Verbindungshalbleiter – ein Erlanger Beitrag zur modernen Elektronik
Prof. Dr. Albrecht Winnacker
Centre for Advanced Materials CAM, University of Heidelberg and Materials for Electronics and Energy Technology<
University of Erlangen-Nuernberg
Vortrag auf der Eröffnungssitzung der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kristallwachstum und Kristallzüchtung DGKK in Erlangen am 6.3.2013
Liebe Kolleginnen und Kollegen,
ich freue mich, dass die Veranstalter die Eröffnungssitzung zum Anlass genommen haben, um an die Entwicklung der Verbindungshalbleiter in Erlangen zu erinnern. Ich nehme an, dass dies nicht nur geschieht, um den Ruhm Erlangens zu mehren, sondern auch deshalb, weil es sich um ein interessantes Stück der Entwicklung der Halbleitertechnologie und insbesondere auch der Kristallzüchtung handelt. Ich betone ausdrücklich, dass es sich nicht um eine Gesamtdarstellung der Geschichte der Verbindungshalbleiter handeln soll, sondern dass die Vorgänge hier am Tagungsort Erlangen vorgestellt werden sollen. Nur deshalb sind die bedeutenden Arbeiten, die international, aber auch z.B. in Freiberg geleistet wurden, hier außen vor gelassen.
In der Tat trifft es aber zu, dass hier in Erlangen bedeutende Beiträge zur Entwicklung der Halbleitermaterialien und der Halbleitertechnologie geleistet wurden. Was die Siliziumtechnologie anbetrifft, stehen dabei die Namen von Schottky und Spenke und ihre Arbeiten in Pretzfeld im Vordergrund. Die Entdeckung und Entwicklung der Verbindungshalbleiter hingegen ist besonders mit dem Namen von Welker und seinen Mitarbeitern verknüpft.
Diese Geschichte ist in verschiedenen Schriften festgehalten[1]. Drei davon sind als Fußnote angegeben.
Madelung, ein theoretischer Physiker wie Welker, war ein enger Mitarbeiter Welkers in den Pionierjahren, später wirkte als Professor für Physik an der Universität Marburg.
Die Geschichte der Forschung an den Verbindungshalbleitern beginnt mit dem Beginn der Tätigkeit von Welker in Erlangen. Insofern ist es angebracht, mit Anmerkungen zur Welkers Biographie zu beginnen.
Im vergangenen Herbst konnte man manches über Welker lesen aus Anlass seines 100ten Geburtstags. Er wurde am 9. September 1912 in Ingolstadt geboren. Der Vater war mittlerer Beamter bei der Reichsbahn, Akademiker hatte es in der Familie vorher nur in Gestalt katholischer Pfarrer gegeben, und so konnten sich die Eltern ein Studium der Physik nur vorstellen unter der Perspektive, das der Sohn Heinrich Lehrer werden sollte, das kam dem Pfarrer noch am nächsten. In der Tat gaben sie ihre Einwilligung zur Finanzierung seines Studiums nur, weil der Sohn aufgrund seiner guten Schulleistungen eine „Anwartschaft auf die Anstellung an höheren Schulen“ zugesprochen erhielt. So studierte er also ab 1931 Mathematik und Physik an der Universität München, hörte dort z.B. die Experimenalphysik-Vorlesung von Walter Gerlach (der vom Stern-Gerlach-Versuch) und hörte im 6. Semester Sommerfelds Vorlesung über Elektrodynamik. Dies wurde insofern bestimmend für seinen weiteren Werdegang, als Sommerfeld ihm auftrug, eine Niederschrift seiner Vorlesung anzufertigen, aus der dann später das Sommerfeldsche Lehrbuch entstand. Er gewann offenbar die Wertschätzung des großen Meisters, Sommerfeld wurde dann auch der Betreuer seiner Staatsexamensarbeit. Immer noch war Welker auf dem Lehrerpfad, ließ sich aber in seiner Zeit als Studienreferendar eine Doktorarbeit geben. Sommerfeld teilte ihm kein geringeres Thema als die Klärung der Frage, warum die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante gerade den Wert 1/137 hatte. An dieser Frage hätte Welker einige Zeit verbringen können, denn bekanntlich ist diese bis heute nicht