Black Semiconductor: Wenn Licht durch Chips fließt – Eine Technikhistorische Einordnung

Einleitung

Seit den 1960er-Jahren folgt die Halbleiterindustrie dem Mooreschen Gesetz – etwa alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip. Doch diese Ära neigt sich ihrem Ende entgegen. Physikalische Grenzen wie Leckströme, Wärmeentwicklung und Quanteneffekte bremsen die Miniaturisierung aus. Eine vielversprechende Antwort darauf heißt „Black Semiconductor“ – ein junges deutsches Unternehmen aus Aachen, das 2024 Schlagzeilen machte, als es 254,4 Millionen Euro Förderung erhielt. Das Besondere: Statt elektrischer Signale setzen sie auf Licht. Doch was genau bedeutet „Chips mit Licht“? Dieser Artikel erklärt die Technologie, ihre historischen Wurzeln, aktuelle Herausforderungen und mögliche Zukunftsszenarien – ohne Übertreibungen, aber mit der nötigen Tiefe.

Hauptteil

1. Das Problem: Elektrische Chips an ihrer Grenze

Bevor wir über Licht sprechen, müssen wir verstehen, warum elektrische Chips zunehmend scheitern.

Die Branche sucht daher nach Post-CMOS-Technologien: Spintronik, Quantencomputing, Neuromorphe Chips – und eben Photonik.

2. Die Idee: Licht statt Strom auf dem Chip

Klassische Optoelektronik nutzt Licht nur für Übertragungsstrecken (Glasfaser). Auf dem Chip selbst wandeln Sender (VCSEL, Laser) elektrische Signale in Licht um, und Empfänger (Photodioden) wandeln zurück. Das Problem: Diese Konverter sind groß, energiehungrig und langsam.

Black Semiconductors Ansatz: Sie wollen eine Materialklasse nutzen, die direkt auf Silizium oder andere Halbleiter aufgebracht werden kann und dort Licht erzeugen, leiten und detektieren kann – ohne separate Konverter. Das Unternehmen spricht von einer „optischen Verbindungsschicht“ (Optical Interconnect Layer) zwischen den Rechenkernen eines Chips.

Konkret geht es um 2D-Materialien – insbesondere modifiziertes Graphen oder Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs) wie Molybdändisulfid (MoS₂). Diese Materialien können als Quantenpunkte oder -töpfe Licht emittieren, wenn Elektronen in einem definierten Energieband rekombinieren.

3. Historische Entwicklung: Von der Glasfaser zum Chip-Photonik

Um die Leistung einzuordnen, ein kurzer historischer Abriss:

• 1960er: Erste Laser und LEDs – riesig, kalt betrieben.
• 1970er–80er: Glasfaser für Telekommunikation (Nobelpreis 2009 für Kao).
• 1990er: Silizium-Photonik als Forschungsfeld (University of Rochester, Intel).
• 2000er: Erste Hybrid-Chips (Lichtwellenleiter aus Silizium, aber III-V-Materialien für Laser, z. B. Indiumphosphid).
• 2010er: Fortschritte bei 2D-Materialien (Nobelpreis 2010 für Graphen). Entdeckung, dass MoS₂ und WSe₂ Licht emittieren können.
• 2020–2025: Erste kommerzielle optische Interconnects auf Chip-Level (Ayar Labs, Lightmatter, Black Semiconductor).

Die echte Neuerung von Black Semiconductor ist nicht die Idee an sich – sondern der Versuch, eine monolithisch integrierte Lösung zu schaffen, also keine separaten Chiplets, sondern eine einheitliche Fertigung. Das ist technologisch extrem schwierig, weil Lichtquellen normalerweise nicht auf Standard-Silizium-CMOS-Prozessen wachsen.

4. Materialhintergrund: Warum „Black“?

Der Name „Black Semiconductor“ spielt auf die schwarze Farbe von Graphen und verwandten 2D-Materialien an – diese absorbieren Licht über ein breites Spektrum. Das Gegenteil wäre ein „transparenter Halbleiter“ wie Indium-Zinn-Oxid (ITO). Schwarz bedeutet hier: starke Licht-Materie-Wechselwirkung, ideal für Detektion und Emission.

