Veredeltes Silizium für die Hochleistungselektronik

Zwischen Thomas Alva Edison und George Westinghouse tobte um 1880 ein erbitterter Streit: Edison setzte auf Gleichstrom, Westinghouse wollte Wechselstrom-Netze einführen. Er hatte erkannt, dass es viel praktischer war, den Strom mit Hochspannungsnetzen zu transportieren und erst beim Verbraucher auf eine niedrigere Spannung zu transformieren. Dies ging damals nur mit Wechselstrom. Westinghouse gewann den Streit. Das Ergebnis: Überall auf der Welt werden heute Wechselspannungsnetze betrieben.

Doch bei jeder Umwandlung geht Energie verloren. Und eigentlich reist Strom auf langen Strecken am sparsamsten als Hochspannungsgleichstrom. Nun kann man auch Gleichstrom auf Hochspannung bringen und wieder herunter transformieren. Dafür braucht man Hochleistungsbauteile – die extremen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Das besonders störungsarme Halbleitermaterial dafür liefert unter anderem die Forschungsneuronenquelle Heinz Meier-Leibnitz der TU München.

Reines Silizium ist extrem spröde und leitet den elektrischen Strom nur sehr schlecht. Erst geringe Mengen an Fremdatomen wie Phosphor oder Bor machen daraus die begehrten n- oder p-Halbleiter, ohne die die moderne Welt nicht denkbar wäre. Für kleine Elektronikbausteine reicht es, die Siliziumoberfläche zu verändern. N-Halbleiter erhält man zum Beispiel, indem man das Silizium mit Phosphor-Ionen beschießt. Gibt man schon bei der Herstellung des Siliziums eine Spur Phosphor zu, so wird der gesamte Siliziumkristall zum n-Halbleiter. Kleine Unterschiede der Konzentration sorgen allerdings dafür, dass solches Silizium nur bedingt für Hochleistungselektronik einsetzbar ist. Doch es gibt eine Alternative: Die Neutronen-Dotierung.

Schon in den 50er-Jahren entdeckten Wissenschaftler eine Kernreaktion, mit der sich hervorragende n-Halbleiter herstellen lassen: Trifft ein langsames Neutron auf einen Siliziumkern mit der Massenzahl 30, so entsteht das instabile Silizium-31, das sich mit einer Halbwertszeit von zweieinhalb Stunden schnell in Phosphor-31 umwandelt. Das Elegante an dieser Reaktion: Natürliches Silizium enthält etwa 3 Prozent Silizium-30. Und der entstandene Phosphor ist nicht radioaktiv. Das dotierte Silizium kann daher problemlos überall eingesetzt werden.

Heraus kommt ein Halbleitermaterial mit absolut homogener Verteilung der Dotierungsatome und wenig Störungen im Kristallgitter – ideal für Hochleistungs-Bauteile. Die Neutronenquelle der TU München eignet sich für diese Art der Dotierung besonders gut, da sie fast keine schnellen Neutronen produziert. Denn stößt ein schnelles Neutron mit einem Silizium-Atom zusammen, so schießt dieses mit großer Wucht durch das Kristallgitter und produziert eine große Zahl von Gitterdefekten, die die Halbleiterfunktion erheblich stören.