Silizium (Si)
Silizium ist nicht nur eines der Grundelemente unseres Planeten, es ist auch die Grundlage der modernen Informationsgesellschaft. Ohne die Entwicklung von Silizium-Transistoren wäre eine moderne Elektronik nicht denkbar gewesen. Diese Art von Transistoren ist nur dank der hervorragenden Eigenschaften und der Stabilität von Silizium und seinem Oxid möglich. Die Herstellung dieses wertvollen Rohstoffs, der vor allem für die Halbleiterindustrie, die Solarindustrie, die Polysiliziumindustrie und den F&E-Bereich von großer Bedeutung ist, ist äußerst aufwendig.
- Silizium im Detail
Um reines Silizium zu erhalten, muss der im Quarzsand (SiO2) enthaltene Sauerstoff mit Hilfe von Kohlenstoff extrahiert werden. Da Silizium und Sauerstoff atomar sehr nah verwandt sind, verbinden sich Kohlenstoff und Sauerstoff im Quarzsand erst bei sehr hohen Temperaturen (ca. 1.800 °C) zu Kohlendioxid. Das Kohlendioxid wird abgelassen und Silizium bleibt zurück. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv und erfordert ca. 14 kWh pro kg Rohsilizium. Auf diese Weise extrahiertes Rohsilizium enthält noch ca. 1% Verunreinigungen. In der Industrie ist jedoch ein Reinheitsgrad von mindestens 0,0000001% (1 ppb) erforderlich. Das Rohsilizium ist daher für Computer- oder Photovoltaikzwecke noch immer ungeeignet. Aus diesem Grund wird es mit Hilfe von reiner Salzsäure in Trichlorsilan, einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von ca. 30 °C, die in großen Systemen über 30 Meter Höhe destilliert wird, umgewandelt. Dieses Destillat, also das aufgereinigte Silizium, enthält nur Verunreinigungen unter 1 ppb. Die Rückkehr zu festem Silizium wird durch eine Reaktion von Trichlorsilan mit hochreinem Wasserstoff erreicht. Zu diesem Zweck wird ein Gemisch der Gase mit heißen "Dünnstäben" aus hochreinem Silizium in Kontakt gebracht, auf denen sich neues Silizium in kleinen, ungeordneten Kristallen als Polysilizium abscheidet. Die Stangen werden zunehmend dicker und wenn ein Durchmesser von ca. 180 mm erreicht ist, ist der Prozess beendet und der Stab wird in kleine Stücke zerbrochen. Das Material, das die High-Tech-Zivilisation in Bewegung hält, ist fertig.
Siliziumkarbid (SiC)
Der Verbindungshalbleiter Siliziumkarbid überzeugt im Vergleich zum reinen Halbleitersilizium nicht nur durch seine überlegenen Halbleitereigenschaften. Der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband ist dreimal größer und hilft, Schaltverluste um 90% zu reduzieren. Hochleistungskomponenten, die auf Siliziumkarbid basieren, weisen einen Wirkungsgrad von nahezu 100% auf. Gleichzeitig können sie erheblich höhere Stromdichten übertragen. Von diesen positiven Eigenschaften profitieren vor allem die Halbleiterindustrie und den F&E-Bereich.
- Vorteile von Siliziumkarbid
Auch die hohe thermische Stabilität des Materials erweist sich hier als vorteilhaft. Die Schmelztemperatur von Siliziumkarbid liegt oberhalb von 2.800 °C, während Silizium bei Temperaturen um 1.410 °C schmilzt. SiC-Komponenten tolerieren demnach erheblich höhere Arbeitstemperaturen. Kühlmaßnahmen können also entweder vollständig entfallen oder zumindest stark reduziert werden, was ein wesentlich kompakteres, platzsparendes Design ermöglicht.
Siliciumkarbid wird seit mehreren Jahrzehnten als technische Keramik in Gleitlagern, Pumpen und Brennern eingesetzt. Große Probleme beim Kristallzüchten haben jedoch lange Zeit der Nutzung von SiC als Halbleiter im Weg gestanden. Wie so oft in der Technologie haben auch in diesem Fall produktionsbezogene Probleme den Durchbruch vereitelt.
Germanium (Ge)
Als Halbleiter war Germanium einst das führende Material in der Elektronik, bis es von Silizium verdrängt wurde. Heutzutage wird es in der Hochfrequenztechnologie (beispielsweise als SiGe-Verbindungshalbleiter) verwendet und in der Detektor-Technologie (beispielsweise als Röntgendetektor). Wafer aus Germanium werden teilweise als Trägermaterial für Solarzellen aus Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt. Der Gitterparameter von Germanium ist dem von Galliumarsenid sehr ähnlich, so dass GaAs epitaktisch an Germanium-Einkristallen wachsen kann. In Zukunft könnte Germanium durch die neue Germanium-Kohlenstoff-Silizium-Technologie wieder an Bedeutung gewinnen.
Verbindungshalbleiter
Verbindungshalbleiter aus den Hauptgruppen III und IV besitzen gegenüber Silizium einen großen Vorteil: Ihre Bandlücken können einfach durch Veränderung ihrer Materialzusammensetzung variiert werden. Ihre elektrischen Eigenschaften lassen sich somit selektiv verändern. Aus diesem Grund kommen sie hauptsächlich in technischen Anwendungen, wie optischen Instrumenten, LEDs oder Lasern zum Einsatz. Darüber hinaus haben einige Verbindungen einen direkten Bandübergang, der sie auch für den Einsatz in optischen Anwendungen prädestiniert.