Die Publikation beschreibt in eindrucksvoller Weise die Entwicklung der Halbleitertechnik über einen Zeitraum von 100 Jahren, die wechselhafte Interaktion von Theorie, Experimentaltechnik, Instrumentenbau und Materialwissenschaft, betont die Arbeitsweisen in den USA und Deutschland und würdigt herausragende Persönlichkeiten, die den Fortschritt dieser Technologie forciert haben.

Im ersten Kapitel beschreibt die Autorin ihre Arbeitsweise. In ihrem umfassenden Werk stützt sie sich auf nahezu 650 Literaturstellen, die Patente und Erstveröffentlichungen, aber auch populärwissenschaftliche Zeitungsmeldungen und eine Vielzahl von Interviews mit beteiligten Zeitzeugen beinhalten. Daraus ergibt sich ein lebendiges, vielschichtiges Bild, das Stärken und Schwächen von wissenschaftlichen Strategien und der Überführung der Ergebnisse in die Praxis aufzeigt.

In Abhängigkeit von Zeitraum und Wissensstand zeigen die historiographischen Untersuchungen ganz unterschiedliche Wichtungen wissenschaftstheoretischer Modelle, denen das zweite Kapitel gewidmet ist. Ab 1920 herrschte der „Logische Positivismus“ vor. Dabei diente ein Datenreservoir, das aus empirischen Experimenten und Beobachtungen hervorgeht, als Basis für induktive Schlussfolgerungen. Das Fehlen theoretischer Überlegungen und Hypothesen wurde in den 1950er Jahren als Mangel erkannt und führte zum „Antipositivismus“, wobei sich die experimentellen Arbeiten an theoretischen Erkenntnissen orientierten. Ab ca. 1988 erkannte man im Rahmen der „Postmodernen Ära“ die Bedeutung der Periodisierung von technischen Herstellungsabläufen und die Notwendigkeit der gegenseitigen Durchdringung und Wechselwirkung von Theorie (1) und praktischen Versuchen (2). Darüber hinaus wurden die Kategorien „Materialien“ (3) und „Instrumente“ (4) als wichtige Bausteine in das sog. epistemisch-technische Quartett einbezogen.

Die wechselhafte Interaktion dieser vier Parameter erfolgte in drei Phasen. In der ersten Phase (1833-1907), dargestellt im Kapitel 3, stand die Selektion und Charakterisierung zumeist natürlicher Materialien mit ungewöhnlichen Leitfähigkeits- und photoelektrischen Effekten im Vordergrund, wie z.B. Argentit (Ag2S), Silicium, Selen, Galenit (PbS) und Karborund (SiC). Trotz unzureichender kristallographischer Kenntnisse wurde deren Potential erkannt. Es gab erste labortechnische Anwendungen dieser Materialien für ein Selen-Photometer (Wilhelm Siemens), für Dioden- (PbS und Si) und Leuchtdioden (SiC). Mit der aufstrebenden Kommunikationstechnologie war insbesondere die American Telephone and Telegraph Company (AT&T) an einer stabilen Version der Festkörperdiode interessiert. Das erste Patent dazu wurde bereits 1906 erteilt. Problematisch war die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wegen unzureichender Möglichkeiten zur Bestimmung von Reinheit und Modifikation der Ausgangsstoffe. Es fehlte an theoretischem Grundwissen, das es ermöglichte, die experimentell gefundenen Phänomene zu untermauern und daraus gewinnbringende Strategien abzuleiten.

In der zweiten Phase (1907-1930), Kapitel 4, gelang es, Theorien zu entwickeln, um die neuen Experimente zu erklären und fortan voranzutreiben. Die Betrachtung dünner defektfreier Schichten und gesputterter Oberflächen sowie Verfahren zur Herstellung von Einkristallen schufen wichtige Grundlagen für die Halbleitertechnologie. Gleichzeitig war eine Annäherung von experimentellen und akademischen Netzwerken zu verzeichnen. Bahnbrechende Erkenntnisse der Quantenphysik fielen in die Zeit von 1905 bis 1917. Damit wurde das Fundament für weitere experimentelle Fortschritte geschaffen. Das äußerte sich auch in der Anzahl wissenschaftlicher Publikationen, die sich von 1888-1897 bis zum Zeitraum 1924-1927 um fast 50% erhöhte. Interessant ist, dass in dieser zweiten Phase die englische Sprache mit einer kontinuierlichen Steigerung von insgesamt 470% in den Vordergrund rückte und die Anzahl der deutschsprachigen Veröffentlichungen nahezu erreichte. Der internationale wissenschaftliche Austausch wurde intensiver. Diese Periode wird als „stark theoriegeleitete Bestätigungsphase“ eingeordnet.

