Schattenspender

Forschung für alle – PD Dr. Alexander Pwalis

Smartphones, Autos, Lampen dafür brauchen wir immer mehr Halbleiter. Sie herzustellen, gleicht einem industriellen Marathon, der Spuren hinterlässt – in der Qualität der Bauteile selbst, aber auch durch seinen ökologischen Fußabdruck. Eine clevere Technologie könnte hier die „Wände“ bringen.

Juni 2026

_{Der Prototyp: Sie erzeugen den Schatten, der den Materialstrom unterbricht: Dieses Modell aus Klemmbausteinen macht das Prinzip der Schattenwände greifbar. Gebaut hat es Pawlis‘ siebenjähriger Sohn für uns.}

Parcours für Halbleiter

Im Inneren eines Smartphones sitzen winzige Bauteile, die Strom lenken, Licht erzeugen und Signale verarbeiten. Ohne sie läuft nichts, kein Display, Sensor oder Prozessor. Die Bauteile bestehen aus Halbleitern, die nicht am Stück entstehen, sondern Schicht für Schicht wachsen.

Dafür wandert ein Bauteil durch eine Fabrik, die an einen Parcours erinnert: beschichten, strukturieren, ätzen, reinigen. Dann wieder von vorn. „Das ist ein Top-Down-Verfahren. Und jeder seiner Schritte kann das Material beeinträchtigen“, erklärt Privatdozent Dr. Alexander Pawlis. Dabei dampfen Anlagen zunächst alle Materialschichten flächig auf ein Substrat, den Silizium-Wafer, auf. Erst danach bringen Maschinen das System mühsam in Form, indem sie die gewünschten Strukturen immer wieder in das Material ätzen und die Reste reinigen. In diesem Prozess müssen sie verschiedene Masken nacheinander exakt positionieren. Schon eine winzige Fehlausrichtung im Nanometerbereich kann dazu führen, dass Kontakte sich verschieben.

Da die Komponenten für diesen Parcours mehrmals das schützende Vakuum verlassen müssen, kommen sie mit Luft in Kontakt, oxidieren oder verunreinigen – das hinterlässt Spuren auf dem Halbleiter. „In der Summe sorgen sie dafür, dass die Bauteile weniger effizient arbeiten. Wir merken sowas zum Beispiel, wenn Energie als Wärme entweicht, statt in Rechenleistungen oder Licht zu fließen. Oder sie führen direkt zum Ausschuss“, so der Forscher.

„Hier in Jülich entwickeln wir Dinge, die Unternehmen oft erst später, aber dafür umso mehr interessieren werden.“

— PD Dr. Alexander Pwalis

Bottom-up: Halbleiter, die in ihre Form wachsen

Pawlis, Arbeitsgruppenleiter am Peter Grünberg Institut – Halbleiter-Nanoelektronik, will den Parcours abkürzen. Seine Lösung für die Chip-Fabrik von morgen ist die Schattenwandtechnologie, auch Shadow Wall Epitaxie genannt. Statt Schichten erst großflächig aufzutragen und Überflüssiges mühsam zu entfernen, verfolgt er einen Bottom-up-Ansatz. Das Bauelement wächst dabei von unten nach oben direkt in seine finale Form. Dafür installiert Pawlis gleich zu Beginn winzige Strukturen auf dem Wafer, die Schattenwände. Sie verhindern, dass überflüssige Materialien entstehen, die Maschinen wieder mit hochgiftigen Lösungsmitteln und Säuren ablösen und wegätzen müssen.

Die Halbleitermaterialien werden im Hochvakuum erhitzt und so verdampft. Da Atome hier freie Bahn ohne Kollisionen mit Luft haben, fliegen sie in einem präzisen, direktionalen Atomstrahl, der sich wie ein Laserstrahl verhält, direkt auf den Wafer zu und lagern sich dort als dünne Schicht ab. Die Wände funktionieren wie ein Schattenspender: Pawlis richtet sie exakt auf den Eintrittswinkel des Atomstrahls aus, sodass sie den Materialstrom in bestimmten Bereichen abfangen: Im Schatten der Wände bleibt die Oberfläche leer, während dort, wo der Strahl ungehindert auftrifft, die gewünschten Strukturen Schicht für Schicht wachsen. Da im Vorfeld nur eine einzige Maske reicht, die z.B. aus dem 3D-Drucker kommen kann, entfallen spätere Positionierungsfehler und Toleranzprobleme wie beim industriellen Top-Down-Prozess völlig. Sogar die Metallkontakte wachsen direkt mit. Das Bauelement verlässt das schützende Vakuum erst, wenn es komplett fertig ist (all-in-situ). Dadurch haben Luft und Verunreinigungen keine Chance.

