Bessere Kristalle durch Magnetfelder

Handys, Laser, Leuchtdioden – sie alle funktionieren nur, weil in ihnen Halbleiterbauelemente stecken, die auf hochregelmäßigen Halbleiterkristallen wie Silizium oder Galliumarsenid basieren. Solche Kristalle werden in der Industrie in großem Maßstab in aufwändigen Verfahren „gezüchtet“.

Im Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) konnten Forscher diese Züchtungsverfahren jetzt um einen entscheidenden Schritt verbessern. Sie nutzten in industriemäßigen Anlagen wandernde Magnetfelder, um in der Schmelze die Strömungsintensität zu verringern. Wie in jedem Kochtopf so entstehen auch in einer Schmelze Strömungen auf Grund der unterschiedlichen Wärmeverteilung. Bewegliche Magnetfelder können diesen Strömungskräften entgegenwirken, die Schmelze kann gleichmäßiger kristallisieren.

Die Forscher um Prof. Peter Rudolph setzten dieses eigentlich nicht neue Prinzip im Rahmen des Projektes KristMAG in den vergangenen drei Jahren erfolgreich in die Tat um. Im Vergleich zu anderen Kristallzüchtern hatten sie aber die entscheidende Verbesserungsidee: Sie ordneten die Magnetfeldgeneratoren nicht mehr außen um die Schmelzöfen an, sondern entwickelten Heizspulen, mit denen sich gleichzeitig Magnetfelder erzeugen lassen.

„Da das Magnetfeld unmittelbar in den Schmelztiegel eingekoppelt wird, brauchen wir nur noch relativ geringe Feldstärken. Äußere Magnetfelder müssten sehr stark sein, um bis nach innen zu dringen und würden die Kosten für eine Züchtungsanlage etwa verdoppeln“, sagt Rudolph. Ein im Rahmen des Projektes durch Industriepartner entwickeltes ausgefeiltes Leistungs- und Steuerungssystem erlaubt es, dass die Heizer über Gleichstrom Wärme erzeugen, ein darüber gelagerter Wechselstrom erzeugt die wandernden Magnetfelder.

Die Ergebnisse des großangelegten Projektes präsentierten die Forscher jetzt auf einem abschließenden Statusseminar. An dem Projekt waren neben weiteren Forschungseinrichtungen wie dem Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik und der Leibniz-Universität Hannover auch die Industriepartner Steremat Elektrowärme GmbH aus Berlin und Auteam Industrie-Elektronik GmbH Brandenburg beteiligt, Die Ergebnisse seien in jeder Hinsicht sehr zufriedenstellend, sagte Projektkoordinator Rudolph. Das Projektteam hätte gezeigt, dass sich Halbleiterkristalle in verbesserter Qualität zu günstigen Kosten und Energieverbrauch herstellen lassen. Ein erstes Modul ist bereits an eine Berliner Firma worden. Trotzdem bleibt aus Sicht von Rudolph noch viel zu tun.

„Wir haben die Machbarkeit gezeigt, was wir nun brauchen ist die Entwicklung der Technologie für den industriellen Maßstab“, sagte er. Das Interesse an verbesserten Kristallisationsverfahren sei besonders in der Solarindustrie sehr groß. „Wir können uns vor Anfragen kaum retten“, so Rudolph weiter. So hätten Firmen aus dem Inland beim IKZ bereits Studien für spezielle Anwendungen in Auftrag gegeben, auch aus dem Ausland gebe es Interessenbekundungen. Die Ergebnisse des Projektes sind durch sechs Patente geschützt.

Auch die Mittelgeber des Projektes, das ein Volumen von rund 3 Millionen Euro umfasste, sind zuversichtlich. Dr. Christian Hammel von der TSB Technologiestiftung Berlin, die das Vorhaben aus Mitteln des Zukunftsfonds des Landes Berlin und des Europäischen Fonds für Regionalentwicklung (EFRE) gefördert hat, sagte: „Durch die enge Kooperation mit den Industriepartnern entstanden bereits im Projekt mit den Heizern und der dazu gehörenden Steuerung neue Produkte der beteiligten Unternehmen. Industriellen Anwendern wird die neue Technologie überhaupt erst dadurch zugänglich, dass man die benötigten Komponenten auch kaufen kann. Aus diesem Technologietransfer kann ein Nutzen für die Region entstehen, der über den Erkenntnisgewinn der Institute deutlich hinausgeht.“

Kontakt:

Prof. Dr. Peter Rudolph
Tel. : +49-(0)30-6392 3034
Email: rudolph@ikz-berlin.de
Dr.-Ing. Wolfgang Thieme, Projektmanager
Email: thieme@ikz-berlin.de
Tel.: +49-(0)30-6392 3039