Wirtschaft: Innovationspreis Berlin/Brandenburg: Gezüchtete Kristalle: Ein Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren verbessert die Herstellung von Halbleitern

Die Entwicklung des Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) in Adlershof ist für viele Menschen im wahrsten Wortsinn "greifbar". Die acht Wissenschaftler und Ingenieure der Arbeitsgruppe "Czochralski-Halbleiter" haben eine verbesserte Möglichkeit zur Herstellung zentraler Bauelemente von Mobiltelefonen, Fernbedienungen oder CD-Playern gefunden. Diese Elemente bestehen aus Kristallen, die "gezüchtet" und danach für das Aufbringen der aktiven Mikrostrukturen in Scheiben zerlegt werden. Da sich Silizium als Grundmaterial für die Optoelektronik und die Telekommunikation nur wenig eignet, werden dafür Halbleiter aus Verbindungen mit Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Galliumphosphid eingesetzt.

Der Umsatz dieser Verbundkristalle hat sich in den letzten zehn Jahren weltweit verdoppelt, gleichzeitig aber sind auch die Anforderungen der Bauelementehersteller an die Qualität der Kristalle stark gestiegen. Doch die Herstellung dieser Halbleiter aus zwei Elementen ist "nicht ganz trivial", sagt Michael Neubert, der wissenschaftliche Leiter des Projekts. Bisher werden die Kristalle größtenteils im so genannten "Bridgement-Verfahren" hergestellt, einer Art Container, in denen man die Ausgangsmaterialien auf über 1200 Grad erhitzt und dann langsam erkalten lässt.

Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass man den Prozess nicht beobachten und auch während dessen nicht regulierend eingreifen kann. Im Ergebnis wird daher viel Ausschuss produziert. Um verbesserte Kristalle aus diesen Verbundmaterialien herzustellen, entschlossen sich die Wissenschaftler des IKZ das 1917 in Berlin zum ersten Mal beschriebene und bis in die sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts ausgereifte Czochralski-Verfahren für Kristallzüchtung wieder aufzunehmen und weiterzuentwickeln. Dabei wurden sie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Industriepartner, der Freiberger Compounds Materials (FCM) gefördert. In diesem Verfahren, das in einer Art gasdichtem Ofen stattfindet, wird in einer 1240 Grad heißen Schmelze aus Gallium und Arsen ein Stab eingebracht und unter Rotation langsam herausgezogen. Die Materialien lagern sich dabei mit einer Dicke von bis zu 15 Zentimeter am Stab an und bilden einen homogenen Kristall, der bis zu 30 Zentimeter lang werden kann. Die Gefahr dabei ist, dass sich der Kristall aus den beiden Grundsubstanzen zersetzt. Deshalb wächst er beim neuen so genannten "Vapour-Pressure Controlled Czochralski-Verfahren" (VCz) unter einem über eine separate Quelle realisierten Arsen-Gegendruck und in einer Umgebung, in der geringere Temperaturdifferenzen herrschen.

Für mehrere ihrer Lösungen wurden Patente angemeldet. Die Wissenschaftler und Ingenieure des IKZ haben damit ein leistungsfähiges Verfahren entwickelt, mit dem sehr homogene Kristalle mit weniger Defekten erreicht werden. Sie übertreffen damit qualitativ die Weltspitze. Die Forscher legen großen Wert darauf, dass es sich bei ihrer Entwicklung um eine Teamarbeit aus Wissenschaft, Computertechnologie und Ingenieursarbeit handelt.

olk