Silizium: Das gewöhnliche Element, auf dem alles läuft
Sand besteht überwiegend aus Siliziumdioxid. Der Wafer in einem Prozessor ist dasselbe Element, gereinigt, bis weniger als ein Atom von zehn Milliarden etwas anderes ist, zu einem Einkristall gezogen und in Scheiben geschnitten. Dieser Abstand zwischen roher Häufigkeit und geforderter Perfektion ist die ganze Geschichte des Siliziums: Das Element liegt überall herum und kostet nichts, und seine nutzbare Form gehört zu den anspruchsvollsten hergestellten Materialien der Erde. Diese Seite erklärt, was es überhaupt zum Halbleiter macht, warum es seine Konkurrenten verdrängte und wie es in der Graphen-Silizium-Vielschicht arbeitet, auf der unsere eigene Forschung aufbaut.
Was es zum Halbleiter macht
Ein Siliziumatom hat vier Elektronen in der äußeren Schale, und im Kristall bindet jedes an vier Nachbarn in tetraedrischer Anordnung - dieselbe Struktur, die auch Diamant hat. Jedes Außenelektron ist in einer Bindung gebunden; bei absolutem Nullpunkt ist ein perfekter Siliziumkristall also ein Isolator ganz ohne freie Ladungsträger.
Steigt die Temperatur, gewinnen einige Elektronen genug thermische Energie, um sich aus ihrer Bindung zu lösen und durch den Kristall zu wandern. Jeder Abgang hinterlässt eine Leerstelle, in die Nachbarelektronen nachrücken können, und diese Leerstelle verhält sich ihrerseits wie ein positiv geladenes Teilchen. Das ist das Loch, und es ist kein Rechentrick: Löcher haben eine messbare effektive Masse und Beweglichkeit.
Die Energie, um ein Elektron aus einer Bindung zu heben, ist die Bandlücke, bei Silizium rund 1,12 Elektronenvolt bei Raumtemperatur. Diese Zahl ist die folgenreichste Eigenschaft des Materials. Sie ist groß genug, dass thermisch erzeugte Ladungsträger selten sind, der Kristall also kein Leiter ist - und klein genug, dass sich Ladungsträger gezielt erzeugen lassen: durch Dotierung, durch ein angelegtes Feld oder durch Absorption eines Photons.
Diese Zwischenstellung meint das Wort Halbleiter. Ein Metall hat ohne jede Schwelle Ladungsträger zur Verfügung. Ein Isolator hat eine so weite Lücke, dass sie unter gewöhnlichen Bedingungen niemand überwindet. Silizium liegt dazwischen, und seine Leitfähigkeit lässt sich über viele Größenordnungen hinweg konstruktiv einstellen.
Warum Silizium gewann
Die ersten Transistoren waren aus Germanium. Germanium hat eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als Silizium, eine kleinere Bandlücke und war mit der Technik der 1940er-Jahre leichter zu reinigen. Rein physikalisch war es die bessere Wahl, und rund ein Jahrzehnt lang war es der Standard.
Silizium verdrängte es wegen seines Oxids. Erhitzt man Silizium unter Sauerstoff, wächst eine Schicht Siliziumdioxid, die chemisch stabil ist, mechanisch belastbar und einer der besten bekannten elektrischen Isolatoren - und sie wächst direkt auf dem Kristall, mit einer Grenzfläche, die so sauber ist, dass dort kaum Elektronen hängen bleiben. Germaniumoxid ist wasserlöslich und für denselben Zweck unbrauchbar.
Dieser eine Materialzufall machte den Planarprozess möglich: Oxid wachsen lassen, Fenster hineinschneiden, durch die Fenster dotieren, weiteres Oxid wachsen lassen, wiederholen. Jeder je gefertigte integrierte Schaltkreis beruht darauf. Es zeigt gut, wie technische Entscheidungen zustande kommen - nicht indem man die leistungsfähigste Option wählt, sondern die, deren gesamtes Eigenschaftsbündel sich fertigen lässt.
Der zweite Grund ist die Reinheit. Silizium lässt sich zonenreinigen und nach Czochralski so ziehen, dass Verunreinigungen in Teilen pro Milliarde oder besser gezählt werden. Sechzig Jahre Prozessverfeinerung haben diesen Vorsprung so weit aufgebaut, dass ein Wechsel zu einem theoretisch überlegenen Halbleiter hieße, eine industrielle Basis aufzugeben, der keine Alternative gewachsen ist.
Die indirekte Lücke und was sie kostet
Die Bandlücke von Silizium ist indirekt: Der niedrigste verfügbare Zustand im Leitungsband liegt nicht beim selben Impuls wie der höchste Zustand im Valenzband. Ein Elektron kann also nicht einfach ein Photon aufnehmen und hinüberwechseln - es braucht zusätzlich eine Gitterschwingung, ein Phonon, das den fehlenden Impuls liefert.
Dass zwei Dinge zusammentreffen müssen, macht den Vorgang deutlich unwahrscheinlicher. Praktisch heißt das: Silizium absorbiert Licht schwach - deshalb braucht eine Siliziumsolarzelle rund 200 Mikrometer, um den größten Teil des nutzbaren Spektrums einzufangen, gegenüber weniger als einem Mikrometer bei einem Material mit direkter Lücke wie Perowskit.
Dieselbe Physik gilt umgekehrt: Silizium ist ein sehr schlechter Lichtemitter. Deshalb werden Leuchtdioden und Laserdioden aus Galliumarsenid und verwandten Materialien gebaut und nicht aus Silizium, und deshalb ist die Verbindung von Optik und Siliziumelektronik seit Jahrzehnten ein Forschungsproblem.
