großer, durchsichtiger Beryllkristall

Dotierungen in Halbleitern

Ganz allgemein treten viele wissenschaftlich und technisch interessante Eigenschaften von Festkörpern erst dann auf, wenn die ideale Kristallstruktur durch kleine Störungen oder geringe Mengen bestimmter Fremdsubstanzen (natürliche Dotierungen) gestört wird.

Großer, aufrecht stehender Beryllkristall, der durchsichtig ist, aber im oberen Teil leicht grün schimmert.
Beryllkristall

Ideale Einkristalle mit ihren facettenhaften Oberflächen sind oftmals begehrte Schmucksteine. Aber auch hier zeigt sich, dass es gerade die kleinen Unzulänglichkeiten sind, die einem Gegenstand das gewisse Etwas verleihen. Das ungewöhnliche Farbenspiel der meisten Edel- und Halbedelsteine kommt nämlich durch äußerst geringe natürliche Beimengungen von Fremdatomen zustande, die bei bestimmten sichtbaren Wellenlängen Licht absorbieren. So entsteht die rote Farbe des Rubin, weil einige der Aluminiumatome im Kristallgitter des Aluminiumoxids durch Chromatome ersetzt sind. Ganz allgemein treten viele wissenschaftlich und technisch interessante Eigenschaften von Festkörpern erst dann auf, wenn die ideale Kristallstruktur durch kleine Störungen oder geringe Mengen bestimmter Fremdsubstanzen (natürliche Dotierungen) gestört wird.

Neben diesen natürlichen sind es aber vor allem die bereits erwähnten gezielten Dotierungen, mit denen man die Eigenschaften von Stoffen wie Halbleitern so verändern kann, dass unermesslicher technischer Nutzen daraus gezogen werden kann.

Genaugenommen sind Halbleiter elektrische Isolatoren. Dies gilt beispielsweise für einen Siliziumkristall mit seiner regelmäßigen Struktur, in dem jedes Siliziumatom tetraederförmig von vier Nachbaratomen umgeben ist. Es gibt in diesem Kristall keine freien Ladungsträger, die den elektrischen Strom leiten könnten, weil alle Elektronen entweder an den Siliziumatomen oder in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen festsitzen. Dies ändert sich, wenn man eine verschwindend geringe Menge von Phosphoratomen – etwa eines pro einer Million Siliziumatome – in den Kristall bringt. Jedes Phosphoratom besitzt fünf Elektronen auf seiner äußeren Elektronenschale, von denen im Siliziumkristall aber nur vier zur chemischen Bindung benötigt werden. Ein Elektron pro Atom ist gewissermaßen überflüssig und kann sich nahezu frei im Kristall bewegen – ähnlich einem Auto in einem vollen Parkhaus, das dort keinen Platz findet. Dotiert man den Siliziumkristall stattdessen mit Bor, das nur drei Elektronen für chemische Bindungen zur Verfügung stellen kann, so fehlt ein Elektron. Dieses „Loch“ macht sich im kollektiven Verbund des Kristalls als positive Ladung bemerkbar, die ebenfalls nahezu frei beweglich ist – vergleichbar einem freien Parkplatz in einem fast gänzlich mit Autos gefüllten Parkhaus, der sich "fortbewegen" kann, indem ein benachbartes Auto auf ihn fährt.

Die Kombination verschieden dotierter Halbleitermaterialien miteinander ist die technische Grundidee des Transistors. Auf diese Weise lassen sich winzigste Schalter bauen. Sie finden sich milliardenfach auf den Chips in den Computern und arbeiten äußerst zuverlässig. Mit Hilfe der MBE (Molekularstrahl-Epitaxie) wurden die Dotierungstechniken bis zur höchsten Perfektion entwickelt. Moderne Strukturierungstechniken erlauben mittlerweile, Transistoren herzustellen, die nur wenige tausendstel Millimeter groß sind. Mit diesen Transistoren, die sich millionenfach auf kleinstem Raum zusammenpacken lassen, wird die Konstruktion von Handys mit den Abmessungen einer Zigarettenschachtel möglich.

Die Präparationsverfahren der Halbleiterindustrie erlauben es zudem, Stoffe herzustellen, deren elektrische und optische Eigenschaften willkürlich veränderbar sind. Erhöht man beispielsweise die Konzentration der Dotierungsstoffe, so werden immer mehr Ladungsträger freigesetzt. Auf diese Weise können wir untersuchen, wie aus einem Isolator ein Metall wird und umgekehrt. Die Natur führt uns diesen "Metall-Isolator-Übergang" im Periodensystem der Elemente an vielen Beispielen vor. Seit der Entdeckung der Elektrizität vor mehr als vierhundert Jahren ist dies eine der grundlegenden Fragen der Physik. Ihrer Beantwortung wurde in den vergangenen Jahrzehnten weltweit mit großer Intensität nachgegangen.

 

Molekularstrahl-Epitaxie

Die Molekularstrahl-Epitaxie ist eine Methode zur Herstellung von kristallinen Schichtsystemen aus geordneten Atomlagen, wobei fast beliebige Strukturen möglich sind. Dazu werden ein oder mehrere Materialien Schicht für Schicht auf ein Substrat aufgedampft, wobei ein Kristall mit der gewünschten Struktur heranwächst. Dieses Wachstum von kristallinen Systemen lässt sich mit der Molekularstrahl-Epitaxie auf atomare Präzision genau kontrollieren. 

Die Stoffe, aus denen der neue Kristall bestehen soll – zum Beispiel Gallium, Arsen oder Aluminium – werden in sogenannten Effusionszellen verdampft und als gerichteter Molekülstrahl auf eine Unterlage, das Substrat, aufgedampft. Um Verunreinigungen der Struktur durch Fremdatome wie Sauerstoff zu vermeiden, findet dieser Vorgang in einem Ultrahochvakuum statt. Charakteristisch an der Molekularstrahl-Epitaxie ist, dass das Aufdampfen der einzelnen Atomlagen auf dem Substrat sehr langsam abläuft (etwa einen Milliardstel Millimeter pro Stunde). Die aufgedampften Atomschichten passen sich dadurch der Kristallstruktur des Substrats an, auf das sie aufgedampft werden und übernehmen diese. Wissenschaftler sagen, der Kristall wächst epitaktisch. Somit ordnen sich die Atome auf eine Weise an, wie sie es normalerweise nicht tun oder es lassen sich Atome miteinander verbinden, die sich in einem Kristall sonst nicht verbinden. Auf diese Art entstehen maßgeschneiderte Kristalle, die in der Natur nicht vorkommen. 

Die Molekularstrahl-Epitaxie ist ein wichtiges Instrument in der Halbleitertechnik. So können mit ihrer Hilfe komplizierte Mehrschichtstrukturen mit verschiedenen Zusammensetzungen und Dotierungen gewachsen werden. Quantenpunkte, Quantentröge oder Quantendrähte können auf diese Weise sehr präzise hergestellt werden.