geklärt. Es spricht für die Einsicht der Beteiligten, dass das Thema bald als ungeeignet für eine Doktorarbeit erkannt wurde, er erhielt ein anderes, wurde dann Assistent, und habilitierte sich 1939 mit einer Arbeit über die Supraleitung. Zur Supraleitung fühlte er sich immer wieder hingezogen, sie hat ihn ein Leben lang beschäftigt, zuletzt wieder nach seiner Pensionierung in seinem Ruhestand. Es sprach also alles für eine akademische Laufbahn in der theoretischen Physik. Diese fiel aber den Turbulenzen im Zusammenhang mit der Nachfolge Sommerfelds zum Opfer, die ja einen Höhepunkt der Auseinandersetzungen um die „Deutsche Physik“ im Dritten Reich markieren. Sie endeten bekanntlich damit, dass 1939 nicht Heisenberg Sommerfelds Nachfolger wurde, sondern der linientreue, n“ wissenschaftlich unbedeutenden Wilhelm Müller. Dieser räumte unverzüglich gründlich auf mit dem Sommerfeld-Anhang an seinem Institut, der ihm politisch, sicher aber auch fachlich nicht geheuer war. So verließ Welker denn das Institut und dauerhaft die Universität und trat am 1.April 1940 in die „Drahtlostelegraphische und Luftelektrische Versuchsansanstalt Gräfelfing“ ein, die mit kriegswichtiger Forschung in der Funktechnik befasst war. Von dort wechselte er 1942 an das Physikalisch-Chemische Institut der Universität München über, die von dem berühmten Clusius geleitet wurde. Auch hier befasst sich Welker mit Hochfrequenztechnik, sprich, mit der Entwicklung von RADAR und kam auf diese Weise mit der Halbleitertechnologie in Berührung. Für die Detektion von Zentimeterwellen wurden Schottkykontakte für die Gleichrichtung entwickelt, wobei Welker auf Germanium als Halbleiter setzte. Diese wurden noch während des Krieges bei Telefunken in großen Stückzahlen produziert. Durch diese kriegswichtigen Arbeiten war der französische Geheimdienst auf den Namen Welker aufmerksam geworden. So kam es, dass man ihm nach Kriegsende anbot, in das funktechnische Labor der Firma Westinghouse in Paris einzutreten. Genauer gesagt musste dieses Labor erst gegründet und errichtet werden. Welker arbeitete in diesen Pariser Jahren sehr eng mit seinem Kollegen Herbert Mataré zusammen. Aus dieser Zusammenarbeit ergab sich ein bemerkenswerter Erfolg, den ich erwähnen will, obwohl er uns von unserem eigentlichen Thema wegführt. Mataré und Welker gelang nämlich parallel zu und unabhängig von den Arbeiten von Shockley, Bardeen und Brattain bei Bell Labs die Entwicklung eines Transistors, den sie am 13.August 1948 zum Patent anmeldeten, nur knapp verzögert gegenüber der öffentlichen Präsentation ihrer Bell Labs Konkurrenten. Das Thema gehört nicht in unseren Zusammenhang heute, es zeigt aber doch, wie sehr sich Welker zu einem der führenden Pioniere der Halbleiterelektronik entwickelt hatte, in einer Reihe zu sehen mit Schottky, Spenke, Mataré, Shockley, Brattain etc.
Diese Nachkriegszeit in Paris waren außerordentlich fruchtbare und arbeitsintensive Jahre für Welker. Parallel zu den Arbeiten am Transistor befasste er sich wieder mit seinem Lieblingsthema, der Supraleitung. In diesem Zusammenhang stellte er umfassende Überlegungen zum Zusammenhang zwischen Struktur und elektronischer Leitfähigkeit an, gestützt auf die Veröffentlichungen von Linus Pauling zur chemischen Bindung. Er verallgemeinerte seine Überlegungen von den Supraleitern auch auf die Halbleiter hin und kam so zu seiner Erkenntnis, dass die III-V-Verbindungen Halbleiter sein sollten wie das das Silizium und das Germanium. Diese Überlegungen zur chemischen Klassifizierung der Halbleiter waren damals sehr neu. Hinsichtlich der Frage, welche Substanzen Halbleiter waren und überhaupt Halbleiter sein könnten, herrschte damals große allgemeine Dunkelheit.