Die konkreten Materialien, die Black Semiconductor laut öffentlichen Patentrecherchen und Präsentationen nutzt, sind:

• Graphen (für schnelle Photodetektion, aber schlechte Lichtemission)
• TMDCs (wie MoS₂ oder WSe₂, gute Emitter, aber noch geringe Effizienz bei Raumtemperatur)
• Heterostrukturen aus beiden, um die Vorteile zu kombinieren

Ein wichtiger Unsicherheitsfaktor: Keines dieser Materialien ist heute in einer Hochvolumen-Fab (300 mm Wafer, CMOS-Reinraum) etabliert. Die Fertigungstechnologie existiert nur im Labor- oder Pilotmaßstab.

5. Aktuelle Kontroversen und realistische Einschätzung

Kontroverse 1: Zu viel Hype?
Die Förderung von 254 Mio. € (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz + Chipfertigungsaufträge) ist die bisher größte Einzelförderung für ein deutsches Deep-Tech-Startup. Kritiker verweisen auf gescheiterte Vorgänger (z. B. QuTech, diverse Graphen-Startups). Die Fraunhofer-Gesellschaft hat 2024 einen Bericht veröffentlicht, wonach optische Interconnects frühestens 2030 marktreif werden – wenn überhaupt.

Kontroverse 2: Konkurrenz durch etablierte Player
Intel hat mit seiner „Photonics Integrated Circuit“-Sparte bereits funktionierende Produkte (z. B. für Rechenzentren). Ayar Labs (USA) liefert optische Chiplets an NVIDIA und AMD. Black Semiconductor setzt auf Monolithik – das ist riskanter, aber potenziell effizienter.

Kontroverse 3: Physikalische Grenzen
Lichtwellenleiter auf einem Chip benötigen Abmessungen im Bereich der Wellenlänge (ca. 1 µm für Infrarot). Das ist viel größer als heutige Transistorstrukturen (2–5 nm). Das bedeutet: Optische Verbindungen werden immer großer sein als elektrische. Sie eignen sich daher vor allem für längere Verbindungen auf dem Chip (zwischen Kernen, zwischen Cache-Blöcken), nicht für die allerfeinste Logik.

6. Zukünftige Implikationen

Selbst im Erfolgsfall: Licht ersetzt nicht die Transistoren. Es ersetzt die Leitungen zwischen ihnen. Das ist evolutionär, nicht revolutionär – aber dennoch enorm wichtig, denn heute verbrauchen Datenbewegungen auf KI-Chips (wie NVIDIA H100) oft mehr als 80 % der Energie.

Fazit und Ausblick

„Black Semiconductor“ steht sinnbildlich für eine vielversprechende, aber technisch extrem anspruchsvolle Richtung: optische Verbindungen direkt auf dem Chip. Die Grundlagenforschung an 2D-Materialien ist solide, die Industrieförderung ambitioniert. Dennoch bleiben erhebliche Unschärfen: Keine öffentlich zugänglichen Messdaten zur Effizienz bei Raumtemperatur, keine bestätigte Fertigungsausbeute, kein klar definierter Produktfahrplan.

Für Technikhistoriker ist dieser Fall interessant, weil er die typische Muster eines „Technologie-Hypes“ zeigt: viel Kapital, wenig öffentliche Daten, große Versprechen. Gleichzeitig unterscheidet er sich von reinen Luftschlössern – die physikalische Notwendigkeit optischer Interconnects ist unbestritten. Ob Black Semiconductor oder ein anderer Player den Durchbruch schafft, wird sich bis 2030 zeigen.

Bis dahin bleibt die Devise: Begeisterung zulassen, aber bei der Faktenlage bleiben. Licht auf Chips ist kein Wundermittel – aber ein wichtiges Puzzlestück.

Quellen

1. Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). (2024). Förderbescheid für Black Semiconductor im Rahmen des IPCEI Mikroelektronik. Berlin.
2. Akinwande, D. et al. (2022). Graphene and beyond for on-chip optical interconnects. Nature Nanotechnology, 17(7), 670–682.
3. Fraunhofer IZM. (2024). Roadmap Integrierte Photonik 2030. Berlin.
4. Li, Y. et al. (2023). Monolithic integration of 2D materials into silicon photonics. ACS Nano, 17(3), 2045–2055.
5. Pressekonferenz Black Semiconductor, Aachen, 15. März 2024 (Transkript).
6. Intel Corporation. (2023). *Silicon Photonics Product Brief Q4/2023*. Santa Clara.