CrystAl-N: Halbleiter-Kristalle für sparsame UV-Leuchtdioden
Die Fürther CrystAl-N GmbH hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Aluminiumnitrid-Kristalle züchten lassen. Dieses Halbleitermaterial erlaubt es, UV-Leuchtdioden herzustellen. Mit ihnen können in Zukunft u.a. Wasser und Luft aber auch Kühlschränke energieeffizient desinfiziert werden.
„Vorsicht, nicht fallen lassen!“ Die kleine gelbe Scheibe, die Paul Heimann über den Tisch reicht, ist zerbrechlich – und sehr selten. Sie ist aus einem Aluminiumnitrid (AlN)-Kristall geschnitten. Nimmt man dieses innovative Halbleiter-Material als Grundplatte für elektronische Bauelemente („Wafer“), lassen sich UV-Leuchtdioden herstellen. Mit ihnen kann etwa Luft und Wasser effizient desinfiziert werden. Die Herstellung der Wafer ist das Geschäft der CrystAl-N GmbH, dessen Mitgründer Ingenieur Heimann ist.
CrystAl-N züchtet Aluminiumnitrid (AIN)-Kristalle für die Halbleiter-Technik
Als Keramik ist Aluminiumnitrid (AlN) ein bekanntes Material. Keramiken sind aber polykristallin – und scheiden deshalb als Halbleiter-Unterlage aus. Große und reine AlN-Halbleiterkristalle zu züchten, die als LED-Basis dienen können, ist schwierig. Einer Forschergruppe des Lehrstuhls „Materialien der Elektronik und Energietechnik“ an der Uni Erlangen-Nürnberg ist es nach knapp zehn Jahren Entwicklungsarbeit gelungen. Im Sommer 2010 hat ein sechsköpfiges Team um Heimann CrystAl-N für Produktion und Vertrieb der neuen Halbleiter gegründet.
Kristallzüchtung braucht einen Keim. Für die AlN-Kristalle kommt dafür zunächst nur ein Fremdkörper infrage. Das aber ist problematisch: „Man fängt sich immer Verunreinigungen ein“, so Heimann. Bei schmelzenden Materialien kann der Keim relativ klein ausfallen. AlN schmilzt aber nicht. Es muss bei Temperaturen von über 2000 °C auf eine Oberfläche gedampft werden.
Das Rezept der Erlangener: Sie nehmen einen Keim aus Siliziumcarbid, verdampfen AlN-Pulver und scheiden gezielt auf der kühlen Oberfläche ab. Es bildet sich eine dicke Schicht AlN, die zwar stark verunreinigt ist, aber ihrerseits als Keim dienen kann. In einem iterativen Prozess werde so lange verdampft und selektiert, bis sich die Fehler im Kristall ausgewachsen haben.
„Unser Know-how ist, die hohen Prozesstemperaturen so zu beherrschen, dass die Atome auf der Oberfläche sich in die richtige Position setzen, um ein perfekt strukturiertes Kristall zu formen“, sagt Heimann. Weil die Größe des Keimes bei den nicht-schmelzenden Materialien die Größe des Endprodukts bestimme, könne man von Siliziumcarbid ausgehend theoretisch Wafer bis 125 mm Durchmesser herstellen.
Diamantbesetzte Drähte schneiden Halbleiter-Kristalle in Scheiben
Die Wafer zu formen und zu glätten ist ebenfalls eine Spezialität der jungen Firma. Diamantbesetzte Drähte schneiden den Kristall in Scheibchen. Sie werden begradigt und mit chemischen Zusätzen poliert. Das Ziel ist eine epitaxierfähige Oberfläche. Chip-Hersteller können sie sauber beschichten.