Diese in Paris entstandenen Überlegungen konnte er dann1951 nach seinem Eintritt in das neugegründete Labor für Festkörperphysik der Siemens-Schuckert-Werke in Erlangen einbringen. Als Abteilungsleiter für das Siemens Laboratorium hatte ihn dessen Leiter Trendelenburg gewonnen, eine führende Figur der Siemens Forschung in diesen Jahren. Trendelenburg war begeistert von Welkers Idee der Verbindungshalbleiter. Man war damals angesichts vielfältiger Probleme mit dem Si und Ge noch keineswegs zu der Gewissheit gelangt, dass diese Materialien, vor allem das Si, das ideale Halbleitermaterial sein könnten, man war noch auf der Suche nach dem Halbleiter der Zukunft. Noch im gleichen Jahr kam es zu dem berühmten Patent über die Verbindungshalbleiter[2]. Dieses Patent geht in seinen Aussagen weit über die Feststellung hinaus, dass gewisse Verbindungen ähnlich wie Si und Ge Halbleiter sein müssten. Aufgrund von teils recht elementaren Überlegungen macht Welker Aussagen über die erwartete Kristallstruktur, über die Bandlücken, Beweglichkeiten und Schmelzpunkte. Näheres hat er dann später in seinem Buch über „Halbleitende Verbindungen“ aus dem Jahr 1956 erläutert.
So kam er, gestützt auf die Idee von Linus Pauling über die sog. Bindungsradien der Atome, zu der Erkenntnis, dass eine Reihe von III-V-Verbindungen in der fcc-Zinkblendestruktur kristallisieren sollten wie das Silizium und das Germanium, z.B. GaAs, InP, AlP, GaP, insgesamt neun.
Hinzu kommt noch, dass nicht nur die Struktur, sondern auch quantitativ die Atomabstände – in Übereinstimmung mit Linus Pauling – zwischen den Atomen der Elementhalbleiter und den Atomen des jeweils „benachbarten“ III-V-Halbleiters ganz ähnlich zu erwarten sind, was in der Realität auch zutrifft. So ist der Atomabstand im Si 2,34 Â, in der „Nachbildung“ AlP 2,36 Â etc. Aufgrund dieser starken Ähnlichkeiten in der Struktur war es also in der Tat zu erwarten, dass die „Nachbildungen“ Halbleiter waren.
Die weiteren Überlegungen, die Welker anstellte, lassen sich auf die Formel bringen: Die Kristallstruktur der besagten 9 III-V-Verbindungen ist ganz ähnlich der des Si und Ge, deshalb sollten sie Halbleiter sein. Die Unterschiede ergeben sich dann daraus, dass die Atome, die die kovalente Bindung ausmachen, in den
Verbindungshalbleitern unterschiedlich sind. Daraus resultiert ein zusätzlicher ionischer Beitrag zur Bindung, die Bindungen sind also etwas stärker als in den „benachbarten Elementhalbleitern. Insgesamt schloss Welker aus diesen Überlegungen: Die besagten III – V – Halbleiter sind „Nachbildungen“ der Halbleiter Silizium und Germanium.
Man war in den Siemens Laboratorien so von der Idee überzeugt, dass man ihre Realisierung für die Patentanmeldung gar nicht abgewartete. Anders als bei anderen derartigen Patenten haben sich aber Welkers Vorhersagen vollständig bestätigt.
Man stand nun vor der Aufgabe, die Idee auch umzusetzen. So begannen die umfangreichen Arbeiten an den III-V-Halbleitern, die in den nächsten Jahrzehnten ein besonderes Merkmal der Siemens-Forschungslaboratorien in Erlangen darstellten. Als ich in den 80iger Jahren in die Erlanger Erlanger Laboratorien eintrat, waren noch einige der Chemiker am Werk, die 30 Jahre vorher zunächst mit der Reinstdarstellung der erforderlichen Substanzen wie Phosphor und Arsen begonnen hatten, gefolgt dann von der Synthese des polykristallinen Materials der Phosphore und Arsenide. Parallel wurden die Verfahren zur Züchtung immer besserer Einkristalle entwickelt, zunächst das Gremmelmeier Verfahren, dann, in Anlehnung an das Czochralski-Verfahren des Siliziums, das sog. „Liquid Encapsulated-Czochralski-Verfahren für GaAs und InP, schließlich wurde auch das sog. Vertical Gradient Freeze (VGF) – Verfahren in Angriff genommen, das heute die Herstellung von GaAs dominiert. Schon im Jahre 1955 waren alle III-V-Halbleiter mit Zinkblendestruktur als Einkristalle herstellbar, Ergebnis eines ganz außerordentlichen Kraftaktes der Siemens Forschung unter Heinrich Welker.