Ein merklicher Schub der theoretischen Erkenntnisse ist in der dritten Phase (1931-1948), Kapitel 5, zu verzeichnen. Die Theorie des Bändermodells beschreibt energetisch begrenzte Aufenthaltsbereiche von Ladungsträgern im Valenzband und im energetisch höher gelegenen Leitungsband. Die unterschiedlich breiten Bänder können durch eine Energielücke getrennt sein. Damit lassen sich das Verhalten von Leitern, Halbleitern und Nichtleitern (Isolatoren) sowie die Wirkung von Verunreinigungen eindeutig charakterisieren. Theoretisch untermauert wurden der bislang nur experimentell nachgewiesene Hall-Effekt und der lichtelektrische Effekt. Große Unternehmen wie Siemens in Deutschland und die Bell Labs (gegründet 1924, Mutterkonzern AT&T) erkannten das anwendungstechnische Potential der Halbleitertechnik und unterstützten die Forschung. Während des Zweiten Weltkrieges setzte man die Arbeiten zur Verstärkung und Gleichrichtung elektrischer Signale fort, da großer Bedarf an Radar- und Kommunikationstechnologien bestand. Zunehmend wurden Germanium und Silicium als Halbleitermaterialien favorisiert, und es konnte ein erheblicher Wissenszuwachs hinsichtlich ihrer Reinheit und exakten Dotierung erzielt werden. Besonders hervorgehoben werden die Erfolge der neu gegründeten Halbleitergruppe der Festkörperforschung in den Bell Labs. Infolge der großen Nachfrage nach Elektronik im militärischen und privaten Bereich waren genügend finanzielle Mittel vorhanden. Förderlich war auch, dass im Gegensatz zu Deutschland kein Widerspruch zwischen wissenschaftlich ausgerichteter Forschung und anwendungsorientierter Umsetzung bestand. Von Anfang an erkannte man in den USA die Signifikanz disziplinenübergreifender Kooperation im industriellen Umfeld. 1948 wurde das grundlegende Prinzip des Transistors in den USA als Patent angemeldet. (Die deutschen Ingenieure Herbert Mataré und Heinrich Welker entwickelten im Auftrag der Compagnie des Freins et Signaux (CFS) Westinghouse Paris ebenfalls einen Festkörperverstärker. Ihre Transistor-Variante wurde bereits am 7. April 1947 eingereicht. Sie ging allerdings in den Kriegswirren verloren; die offizielle Erteilung des Patents erfolgte erst 1973.) Die Bell Labs verfügten über estens ausgebildete und hochmotivierte Akteure aus vielen Ländern und über eine hervorragende apparative und finanzielle Ausstattung. Das waren ideale Startbedingungen für das Zeitalter der Halbleitertechnologie. Die gesamte Komplexität der Materialfrage wurde theoretisch fundiert bearbeitet und in großtechnische Verfahren übertragen. Die Röhrentechnologie hatte ausgedient. Die Balance zwischen freier Entfaltung der Grundlagenforschung, experimenteller Kreativität, Materialkompetenz und Überführung in die Produktion hatte einen stabilen Modus erreicht. Europäischen Wissenschaftlern fehlte nach dem Zweiten Weltkrieg eine vergleichbare Plattform.

