Sehr geehrte Investierende und Freunde/Freundinnen von APUS Capital,
eine wirklich bedeutende Innovation, die von der breiten Öffentlichkeit zunächst kaum beachtet wurde, war die Erfindung der Lithiumbatterie in 1979. Für ihre Entwicklung bekamen Stanley Whittigham, John Goodenough und Akira Yoshino 2019 den Nobelpreis in Chemie verliehen. Dank ihrer Energieeffizienz, hohen Ladegeschwindigkeit, Energiedichte, langen Lebensdauer, ihres geringen Gewichts und ihrer Wartungsfreiheit hat die Lithiumbatterie die Welt der Energiespeicher revolutioniert. Ohne Lithiumbatterien gäbe es keine Smartphones, keine kabellosen Werkzeuge, Elektrofahrzeuge und Speicher für Solarstrom. All diese Anwendungen wären mit traditionellen Bleisäure Batterien nicht möglich gewesen. Aktuell wird global pro Jahr eine Speicherkapazität in Lithiumbatterien von 720 Gigawattstunden produziert, was in etwa der Stromerzeugung von etlichen Atomkraftwerken entspricht. Aufgrund des stark steigenden Bedarfs für Elektromobile und Energiespeichersysteme dürfte sich die Produktion von Lithiumbatterien auf 3.100 Gigawattstunden bis ins Jahr 2030 mehr als vervierfachen! Die Lithiumbatterie steht exemplarisch dafür, welche Innovationssprünge durch den Einsatz neuer Materialien mit besseren Nutzungseigenschaften erreicht werden können.
Eine vergleichbare, möglicherweise zunächst unterschätzte, Entwicklung im Halbleiterbereich hat ähnlich wie bei den Energiespeichern auch mit dem Einsatz neuer Materialien zu tun. Hierbei geht es um sogenannte ‚Leistungshalbleiter‘, also Halbleiter, die für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme zuständig sind. Durch den Trend zur allgemeinen Elektrifizierung (Verkehr, Heizung) wie auch den Ausbau der alternativen Energien und der entsprechenden Speicher nimmt der Bedarf nach Leistungshalbleitern spürbar zu. Bisher verwendete man hier beinahe ausschließlich Silizium. Das traditionelle Halbleitermaterial kann aber den steigenden Anforderungen nach höherer Leistungsdichte und Effizienz im Strommanagement nicht mehr nachkommen, denn Silizium-basierte Halbleiter erzeugen je nach Anwendung höhere Verluste und erhitzen sich bei hohen Spannungen stärker als neue Materialien. Zudem ist die Schaltfrequenz von Silizium nicht so hoch, wodurch pro Schaltung höhere Ausschläge des weitergeleiteten Stroms entstehen und man zum Schutz der an das Netz angeschlossenen Geräte entsprechende Filter in Form von passiven Bauelementen benötigt. Die Halbleiterindustrie setzt daher bei Leistungshalbleitern zunehmend auf alternative Materialien. Hierbei spielen die sogenannten „Wide-Bandgap“-Halbleiter Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eine große Rolle. Die aus der Verbindung zweier chemischer Materialien entstehenden Grundstoffe, werden auch „Verbindungshalbleiter“ genannt. Der wesentliche Vorteil von „Wide-Bandgap“-Verbindungshalbleitern ist, wie ihr Name schon sagt, ihre im Vergleich zu Silizium wesentlich größere Bandlücke. Als Bandlücke bezeichnet man den energetischen Abstand zwischen dem Zustand, wo kein Strom („Valenzband“) fließt und dem Zustand, in dem sich Elektronen bewegen („Leistungsband“), also Strom fließt. Die größere Bandlücke bei Siliziumkarbid und Galliumnitrid führt zu physikalischen Eigenschaften, die sie gerade für den Einsatz in Hochvolt- und Hochleistungsbereichen interessant machen. SiC- und GaN-Halbleiter können wesentlich größere Energiemengen schalten, erwärmen sich deutlich weniger, vertragen hohe Temperaturen und ermöglichen eine deutlich höhere Schaltfrequenz. Zusammengefasst: Sie ermöglichen eine höhere „Energiedichte“ auf Schaltungsebene! Sie können bei gleichem Volumen wesentlich mehr elektrische Energie als Silizium schalten, das eine niedrigere Bandlücke aufweist. Hieraus ergeben sich wesentliche Vorteile:
- Bei SiC und GaN-Halbleitern hat man deutlich weniger Energieverluste bei der Übertragung und Umwandlung von Strom (Wechselstrom auf Gleichstrom und umgekehrt). Sie verlieren bis zu 50% weniger Energie durch Abwärme. So gewinnen zum Beispiel Elektroautos bei der Nutzung von Wide-Bandgap Halbleitern 5% bis 10% an Reichweite.