Daraus konnten auch erfolgreich elektronische Bauelemente aufgebaut werden, wie Magnetfeldsonden (Hallsonde, Hallgeneratoren, Feldplatte (InSb) in den 50iger bis 80iger Jahren), Photozellen und Solarzellen aus GaAs (Gremmelmaier ab 1954), Transistoren in Konkurrenz zu Si, bis ca. 1960, Leuchtdioden schon ab 1955 und schließlich Halbleiterlaser (International ab 1962, Siemens ab 1963).
Ich mache nun einen großen Sprung in die 80iger Jahre zu den Themen, die ich vorfand, als ich 1986 in die Erlanger Forschungslaboratorien eintrat, wo ich schließlich die Fachabteilung „Verbindungshalbleiter und Leuchtstoffe“ übernahm.
Diese Zeit kann etwa als die Endphase der Verbindungshalbleiterforschung in den Erlanger Siemens Forschungslaboratorien bezeichnet werden. Projekte zu dieser Zeit waren
- Der GaAs-MESFET für integrierte Schaltungen. Es war die große Zeit der Erforschung des semiisolierenden GaAs
- SiC, mit Ziel blaue Leuchtdiode, die dann auch von der Gruppe um C. Weyrich, S. Leibenzeder und Dr. Ziegler mit seinem Mitarbeiter Lanig realisiert wurde[3].
- Verbesserung der herkömmlichen Leuchtdioden für das Optoelektronikwerk in Regensburg
- InP für die optische Datenübertragung
Nachdem so viel von den Arbeiten in den Erlanger Siemens-Forschungslaboratorien die Rede war, ist es vielleicht angebracht zu erwähnen, dass ein Teil dieser Anstrengungen im Laufe der Jahrzehnte an die Universität Erlangen verpflanzt wurden, wie dies angesichts der engen Nachbarschaft von Siemens Forschungslaboratorien und Technischer Fakultät naheliegend war. Der erste Inhaber des Lehrstuhls Werkstoffe der Elektrotechnik war Prof. H. Weiß, ein enger Mitarbeiter von Welker; der zweite, Prof. Zschauer, stammte gleichfalls aus dem Verbindungshalbleiterbereich von Siemens, wie ich selbst auch, der ich den Lehrstuhl von 1991 bis 2009 innehatte. Seit der Gründung des Lehrstuhls im Jahr 1973 arbeitete der als Kristallzüchter wohlbekannte Prof. Georg Müller an der Kristallzüchtung von GaAs, InP und später auch an Kupferindiumdiselenid (CIS), ich selbst mit meinen Mitarbeitern – neben den Leuchtstoffen – in erster Linie an SiC und AlN. Ich denke, man kann deshalb in einem historischen Rückblick wie diesem die Arbeiten bei Siemens und am Lehrstuhl Werkstoffe der Elektrotechnik nicht ganz voneinander trennen. Auch jetzt noch wird diese Arbeitsrichtung durch den Kollegen Peter Wellmann fortgesetzt.
In gewissem Sinne kann man auch die derzeitige Entwicklung der organischen Elektronik als eine logische Fortsetzung der Arbeit an den Verbindungshalbleiter betrachten, sowohl im Sinne einer neuen Materialklasse von Halbleitermaterialien wie aber auch im Sinne des physikalischen Gehaltes und der möglichen Anwendungen. Mein Nachfolger hier am Lehrstuhl, Prof. Chr. Brabec, wie aber auch die Siemens Forschungslaboratorien sind intensiv auf diesem Gebiet tätig. Es ist eindrucksvoll und des Nachdenkens wert, welche Rolle auch in der technisch-naturwissenschaftlichen Forschung die Tradition spielt.
