Halbleiterfertigung und Eigenschaften von Halbleitern
Halbleiter sind anorganische oder organische Materialien, die ihre Leitfähigkeit durch chemische Struktur, Temperatur, Beleuchtung und das Vorhandensein von Dotierstoffen steuern können. Der Name Halbleiter stammt von ihrer elektrischen Leitfähigkeit, die zwischen einem Metall, wie Kupfer oder Gold, und einem Isolator, wie Glas, liegt. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in Halbleitern Energie aufnehmen (z.B. durch ionisierende Strahlung), um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch den Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.
Schritte der Halbleiterfertigung
- Kristallwachstum: Der erste Schritt in der Halbleiterfertigung ist das Wachstum eines reinen Siliziumkristalls, der als Substrat für den Rest des Prozesses dient.
- Wafer-Vorbereitung: Nach dem Kristallwachstum wird dieser in dünne Wafer geschnitten, die anschließend poliert werden, um Oberflächendefekte oder Verunreinigungen zu entfernen.
- Photoresist-Beschichtung: Eine dünne Schicht Photoresist-Material wird auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen.
- Photomaskierung: Eine Photomaske wird über den Wafer gelegt, und die gesamte Anordnung wird ultraviolettem Licht ausgesetzt. Das Photoresist-Material reagiert auf das Licht und erzeugt ein Muster auf der Oberfläche des Wafers.
- Ätzen: Der Wafer wird mit einer chemischen Lösung oder Plasma geätzt, wodurch das Siliziummaterial an den nicht durch Photoresist geschützten Stellen entfernt wird.
- Ionimplantation: Ionen werden in die freigelegten Bereiche des Wafers implantiert, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.
- Thermische Verarbeitung: Der Wafer wird in einem Ofen erhitzt, um die implantierten Ionen zu aktivieren und die Siliziumkristallstruktur zu glühen.
- Abscheidung: Schichten von Dünnfilmmaterialien werden mittels chemischer Gasphasenabscheidung oder anderer Methoden auf den Wafer aufgetragen.
- Photolithographie: Das Photoresist wird entfernt, und der Wafer wird mit einer neuen Schicht Photoresist beschichtet. Dieser Prozess wird wiederholt, um zusätzliche Schichten von gemusterten Materialien auf den Wafer aufzubringen.
- Zuschneiden und Verpacken: Sind alle Schichten fertig, wird der Wafer in einzelne Chips geschnitten und für die Verwendung in elektronischen Geräten verpackt.
Der gesamte Prozess der Halbleiterfertigung ist hochautomatisiert und präzise, wobei viele der Schritte hunderte oder tausende Male wiederholt werden, um einen einzelnen Chip herzustellen.
Arten von Halbleitern
Halbleiter können basierend auf ihren elektronischen Eigenschaften in zwei grundlegende Typen eingeteilt werden:
- Intrinsische Halbleiter: Diese sind reine Halbleiter, die aus einem einzelnen Element bestehen (z.B. Silizium, Germanium) und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. Intrinsische Halbleiter haben eine spezifische Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Strom, wenn sie erhitzt werden, und einige Elektronen erhalten genügend Energie, um sich von ihren Bindungen zu lösen und zu freien Elektronen im Leitungsband zu werden.
- Extrinsische Halbleiter: Diese sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert werden, um ihre elektronischen Eigenschaften zu verändern. Extrinsische Halbleiter können weiter in zwei Typen unterteilt werden:
- p-Typ-Halbleiter: Bei p-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Bor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben weniger Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zur Entstehung von „Löchern“ (Abwesenheit von Elektronen) im Valenzband führt. Diese Löcher können Strom wie positive Ladungsträger leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung verleiht.
- n-Typ-Halbleiter: Bei n-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Phosphor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben mehr Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zu einem Überschuss an Elektronen im Leitungsband führt. Diese überschüssigen Elektronen können Strom wie negative Ladungsträger leiten, was dem Material seine n-Typ-Bezeichnung verleiht.