- Die neuen Materialien benötigen weniger Kühlung und sind somit auch bei höheren Temperaturen einsetzbar.
- Mit ihnen kann man aufgrund der höheren Energiedichte wesentlich kleinere Systeme mit gleicher Leistungsfähigkeit fertigen, was gerade bei geringem Platzangebot (Bspw. in Elektrofahrzeugen) eine große Rolle spielt. Die Größe der Umrichtersysteme kann bis zum 3fachen reduziert werden. So schrumpft ein Notebook-Ladegerät auf Galliumnitrid-Basis auf die Größe und das Gewicht eines Tablet-Ladegeräts.
- Aufgrund der wesentlich höheren Schaltfrequenzen mit geringeren Ausschlägen als beim Einsatz von Silizium benötigt man mit SiC und GaN deutlich weniger passive Bauelemente, was die Systemkosten und auch das Systemgewicht reduzieren kann.
- Da die Schaltfrequenz bei Galliumnitrid besonders hoch ist, eignet sich das Material auch hervorragend für alle Hochfrequenzanwendungen im Mobilfunk, wo hohe Frequenzen (5G-Netze bis 6 Gigahertz, LTE nur maximal 2,7 Gigahertz und bis zu 40 GHz in der Satellitenkommunikation) für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten notwendig sind.
- Galliumnitrid wird aufgrund seiner hohen Frequenz und optoelektronischen Eigenschaften auch bei der Erstellung von Leuchtdioden eingesetzt. Nur aufgrund der physikalischen Eigenschaften von GaN kann man blau leuchtende LEDs erstellen. Für die Entwicklung blauer LEDs auf GaN-Basis erhielt der Japaner Isamnu Akasaki 2014 den Nobelpreis für Physik. Die nächste Bildschirmgeneration der Micro-LEDs, die ab der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts sukzessive LCDs und OLEDs ablösen wird, basiert ebenfalls auf GaN Materialien.
Aufgrund all dieser Vorteile explodieren die Märkte für GaN und SiC. Dies ist auch vor dem Hintergrund zu sehen, dass der weltweite Energiebedarf bis 2040 um 20% steigen wird. Getrieben vom Ziel der CO2-Reduktion und dem daraus resultierenden starken Wachstum von E-Mobilität und erneuerbaren Energien wird der Anteil der elektrischen Energie dabei von 40% auf 60% zunehmen. Der Druck, stromsparende Materialien einzusetzen ist daher sehr hoch.
Im Bereich der Leistungshalbleiter findet Galliumnitrid aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften hauptsächlich Anwendung im Bereich der niedrigen (unter 200 Volt) und mittleren Spannungsbereiche (bis 900 Volt), während Siliziumkarbid von der Mittelvolt- (hier kommt es zu einer gewissen Konkurrenz mit GaN) bis zur Hochvoltapplikation (über 600 Volt und bis zu 3,3 kV) zum Einsatz kommt. Die wichtigsten Anwendungen für beide Technologien zeigt die folgende Graphik:
Der Markt für Siliziumkarbid soll bis 2030 um 30% p.a. wachsen und Ende des Jahrzehnts ein Volumen von über 20 Mrd. USD erreichen. Noch höher – allerdings von einem niedrigeren Niveau – sind die Wachstumsraten bei Galliumnitrid. Hier erwartet man bis 2027 jährliche Zuwachsraten von nahezu 60% auf ein Marktvolumen von dann über 2 Mrd. USD. Gerade bei GaN dürfte es aber in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts viele neue Anwendungsfelder geben. Das Marktvolumen könnte daher in 2030 deutlich höher ausfallen.
