Glossar

Bauteile

Aktoren sind Bauteile, die ein elektrisches Signal in Wirkungen umsetzen, beispielsweise in eine Bewegung oder in Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur.

Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) sind Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke, sogenannte „Wide Bandgap“-Halbleiter. Aus diesen Materialien gefertigte Feldeffekttransistoren ermöglichen höhere Schaltfrequenzen bei höheren Spannungen und höherer Temperatur als die „klassischen“, auf Silizium basierenden. Aus diesem Grunde werden auf der Grundlage von Galliumnitrid zunehmend besonders leistungsfähige Hochfrequenzverstärker hergestellt, beispielsweise für Mobilfunk-Basisstationen. Auch Leuchtdioden (LED) und Halbleiterlaser sind bekannte Anwendungen für „Wide-Bandgap“-Halbleiter.

In der Leistungselektronik werden Halbleiter-Bauelemente benötigt, die hohen elektrischen Strömen und Spannungen standhalten. Neben Chips, die mit „klassischen“ Technologien, wie MOSFETs oder IGBT auf Siliziumsubstraten erzeugt werden, werden heute auch immer mehr Leistungshalbleiter auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) produziert. Denn um Energie und Kosten zu sparen, ist bei vielen Anwendungen zunehmend ein höherer Wirkungsgrad bei hoher Leistungsdichte erwünscht.

Optoelektronik kombiniert die Stärken von Optik und Halbleiter-Elektronik. Die entsprechenden Bauteile wandeln elektrische Signale in Licht um, oder sie empfangen Lichtsignale und setzen diese in elektrische Ströme um. Es gibt zudem eine Vielzahl verschiedenster optoelektronischer Bauelemente, die Signale übertragen, verstärken oder verändern.

Sensoren sind technische Bauteile, die Messgrößen unmittelbar aufnehmen. Dabei werden bestimmte chemische oder physikalische Größen, wie Beschleunigung, pH-Wert, Druck oder Temperatur, durch die Sensoren erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Verbindungshalbleiter bestehen aus mehreren Elementen. Dazu gehört unter anderem das Galliumarsenid (GaAs), das vor allem für Hochfrequenz-Anwendungen sowie für die Umwandlung elektrischer in optische Signale eingesetzt wird.

Weil das Kristallgitter von III-V-Verbindungshalbleitern vollkommen anders aussieht als das von Silizium, das seinen Platz in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems hat, ist allerdings die Integration von solchen Halbleiterlasern in Chips problematisch. Germanium hingegen ist wie Silizium ein Element der vierten Hauptgruppe – und durch die Beimischung von Zinn lässt sich daraus eine Laserquelle erzeugen, die direkt mit dem in Chipfabriken üblichen CMOS-Prozess hergestellt werden kann. Sowohl Germanium-Zinn (GeSn) als auch Silizium-Germanium-Zinn (SiGeSn) werden daher zunehmend zu wichtigen Materialien für die Optoelektronik.

Wafer ist die Bezeichnung für dünne, kreisrunde oder rechteckige Scheiben, die in der Mikroelektronik, Photovoltaik oder Mikrosystemtechnik als Substrat eingesetzt werden. Sie bestehen in der Regel aus Halbleitermaterialien, wie Silizium, und werden aus größeren Blöcken, den sogenannten Ingots, hergestellt.

Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien sind Substanzen, deren elektrische Leitfähigkeit geringer als die von elektrischen Leitern und größer als die von Nichtleitern ist. Bei Raumtemperatur ist ihre elektrische Leitfähigkeit gering. Wird jedoch Energie zugeführt, beispielsweise in Form von Wärme, Licht oder durch Anlegen einer Spannung, verändert sich die Leitfähigkeit. Auch die Einwirkung einer mechanischen Kraft oder eine Dotierung mit Fremdstoffen können die Leitfähigkeit beeinflussen.

Ein High-k-Dielektrikum wird ein Material genannt, das eine höhere Dielektrizitätskonstante (Formelzeichen im englischen Sprachraum: Kappa) mitbringt als die gebräuchlichen Isolatoren Siliziumdioxid und Siliziumoxinitrid. High-k-Dielektrika ermöglichen es, die Stärke der Isolierschicht in Metall-Isolator-Halbleiterstrukturen bei gleichbleibender Kapazität deutlich zu erhöhen, und damit Leckströme erheblich zu verringern. Low-k-Dielektrika hingegen werden als Isolator zwischen den Leiterbahnen eingesetzt, um das Entstehen parasitärer Kapazitäten drastisch einzuschränken.

