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Die GaAs-Kristalle werden zu Wafern gesägt, anschließend werden diese in einem chemisch-physikalischen Prozess poliert.
© Freiberger Compound Materials GmbH
Halbleiterherstellung
Projektinfo 01/2015

Blick in die Züchtungstiegel bei der 9 x 100 mm Kristallzüchtung
© Freiberger Compound Materials GmbH

Schematische Darstellung der Kristallisationsverfahren. Links: LEC (Liquid Encapsulated Czochralski), rechts: VGF (Vertical Gradient Freeze)
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Halbleiter energiesparend produzieren

Moderne Kommunikationstechniken wie Mobiltelefone, PC und Sendeanlagen funktionieren dank hochwertiger, hochreiner Kristalle. Die elektronischen Schaltkreise und Mikroprozessoren in den Geräten basieren auf monokristallinen Halbleitern aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid. Das Halbleiter-Material wird in Form monokristalliner Säulen aufwendig und energieintensiv aus der Schmelze gezogen. Ein Freiberger Halbleiterhersteller hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem gleichzeitig bis zu neun Kristalle parallel gezüchtet werden. Es senkt den spezifischen Energieverbrauch für die Herstellung auf ein Drittel. Das neue technologische Prinzip ist auf die Züchtung anderer Halbleitersubstrate übertragbar.

Halbleiter-Einkristalle wie Silizium, Germanium oder Galliumarsenid (GaAs) gehören zu den reinsten Werkstoffen unserer Zeit. Im Einkristall sind die Atome nahezu perfekt nach einem Gitter ausgerichtet, nur etwa jedes Millionste ist ein Fremdatom. Durch die zusätzliche Einbringung von Fremdatomen (Dotierung) werden diese gezielt kompensiert und die gewünschten Halbleitereigenschaften erzeugt. Neben Silizium, das die Halbleitertechnologie dominiert, hat sich Galliumarsenid zu einem Grundstoff der Mikroelektronik entwickelt. Durch die hohe Elektronenbeweglichkeit und den direkten Bandübergang eignet sich das Material sehr gut für Anwendungen in der Hochfrequenzübertragung sowie der Optoelektronik. Mit GaAs können zum Beispiel Verstärker für Mobiletelefone und Laptops hergestellt werden, um die drahtlose Kommunikation zu ermöglichen – oder auch Solarzellen, Leuchtdioden und Laser für infrarotes, rotes und orangenes Licht.

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Die Verfahren der Kristallzüchtung werden leistungsfähiger

Die Technologie der Einkristallzüchtung hat sich in den letzten 70 Jahren rasant entwickelt. Anfangs erreichten die Kristalle gerade einmal ein Gewicht von einigen Gramm und wenige Zentimeter Durchmesser. Heute kann man Silizium-Einkristalle mit Massen von mehreren hundert Kilogramm und Durchmessern von bis zu 45 cm herstellen. Die meisten Halbleiterkristalle werden bei Temperaturen von etwa 900°C – 1.500°C aus der Schmelze gezüchtet. Die Prozesse sind energieintensiv. Für die Züchtung der Galliumarsenid-Einkristalle wurde in den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts das „Liquid Encapsulated Czochralski“-Verfahren (LEC) entwickelt. Aufgrund des Zersetzungsdruckes am Schmelzpunkt ist die Züchtung nur unter einer Abdeckschmelze möglich. Der Kristall wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 mm/h aus dem Schmelztiegel herausgezogen. Dieser Prozess dauert 2 bis 3 Tage: während dieser Zeit muss die Schmelze auf Temperaturen von bis zu 1.300°C gehalten werden. Zur Jahrtausendwende setzte sich die „Vertical Gradient Freeze“-Technologie (VGF) durch. Mit diesem Verfahren können Kristalle mit höherer Perfektion hergestellt werden. Es hat den Nachteil, dass der Kristall nur etwa halb so schnell erstarrt wie bei der LEC-Methode. Dadurch steigt der Energiebedarf pro Prozess.

Um eine möglichst ungestörte, defektfreie kristallographische Struktur zu erreichen, müssen die Temperaturen beim Züchtungsverfahren möglichst konstant bleiben. Außerdem darf es keine Rückschmelzerscheinungen bei der Kristallisation geben.

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Adressen

Links

Fraunhofer THM
Website des Fraunhofer Technologiezentrums für Halbleitermaterialien

Fraunhofer IAF
Website des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik

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