Nach den ausführlichen Betrachtungen zum epistemisch-technischen Quartett befasst sich das 6. Kapitel mit Leistungsträgern und Visionen im Zeitraum von 1952-1963. Die deutschen Wissenschaftler agierten im Gegensatz zu den Alliierten in den Kriegsjahren relativ autark und waren nach dem Kriegsende mit erheblichen Einschränkungen konfrontiert. So erließ der Alliierte Kontrollrat 1946 ein Gesetz zur „Regelung und Überwachung der naturwissenschaftlichen Forschung“, das 1949 durch eine Ausführungsverordnung ergänzt wurde, welche die betroffenen Industriezweige auflistete. Das zielte auf die Regulierung der Halbleiterforschung und die Konzeption neuer Bauelemente und wurde erst 1955 außer Kraft gesetzt. Hinzu kam die mangelnde finanzielle Ausstattung deutscher Unternehmen. Telefunken hatte während des Krieges in Osteuropa produziert, und es fehlten die Mittel, um neue Betriebsstätten und Laboratorien in Deutschland zu errichten. Der Siemens-Konzern hingegen war in Bayern geblieben und konnte seine dortige Basis ausbauen. Neue Laboratorien entstanden in den Siemens-Schuckertwerken in Erlangen und im oberfränkischen Pretzfeld, die von herausragenden Akteuren der deutschen Halbleiterforschung geleitet wurden und die Entwicklung der Halbleitermaterialien weltweit prägten. Das betraf insbesondere die systematische Untersuchung der III-V-Verbindungshalbleiter (Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems). Patente und Publikationen schützten die in Deutschland erzielten Resultate und führten ab Mitte der 1950er Jahre zu einer engen Zusammenarbeit mit den Bell Labs. Dort waren inzwischen metallurgische Verfahren zur Herstellung hochreiner Materialien erarbeitet worden, die entscheidend für die reproduzierbare Dotierung der Halbleiter sind. Selbst das schwierig zu handhabende Silicium ließ sich letztendlich im tiegelfreien Zonenschmelzverfahren in reiner Form erzeugen, was die Materialfrage in der Mikroelektronik endgültig zugunsten von Silicium entschied. Die III-V-Verbindungshalbleiter sind aufgrund ihrer optoelektronischen Eigenschaften prädestiniert für die Produktion von Leuchtdioden und den Einsatz im Bereich der Lasertechnik.

Das 7. Kapitel ist dem Aufbau der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) gewidmet. Dieses Verfahren ermöglicht es, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung monokristalline Schichten bzw. Schichtsysteme aufzubauen. Bis Ende der 1960er Jahre war es nicht gelungen, das theoretisch formulierte quantenphysikalische Phänomen des Tunneleffekts, d.h. das Überwinden einer energetischen Barriere durch Quantenteilchen, praktisch nachzuweisen. Es fehlte an Materialproben, die pn-Übergänge in der Größenordnung von wenigen Atomlagen bei reproduzierbarer Schichtdicke und Qualität aufweisen. Um jegliche Verunreinigungen auszuschließen, setzte das ein Hochvakuum mit einem Restdruck von 10-10 Torr, einen gezielten Strahl von Molekülen oder Atomen auf ein Target und eine in situ-Messtechnik voraus, die den Abscheidungsprozess überwacht, aber nicht beeinträchtigt. Diese Herausforderungen konnten nur durch enge Kooperation von erfahrenen Experimentatoren, Instrumentenbauern und Materialwissenschaftlern gelöst werden. Auch hier spielten die Bell Labs eine herausragende Rolle. Mit ihrer materiell-technischen Ausstattung und der als unabdingbar erachteten und aktiv geförderten persönlichen Interaktion boten sie Experten aus aller Welt ein Umfeld, das außerordentliche Erfindungsleistungen und schließlich den ersten MBE-Prototyp hervorbrachte.