Für absorbierende Bauelemente ist die indirekte Lücke ein Nachteil, den man technisch umgeht - über Oberflächentexturierung, Rückreflektoren und dickere Absorberschichten. Am photoelektrischen Vorgang selbst ändert sie nichts: Ein Photon oberhalb der Lücke kann weiterhin ein Elektron anheben. Die indirekte Lücke verringert die Wahrscheinlichkeit, nicht die Möglichkeit.
Reinheit, Kristalle und Dünnschichten
Silizium in metallurgischer Qualität, im Lichtbogenofen aus Quarz reduziert, ist etwa 98 Prozent rein und für Elektronik unbrauchbar. Es auf Elektronikqualität zu bringen heißt, es in eine flüchtige Verbindung zu überführen, diese zu destillieren und das Silizium wieder abzuscheiden - ein Verfahren, das weit mehr Energie kostet, als der Abbau des Rohstoffs je gekostet hat.
Das Ergebnis wird geschmolzen und im Czochralski-Verfahren langsam und rotierend als Einkristall aus der Schmelze gezogen. Ein moderner Rohling ist ein Zylinder von 300 Millimetern Durchmesser und mehreren Metern Länge, in dem das Kristallgitter von einem Ende zum anderen durchgehend ist. Zonenschmelzen liefert für Sonderanwendungen noch reineres Material.
Nicht jede Anwendung braucht das. Dünnschichtsilizium, als amorphe oder mikrokristalline Lage abgeschieden, hat keine Fernordnung und einen weit schlechteren Ladungstransport, lässt sich aber günstig, großflächig und bei niedriger Temperatur auftragen. Welche Form angemessen ist, hängt allein davon ab, ob Ladungsträger weit laufen müssen.
Für Schichtarchitekturen zählt diese Unterscheidung. In einer Vielschicht von wenigen Nanometern je Lage laufen Ladungsträger innerhalb des Siliziums nie weit - die Anforderungen an kristalline Perfektion sind also andere als bei einem waferbasierten Bauelement. Die technische Frage verschiebt sich vom Volumenmaterial zu den Grenzflächen.
Silizium in einer Schichtarchitektur
In der neutrinovoltaischen Vielschicht, um die es in unserer Forschung geht, wechselt Silizium mit dotiertem Graphen ab. Elektronisch könnten die beiden Materialien kaum verschiedener sein: Silizium hat eine Lücke von 1,12 eV und dreidimensionale Bindung, Graphen hat überhaupt keine Lücke und leitet innerhalb einer einzigen Atomebene.
Bringt man sie in Kontakt, entsteht ein Heteroübergang - und an Heteroübergängen spielt sich das Interessante an Schichtbauelementen ab. Der Unterschied in der Austrittsarbeit zwischen beiden baut an jeder Grenzfläche ein eingebautes elektrisches Feld auf, und dieses Feld, nicht eines der Materialien allein, kann Ladungsträger trennen.
Hier lohnt Genauigkeit darüber, was das besagt und was nicht. Ein eingebautes Feld an einem Übergang ist eine Gleichgewichtseigenschaft. Es existiert unabhängig davon, ob gerade etwas geschieht, es verrichtet von sich aus keine Arbeit, und ein Bauelement, das nur aus ungleichen Kontakten in einem geschlossenen Kreis besteht, liefert überhaupt keinen Strom - ein Punkt, den unsere Seite zur freien Energie allgemein behandelt. Damit ein Strom fließt, muss etwas das Gleichgewicht fortwährend stören, und genau dieses Etwas zu benennen ist die eigentliche Forschungsfrage.
Was Silizium beisteuert, ist ein gut verstandener, fertigbarer Partner mit einer Lücke im nützlichen Bereich und sechzig Jahren Grenzflächentechnik im Rücken. Das ist eine vernünftige technische Wahl. Es ist für sich genommen keine Leistungsaussage - und die ehrliche Fassung der Forschung hält diese beiden Sätze auseinander.
Häufige Fragen
Warum wird Silizium überall verwendet, wenn es nicht der beste Halbleiter ist?
Wegen seines Oxids. Siliziumdioxid ist ein hervorragender Isolator, der direkt auf dem Kristall mit sehr sauberer Grenzfläche wächst - das macht den Planarprozess möglich. Germanium hat höhere Beweglichkeit, aber kein brauchbares Oxid.
Was bedeutet die Bandlücke von 1,12 eV praktisch?
Es ist die Energie, um ein Elektron aus einer Bindung zu lösen. Groß genug, dass Silizium kein Leiter ist, klein genug, dass sich Ladungsträger gezielt erzeugen lassen - durch Dotierung, ein Feld oder ein Photon oberhalb dieser Energie.
Warum müssen Siliziumsolarzellen so dick sein?
Weil die Bandlücke indirekt ist: Die Absorption eines Photons braucht zusätzlich eine Gitterschwingung, die den Impuls liefert. Das macht die Absorption schwach, und eine Zelle braucht rund 200 Mikrometer für den größten Teil des nutzbaren Spektrums.
Wie rein muss Silizium in Elektronikqualität sein?
Etwa ein Fremdatom in 10^9 bis 10^11, danach als Einkristall gezogen. Diese Reinigung kostet weit mehr Energie als die Gewinnung des Rohstoffs, der reichlich vorhanden ist.
Was leistet Silizium in einer Graphen-Vielschicht?
Es bildet mit den Graphenlagen einen Heteroübergang. Der Unterschied in der Austrittsarbeit baut an jeder Grenzfläche ein eingebautes Feld auf. Dieses Feld ist eine Gleichgewichtseigenschaft - es erzeugt von sich aus keinen Strom, und etwas muss das Gleichgewicht fortwährend stören, damit etwas fließt.