Auch spezielle organische Materialien, wie bestimmte Polymere, können als Halbleiter eingesetzt werden. Organische Elektronik eignet sich für Anwendungen wie einfache Schaltungen, organische Leuchtdioden (OLED) oder Photovoltaik. Einige Substanzen können möglicherweise auch in der Molekularelektronik genutzt werden.

Oxide, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumoxid (SiO₂), werden bei der Herstellung von Halbleiterchips üblicherweise als Isolatoren eingesetzt. Galliumoxid (Ga₂O₃) hingegen wird mittlerweile als Wide-Bandgap-Halbleiter verwendet. Japanische Forscher beispielsweise haben 2019 Transistoren präsentiert, die sie aus Galliumoxid hergestellt haben. Anwendungen dafür sind vor allem in der Leistungselektronik denkbar.

Silizium (Si) ist das bekannteste Halbleitermaterial. Aus Silizium werden heute die meisten Halbleiterchips hergestellt. Zu den elementaren Halbleitern gehören zudem Germanium (Ge), Bor (B), Selen (Se) und Tellur (Te).

Strukturen

Graphen ist eine besondere Variante des Kohlenstoffes, in einer zweidimensionalen Struktur ist dabei jeweils ein Kohlenstoffatom von drei weiteren im Winkel von 120° umgeben. So entsteht ein Gebilde, das an Maschendraht oder Bienenwaben erinnert. Die einschichtigen Kristalle wurden 2004 erstmals dargestellt und untersucht. 2010 erhielten Konstantin Nowosjolow und Andre Geim dafür den Physik-Nobelpreis. Graphen gilt als ein Elektronikmaterial der Zukunft.

Mikrosysteme (Micro-Electro-Mechanical Systems – MEMS) bestehen aus winzigen Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik. Sie zeichnen sich durch Abmessungen im Mikrometerbereich aus, und befinden sich auf einem Chip. Ist ein optisches Modul enthalten, spricht man von Mikrooptoelektromechanischen Systemen (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems – MOEMS).

Gordon Moore beschrieb 1965 in einem Artikel in der Zeitschrift Electronics seine Beobachtung, dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise in regelmäßigen Abständen erhöht. Die Halbleiterbranche bezeichnet heute als Moore’sches Gesetz die Aussage, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit alle 18 bis 24 Monate verdoppelt. Und weil sich die Roadmap der Halbleiterindustrie daran orientiert, haben die Chiphersteller und ihre Zulieferer bislang tatsächlich ungefähr alle zwei Jahre „more Moore“ geliefert.

Nicht in allen Bereichen macht es jedoch Sinn, alle Kräfte und vor allem auch Mittel auf die beständige Verkleinerung der Strukturen auf einem Chip zu konzentrieren. Es gibt viele Anwendungen, für die Miniaturierung weniger wichtig ist als vielmehr die Integration zusätzlicher, analoger Funktionen. Diese Strategie, bei der Chips speziell für den jeweiligen Einsatzzweck entwickelt werden, wird „More than Moore“ genannt. Statt wenige unterschiedliche Produkte in großen Stückzahlen verlangt der Markt heute zunehmend Spezialchips, von denen oftmals nur einige hunderttausend Stück benötigt werden.

Nanodrähte sind feine, langgestreckte Strukturen aus einem Metall, Halbleiter oder einem Verbindungshalbleiter, deren Eigenschaften ganz entscheidend von ihren Abmessungen abhängen. Die elektrisch leitfähigen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff werden ebenfalls als Nanodrähte genutzt.

Als neuronales Netz werden Nervenzellen bezeichnet, die miteinander verbunden und Teil eines Nervensystems sind. Diese biologischen Strukturen sind Vorbild für künstliche neuronale Netzwerke, einen wichtigen Teilbereich der künstlichen Intelligenz (KI).