Im 8. Kapitel wird der westdeutsche Weg unter dem Gesichtspunkt „Föderal statt integral“ näher betrachtet. Dabei stehen die Entwicklung der MBE und die Gründung des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung sowie ein Vergleich mit dem amerikanischen Weg im Vordergrund. Die Unterschiede sind signifikant. Obwohl es eine Reihe hochrangiger Wissenschaftler gab, die Erfolge auf dem Gebiet der Festkörperphysik in den USA errungen hatten und nach Deutschland zurückkehrten, war der Stellenwert der Halbleitertechnik in der Bundesrepublik in den 1960er Jahren gering. Die deutschen Großkonzerne verhielten sich kritisch gegenüber neuen Technologien. Hinzu kamen die ersten ökonomischen Krisen der Nachkriegsära. Das erschwerte den Anschluss an die rasanten technologischen Fortschritte in den USA. Um diesem Missstand zu begegnen, wurde 1974 das staatliche Förderprogramm „Elektronische Bauelemente“ aufgelegt, das III-V-Verbindungshalbleiter als Schlüsselelemente für optoelektronische Anwendungen beinhaltete. Das 1969 gegründete Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) in Stuttgart sollte als Paradebeispiel der Koordination multidisziplinärer Vielfalt dienen und dazu beitragen, den Rückstand der Halbleiterphysik in der Bundesrepublik aufzuholen und sich mit dem Bau einer entsprechenden MBE-Anlage zu befassen. Der Marktführer Siemens stand dem Projekt ablehnend gegenüber, ein gewisses Interesse gab es bei AEG-Telefunken. Die von Kooperation und Vernetzung geprägte Interaktion mit Industriepartnern, wie sie in den USA praktiziert wurde, blieb aus. Zu den MBE-Aktivisten gehörte Hans-Joachim Queisser, der sich zeitlebens zwischen Politik, Industrie und Forschungslabor bewegte und viele Jahre in den USA, u.a. bei den Bell Labs, gearbeitet hatte. Er favorisierte für die künftige Ausrichtung der Festkörperforschung ein ganzheitliches Konzept nach amerikanischem Vorbild, d.h. eine Verschmelzung akademischer und industrieller Fragestellungen, Einbeziehung von flexibel agierenden Kleinunternehmen und einen Kommunikationsmodus, der freien Gedankenaustausch und kommerzielle Profitabilität förderte. Nachdem eine funktionierende MBE-Anlage zur Verfügung stand, wurde ab 1975 intensiv an der Verbesserung der Prozesssteuerung und Optimierung der Analytik gearbeitet. Es folgte eine fruchtbare Zusammenarbeit mit Partnern in Europa, USA und Japan. Anders als in den USA und Japan fehlten jedoch organisationsübergreifende Initiativen zur Überführung der Forschungsergebnisse in die Industrie, obwohl mittlerweile zwei weitere MBE-Anlagen in Ulm mit Unterstützung der Firma AEG-Telefunken und in Darmstadt im FTZ (Fernmeldetechnisches Zentralamt) entstanden waren. Der Zuwachs an Wissen und Kompetenz äußerte sich in einer exponentiell wachsenden Anzahl von Fachpublikationen und der Organisation des ersten MBE-Symposiums 1978 in Paris.

Das 9. Kapitel stellt Vertreter typischer Forschungs- bzw. Materialtechnologien vor und geht auf den Umfang und den h-Index als Maß für die wissenschaftliche Publikationstätigkeit ein. Das abschließende 10. Kapitel betont zusammenfassend, dass ein unverzichtbarer Motor für neue Technologien das Interagieren von Menschen, Maschinen und Materialien ist und langfristige Strategien, Freiraum der Forschung und ein geeignetes organisatorisches Umfeld unabdingbar sind.

Schichten schreiben Geschichte ist hervorragend recherchiert und zeugt von hoher Fachkompetenz. Spannend dargestellt ist das breite Spektrum der Herausforderungen eines über Jahrzehnte andauernden Entwicklungsprozesses, der einer Vielzahl von technisch-wissenschaftlichen und industriell-politischen Faktoren sowie dem Zusammenwirken verschiedenartiger Persönlichkeiten unterliegt. Vom Techniker bis zum Nobelpreisträger werden Menschen gewürdigt, die bedeutende Beiträge leisteten.

Das aufschlussreiche Werk ist sowohl für Wissenschaftler und Ingenieure als auch für Führungskräfte von Interesse, die für Strategien, Koordination und Kommunikation im Bereich der anwendungsorientierten Forschung verantwortlich sind. Darüber hinaus wird es all jene ansprechen, die verstehen wollen, welch fundamentale Bedeutung Technik und Materialforschung für die Gestaltung unserer heutigen Welt haben. Äußerst tragisch, dass diese herausragende Arbeit zum Vermächtnis der Autorin wurde, einer promovierten Chemikerin, die kurz nach Verteidigung ihrer Dissertation zur Geschichte der Molekularstrahlepitaxie am 28. Februar dieses Jahres verstorben ist.

Dr. Monika Schwarzenberg, Krefeld