, beginnt sie mit Selbsthilfemaßnahmen. Abgesehen von der weiter vorgelagerten Materialversorgung sind die Substrate das entscheidende Glied.

Substrate lassen sich als das „Fundament“ von Optikchips verstehen. Sowohl die CW-Laser und EML-Laser, die in Rechenzentren verwendet werden, als auch Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und Optikdetektoren müssen zuerst auf einem hochwertigen einkristallinen Indiumphosphid-Substrat epitaktisch aufgewachsen werden. Die Defektdichte, Kristallhomogenität und Ebenheit des Substrats bestimmen direkt die Ausbeute, Lebensdauer und Übertragungsleistung der Bauelemente. Daher ist es in der Branche allgemein anerkannt: Wer hochwertige InP-Substrate beherrscht, hält das am schwersten ersetzbare Glied der KI-Optikverbindungs-Lieferkette in der Hand.

In diesem Bereich ist das japanische Unternehmen Sumitomo Electric kaum zu umgehen. Sumitomo arbeitet seit Jahrzehnten an Indiumphosphid-Materialien, ist der weltweit größte Lieferant von InP-Substraten und hält seit langem einen Anteil von etwa 40 % am Markt für hochwertige halbisolierende Substrate. Es ist auch eine wichtige Bezugsquelle für Materialien im Ökosystem von KI-Optikmodulen wie NVIDIA und Broadcom. Sein Kernvorteil liegt nicht in den Geräten, sondern in der Kristallzüchtungstechnik des Flüssigversiegelungs-Czochralski-Verfahrens (LEC): Durch präzise Steuerung des Temperaturfeldes, des Phosphordampfdrucks und der Flüssigversiegelungsumgebung können 6-Zoll-Indiumphosphid-Wafer mit niedriger Versetzungsdichte und hoher Homogenität kontinuierlich hergestellt werden. Diese Technik hängt stark von langjähriger Erfahrung ab. Selbst mit identischen Geräten ist es schwer, sie in kurzer Zeit zu kopieren. Daher ist Sumitomo eines der repräsentativsten „Engpass“-Unternehmen in der weltweiten Indiumphosphid-Lieferkette.

Wenn Sumitomo Electric für hochwertige halbisolierende Substrate steht, dann steht das japanische Unternehmen JX Advanced Metals für ein vertikal integriertes Indiumphosphid-Materialsystem.

JX ist eines der wenigen Unternehmen weltweit, das gleichzeitig über Fähigkeiten zur Hochreinmetallaufreinigung, zum Wachstum von Indiumphosphid-Einkristallen und zur Substratverfügung verfügt, mit mehr als 40 Jahren Erfahrung in der Herstellung von InP-Substraten. Seine Produkte werden hauptsächlich in optischen Modulen von Rechenzentren, Lasern, Optikdetektoren und Hochgeschwindigkeits-Elektronikbauelementen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch niedrige Versetzungsdichte, hohe Ebenheit und stabile Epitaxie-Konsistenz aus und sind ein wichtiger Lieferant von Materialien für die weltweite KI-Optikkommunikations-Lieferkette.

AXT (Beijing Tongmei) ist eines der wichtigsten Unternehmen im Bereich der weltweiten Indiumphosphid-Substrate und das einzige Unternehmen mit chinesisch-amerikanischem Hintergrund, das in die weltweit erste Liga aufgestiegen ist.

AXT hat seinen Hauptsitz im Silicon Valley in den USA. Der eigentliche Hersteller von Indiumphosphid ist seine hundertprozentige Tochtergesellschaft Beijing Tongmei. Das Unternehmen konzentriert sich auf Substrate aus Indiumphosphid (InP), Galliumarsenid (GaAs) und Germanium (Ge). Es ist eines der wenigen Unternehmen weltweit, das 2–6 Zoll große einkristalline InP-Substrate stabil in Massenproduktion herstellen kann. Seine Produkte werden weitgehend an Hersteller von Optikchips und Epitaxie wie IQE, LandMark, VPEC und Coherent geliefert und sind auch eine wichtige vorgelagerte Materialquelle für optische Module in KI-Rechenzentren.

Im Gegensatz zu dem von Sumitomo und JX verwendeten LEC-Ansatz liegt die Kernkompetenz von AXT in der selbst entwickelten VGF-Kristallzüchtungstechnik (Vertical Gradient Freeze). VGF kann ein gleichmäßigeres Temperaturfeld und geringere Wärmespannungen erzielen und hat Vorteile beim Wachstum von großformatigen Indiumphosphid-Kristallen. Daher gilt Beijing Tongmei seit langem als eines der repräsentativen Unternehmen für 6-Zoll-InP-Substrate.

Aus den Daten geht hervor, dass die drei oben genannten großen Substrathersteller den Großteil der Nachfrage nach Indiumphosphid-Substraten abdecken. Angesichts dieser großen Nachfrageexplosion erweitern sie auch ihre Produktionskapazitäten.

Im Juli dieses Jahres wurde bekannt, dass das japanische Unternehmen Sumitomo Electric die Kapazität für Indiumphosphid-Substrate auf das 3,1-fache erweitert, um der schnellen KI-Nachfrage gerecht zu werden. JX Metal plant die Invest