Das Ganze ist ein sehr aufwendiger und teurer Prozess, doch bereits marktreif, sagt Ulrich Seitz, der bei CrystAl-N für das Kaufmännische zuständig ist. 2011 habe die Firma bereits einen sechsstelligen Umsatz mit solchen Substraten gemacht. „In diesem frühen Entwicklungsstadium verkaufen wir hauptsächlich an Forschungsinstitute. Sie sind ganz wichtig, weil sie der Wirtschaft ein Stück Entwicklung abnehmen und dadurch die Eintrittshürde für die neue Technologie senken.“
Neu sind auch die Anwendungen, die möglich werden. Etwa Leuchtdioden mit UV-Licht. Licht im UV-C-Spektrum tötet Bakterien und Viren ab. Damit kann man Wasser und Luft desinfizieren und Hautkrankheiten therapieren. Das wird bisher mit Quecksilberhaltigen Lampen oder mit Lasern gemacht. Die LEDs sind im Vergleich dazu umweltfreundlicher, kompakter und verbrauchen viel weniger Energie. Denkbar ist auch die Luftreinigung in den Klimaanlagen von Autos oder Flugzeugen. „Irgendwann“, glaubt Seitz, „wird es die UV-LEDs in jedem Kühlschrank geben.“
Mit Leuchtdioden im UV-B-Spektrum kann man beispielsweise Lacke, Drucke oder Zahnfüllungen aushärten oder Geldscheine auf Echtheit prüfen. Hier sei bisher die Verwendung von Saphir-Kristallen als Wafer üblich, sagt Heimann. Dies verursache jedoch hohe Defektraten: Saphire, chemisch Aluminiumoxid, haben andere Atomabstände und -strukturen als die Nitrid-Verbindungen, mit denen sie beschichtet werde. „Eigentlich ganz simpel: Für ein Lego-Haus nehme ich besser eine Lego-Unterlage als eine von Playmobil.“ Der AlN-Kristall passe besser zu den Nitridschichten, die darauf aufgetragen werden.
Weniger Defekte im Bauelement bedeuten eine längere Lebensdauer und höhere Leuchtintensität. Doch wegen des kleineren Durchmessers im Vergleich zu Saphir sei AlN noch zu teuer für die LED-Hersteller. „Wir betrachten das als Zukunftsmarkt“, so die Gründer.
CrystAl-N: Wenig Konkurrenz bei der Züchtung von AIN-Halbleiter-Kristallen
Die Konkurrenz sei überschaubar: Zwei US-amerikanische Firmen züchteten seit Ende der 90er ebenfalls AlN-Kristalle und bauen eigene LEDs. „Wir sind aber die Einzigen, die Scheiben verkaufen. Außerdem ist unser Material UV-transparent“, so Heimann. Damit sei es deutlich einfacher, Leuchtdioden zu entwickeln.
Mit einer Förderung vom Exist-Forschungstransfer bereitete das Team die Ausgründung vor. Zunächst galt es, zwei Patente, eins davon im Besitz der Hochschule, ins Unternehmen hineinzubringen. „Es war nicht unbedingt schwierig, aber langwierig, denn die Mühlen solcher großen Gebilde mahlen langsam.“ Anderen Gründern rät Heimann, viel Zeit auch für die Kapitalakquise einzuplanen. Die Geldgeber von CrystAl-N, der Hightech-Gründerfonds und der Seedfonds Bayern, waren zwar schnell ausgemacht. Aber bis das Unternehmen seine 600 000 € Risikokapital hatte, dauerte es fast ein Jahr.
Unterstützung erhalten die Kristallzüchter zusätzlich vom erfahrenen Business Angel Horst Linn, Inhaber eines Unternehmens zur Herstellung von Hochtemperaturöfen.
CrystAl-N will bald weitere Öfen und Geräte anschaffen und Personal einstellen. Seitz: „Dann könnten wir mehrere Kristalle parallel züchten. Durch mehr Auswahl bei den Keimen steigt auch die Qualität der Endprodukte.“ Die zweite Finanzierungsrunde mit rund 2,2 Mio. € ist für Anfang 2013 geplant.
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