Als Anleger stellt man sich natürlich die Frage, wer sind die führenden Player in den neuen Märkten für Leistungshalbleiter und wer liefert Ausrüstung und Materialien? Der bekannteste und größte Player für beide Materialien, insbesondere für SiC, ist das US-Unternehmen Wolfspeed, das sowohl in der Materialherstellung als auch in der Komponentenproduktion tätig ist. Auch onsemi aus den USA und Rohm aus Japan sind wichtige Player im SiC-Bereich. Aber auch die europäischen Halbleiterunternehmen spielen eine wichtige Rolle. So sind sowohl STMicroelectronics als auch Infineon führende Anbieter in beiden Technologien. Dies beruht auf ihrer starken Position bei traditionellen Leistungshalbleitern und ihrer guten Marktstellung in Anwendungsfeldern wie Automobil, Industrie und Energietechnik. Beide Unternehmen investieren bei SiC und GaN massiv in neue Fertigungskapazitäten. So hat Infineon jüngst eine 5 Mrd. € Investition in ein neues SiC-Werk in Kulim, Malaysia angekündigt. Durch Zukäufe bauen beide Unternehmen ihre Marktposition weiter aus. Die Übernahme des kanadischen Unternehmen GaN-Systems im Frühjahr dieses Jahres macht Infineon zu einem der führenden Anbieter bei Galliumnitrid. Aber auch kleinere europäische Gesellschaften sind in den neuen Halbleitertechnologien gut positioniert. So ist die französisch-deutsche X-Fab einer der weltweit größten Auftragsfertiger für SiC- und GaN-Halbleiter. Im Bereich der Maschinen für die Produktion von Verbindungshalbleitern oder die entsprechenden Rohstoffe haben europäische Anbieter wie ASMI, PVA Tepla, Soitec, Suess Microtec und insbesondere Aixtron eine führende Marktstellung. Auch bei den Verbrauchsmaterialien in der SiC-Produktion sind europäische Unternehmen mit den Graphitherstellern Mersen und SGL Carbon prominent vertreten.
Dies zeigt, dass im Gegensatz zu anderen Technologiefeldern Europa erfreulicherweise im Wachstumsbereich der Verbindungshalbleiter sehr gut aufgestellt ist. Für uns bei APUS bieten sich damit interessante Anlagemöglichkeiten. Die Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Halbleiter eröffnen genau die langfristigen Wachstumschancen, nach denen wir Ausschau halten. Das heißt nicht, dass wir in jedem der obigen Werte engagiert sind, weil die genannten Unternehmen eben auch andere, weniger lukrative Aktivitäten ausüben. Da europäische Hersteller auch in anderen bedeutenden Wachstumsfeldern des Halbleiterbereichs wie Advanced Packaging, Lithographie, Beschichtungs-Technologie, Sensoren oder Connectivity-Halbleitern eine weltweit führende Position innehaben, spielt der Sektor bei unseren Investitionsentscheidungen eine besonders wichtige Rolle.
Sehr geehrte Investierende und Freunde/Freundinnen von APUS Capital,
viele bedeutende Innovationen werden – wie bei der Lithiumbatterie – von der Öffentlichkeit wenig oder überhaupt nicht wahrgenommen. Im Gegensatz zum Thema Künstliche Intelligenz wird in den Medien kaum etwas zur Revolution der Verbindungshalbleiter und ihrem Beitrag zur Bewältigung des Energiewandels berichtet. Vielleicht liegt es daran, dass das Thema doch viel mit Chemie und Physik zu tun hat oder die entsprechenden Halbleiter in den Endprodukten „unsichtbar“ verbaut sind. Die wahren Helden arbeiten eben oft im Verborgenen! Am Aktienmarkt wird ihre Leistung früher oder später dennoch erkannt und honoriert, auch wenn dabei nicht immer ein Nobelpreis „herausspringen“ muss.
Mit besten Grüßen von den Mauerseglern aus Frankfurt!
Dr. Wolfram Eichner, Jürgen Kaup, Stefan Meyer, Johannes Ries, Uwe Schupp, Dr. Roland Seibt und Heinz-Gerd Vinken