Zu guter Letzt kann man noch die Frage stellen, was eigentlich aus wirtschaftlich industrieller Sicht aus diesen Aktivitäten geworden ist.
Die stärkste industrielle Aktivität, die aus den Verbindungshalbleitern hervorgegangen ist, ist Osram Opto Semiconductors in Regensburg, ein großes Unternehmen mit mehreren tausend Mitarbeitern. In meiner Siemens Zeit in den 80iger Jahren war das Leuchtdiodenwerk in Regensburg das häufigste Ziel unserer Reisen, es war damals schon abzusehen, dass die Optoelektronik das erfolgreichste Einsatzgebiet für Verbindungshalbleiter werden würde. Als im Jahre 1999 Siemens seine Bauelementaktivitäten aufgab und Infineon von dem Konzern abgespalten wurde, erhielt die Siemens Tochter Osram die Möglichkeit, die Leuchtdiodensparte zu übernehmen, so dass es zu einem Zusammenschluss von Teilen von Osram mit der Siemens Halbleitersparte in Regensburg kam. Dieser Zusammenschluss der Glühlampen- und der Leuchtdiodenaktivitäten zu einem Beleuchtungskonzern ist als ein erstaunlicher, weitsichtiger Vorgang zu werten!
Ein weiteres, aus der Erlanger Verbindungshalbleiterforschung hervorgegangenes Unternehmen ist die SiCrystal AG, eine Ausgründung aus meinem Lehrstuhl Werkstoffe der Elektrotechnik 1994, in ihrem Bereich der Herstellung von SiC-Wafern heute einer der beiden großen Lieferanten in der Welt.
Schließlich ist zu hoffen, dass das zweite zu meiner Zeit aus dem Lehrstuhl Werkstoffe der Elektrotechnik ausgegründete Unternehmen, die 2010 entstandene CrystAl-N GmbH zur Herstellung des Verbindungshalbleiters AlN, die Erfolgsgeschichte des SiC wiederholen kann.
So hat also die Entstehung der Verbindungshalbleiter in Erlangen vielfältige Spuren in der Wissenschaft und in der Industrie hinterlassen.
Global gesehen muss man festhalten, dass die Optoelektronik, die auf den Verbindungshalbleitern beruht, heute der am schnellsten wachsende Zweig der Elektronik ist in den großen Feldern optische Kommunikation, optische Datenspeicherung und Beleuchtungstechnik. Die letztere wird wohl bald von der Leuchtdiode dominiert werden. Diese wichtigen Zweige der modernen Elektronik haben in Erlangen ihren Anfang genommen.
[1] 1. Die III-V-Verbindungen und ihre Bedeutung für die Halbleiterphysik
Otfried Madelung, Phys. Bl. 39 (1983) Nr. 4 p. 79 – 83
- Schottky, Spenke, Welker – Erinnerungen an die „Gründerjahre“ der
Halbleiterphysik in Deutschland nach dem Zweiten Weltkrieg
Otfried Madelung, Phys. Bl. 55 (1999) Nr. 6 p. 54 – 57
- Anfänge der Halbleiterforschung und –entwicklung . Dargestellt an
den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren.*
Kai Christian Handel, Dissertation 1999 RWTH Aachen, Erstberichter
Prof. Dr. Walter Kaiser
* Eberhard Spenke, Karl Seiler, Heinrich Welker, Herbert Matare
[2] Deutsches Patentamt Patentschrift Nr. 970420, Patentanmeldung bekannt gemacht am 18.Dezember 1952, Erfinder Heinrich Welker
[3] Aus Anlass der Verleihung des Nobelpreises für die Erfindung der „effizienten blauen Leuchtdiode“ im Jahre 2014 sei an diese Pionierarbeiten erinnert. Die Verleihung an I. Akasaki, H. Amano und S. Nakamura geht aber völlig in Ordnung, da die Betonung auf „effizient“ liegt. Im Unterschied zu dem „indirekten“ Halbleiter SiC konnten die japanischen Forscher das „direkte“ Halbleitermaterial soweit technisch beherrschen, dass daraus außerordentlich helle blaue und dann auch weiße Leuchtdioden für die Beleuchtungstechnik hergestellt werden konnten.
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