Ein neuromorpher Schaltkreis ist eine Möglichkeit, ein Neuron, also eine Nervenzelle, im Modell in Hardware abzubilden. Die neuromorphen Chips können zu neuronalen Netzen verknüpft werden. Von den nervenähnlichen Chips, oftmals auf der Grundlage von Memristoren, erhofft man sich, dass man mit ihnen lernfähige Computer bauen kann, die bestimmte Probleme effizienter lösen als bisherige Rechentechnik – Mustererkennung beispielsweise, Prognosen oder das Erkennen von Zusammenhängen.

Die Arbeitsweise der meisten Computer beruht heute auf der Von-Neumann-Architektur. Sie wurde erstmals von dem Mathematiker John von Neumann in einer Publikation im Jahre 1945 vorgestellt. Ein Von-Neumann-Computer besteht aus verschiedenen Bereichen, die auch räumlich voneinander getrennt sind: Einem Rechenwerk, das die Rechenoperationen durchführt, einem Speicherwerk, das sowohl Programm als auch Daten abspeichert, einem Steuerwerk, das die Anweisungen des Programmes abarbeitet, einem Eingabe-/Ausgabewerk, zur Ein- und Ausgabe von Daten, und einem Bus-System zur Kommunikation zwischen den einzelnen Werken. Befehle werden von einem solchen Computer streng sequentiell ausgeführt.

Verfahren

Aufbau- und Verbindungstechnik („Packaging“) macht aus einzelnen Chips vollständige Systeme. Ursprünglich erfolgte dabei die Kontaktierung („Bonden“) sowie das Einschließen des Mikrochips („Die“) in einem Gehäuse. Mittlerweile sind die Systeme ebenso wie die Technologien wesentlich komplexer, und die Aufbau- und Verbindungstechnik hat sich zu einem eigenständigen Forschungsgebiet entwickelt.

Unerwünschte, lokale Fehler in der Halbleiterfertigung werden Defekte genannt. Sie beeinträchtigen die Qualität und vor allem auch die Zuverlässigkeit und ordnungsgemäße Funktion der Chips, bis hin zum vollständigen Ausfall. Defekte können eine Vielzahl von Ursachen haben – von Kristalldefekten im Substrat und in abgeschiedenen Schichten über Fehler bei der Fotolithografie bis hin zu Partikeln, die beim Prozessing auf die Waferoberfläche gelangen.

Zur Herstellung von Halbleiterchips werden sowohl chemische als auch physikalische Vorgänge genutzt. Um einen Wafer zu prozessieren, sind sehr viele einzelne Arbeitsschritte und die unterschiedlichsten Fertigungsverfahren notwendig.

Um Strukturen auf dem Substrat zu definieren, wird die Fotolithografie eingesetzt. Dabei wird zunächst ein Fotolack flächig aufgetragen. Anschließend wird mit Hilfe einer Maske durch Belichten die gewünschte Struktur auf dem Wafer vorgegeben. Im nächsten Arbeitsschritt wird dann der nicht benötigte Fotolack auf chemischem Wege entfernt, so dass alle Teile des Wafers abgedeckt bleiben, die durch den nachfolgenden Prozessschritt nicht verändert werden sollen.

Zum Erzeugen dünner Schichten dienen verschiedene Verfahren der physikalischen (Physical Vapour Deposition – PVD) und chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition – CVD), Atomlagenabscheidung (Atom Layer Deposition – ALD) sowie Ofenprozesse zur thermischen Oxidation. Beim Dotieren, beispielsweise per Ion-Implanting, werden lokal Fremdatome in das Halbleitermaterial eingebracht.

Zum Strukturieren von Schichten werden vorgegebene Bereiche gezielt mit Ätzverfahren abgetragen. Dies erfolgt heute meistens mit dem Plasmaätzen, auch als reaktives Ionenätzen bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen anisotrophen, also richtungsabhängigen Vorgang. Isotrophe Ätzverfahren, wie das nasschemische Ätzen im Säurebad, werden vor allem zum Entfernen von kompletten Schichten und Prozessrückständen eingesetzt.

Immer dann, wenn die Wafer-Oberfläche zu uneben wird, wird der Wafer planarisiert. Dabei werden die störenden Überstände durch selektives Zurückätzen oder chemisch-mechanisches Polieren (Chemical Mechanical Planarization – CMP) abgetragen.