Der Prototyp

Sie erzeugen den Schatten, der den Materialstrom unterbricht: Dieses Modell aus Klemmbausteinen macht das Prinzip der Schattenwände greifbar. Gebaut hat es Pawlis‘ siebenjähriger Sohn für uns.

Der wirtschaftliche Hebel

„Der Ansatz spart Zeit, Energie und verhindert, dass der Herstellungsprozess das Material beeinträchtigt. Solche Chips arbeiten effizienter, erzeugen kaum Hitze und halten deutlich länger“, fasst Pawlis zusammen. Und es spart massiv Ressourcen: Da die Schattenwandtechnologie die Prozesskette und alle ihre notwendigen Maschinen und Materialien auf nur wenige Schritte reduziert, fällt deutlich weniger hochgiftiger Abfall wie mit Schwermetallen verunreinigte Lösungsmittel, Laugen und Säuren an.

Im Labormaßstab konnte Pawlis den Ansatz bereits erfolgreich umsetzen. Jetzt geht es darum, die Technologie für bestehende industrielle Anlagen zu optimieren. „Das ist noch Zukunftsmusik“, erklärt Pawlis. Für ihn etwas völlig Normales: „In Jülich entwickeln wir Dinge für die Welt von übermorgen. Unternehmen interessieren sich dafür oft erst später, aber dann umso mehr“, so Pawlis. Bei den Schattenwänden ist der „Morgen“ schon angebrochen. Gemeinsam mit dem Industriepartner ELEMENT 3-5 möchte Pawlis die Brücke vom Labor in die Fabrik schlagen.

Der wirtschaftliche Hebel ist beachtlich: die Schattenwände könnten die Fertigungskosten um etwa 30 Prozent senken – zusätzlich. „Denn ELEMENT 3-5 ist es zuvor schon gelungen, seine Bauelemente bei 300°C statt der üblichen 1000°C herzustellen, was sich erheblich auf die Energiekosten auswirkt. Für diese bahnbrechende Innovation erhielt das Unternehmen 2024 den Green Epitaxy Award.“ Am Ende wäre der gesamte Prozess um etwa die Hälfte günstiger als bei herkömmlichen Methoden – und der Durchsatz deutlich höher, da typische Produktionsfehler entfallen.

Ein Chip-Monopol im Schatten?

Gemeinsam wollen Pawlis und ELEMENT 3-5 zu einer europäischen Produktion beitragen, die uns unabhängig von asiatischen Chip-Monopolen macht. Ihre Halbleiter könnten überall in unserem Alltag Platz finden: in hocheffizienten LEDs, Leistungstransistoren für Elektroautos oder Sensoren. Wenn das Smartphone also künftig kühler bleibt und seltener an die Steckdose muss, könnte das an ein paar clever platzierten Schattenspendern aus Jülich liegen.

Schattenwand Expitaxie: Wachstum von Morgen

PD Dr. Alexander Pawlis
leitet die Arbeitsgruppe „Halbleiterepitaxie und Quantenoptik“ am Peter Grünberg Institut (PGI-9) und verantwortet den Forschungsbereich der innovativen Schattenwandtechnologie.
Zur AG Pawlis (PGI-9)

Dr. Yurii Kutovyi
ist der Architekt hinter den Schattenwänden im Team von Dr. Pawlis.
Zum Team von PGI-9

^{Bildnachweis: Alexander Pawlis/ Forschungszentrum Jülich}

Mehrere Geräte, ein Gehirn und zerknülltes Papier auf orangefarbenem Hintergrund. (Mistral: Mistral Medium 3.5, 2026-06-30)

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