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Materialwissenschaft - Elektrische Verbindungen

Elektrisch Verbindungen

Die Leistung heutiger elektronischer Systeme (und auch photonischer Systeme) wird durch die Verbindungstechnologie , bei der Komponenten und Subsysteme durch Leiter und Steckverbinder miteinander verbunden sind , erheblich eingeschränkt . Gegenwärtig wird eine sehr feine Gold- oder Kupferverdrahtung mit einer Dicke von bis zu 30 Mikrometern verwendet, um elektrischen Strom zu und von den vielen Pads entlang der Seiten oder Enden eines Mikrochips zu anderen Komponenten auf einer Leiterplatte zu leiten. Die in solchen Schaltungen enthaltene Kapazität verlangsamt den Elektronenfluss und damit den Informationsfluss. Durch die Integration mehrerer Chips in einen einzigenMultichip-Modul, bei dem die Chips durch verschiedene leitende Materialien (wie z. B. metallisierte Filme) auf einem gemeinsamen Substrat verbunden sind, kann die Geschwindigkeit des Informationsflusses erhöht werden, wodurch die Leistung der Baugruppe verbessert wird. Im Idealfall würde alle Chips in einem einzigen Modul gleichzeitig auf dem gleichen Wafer hergestellt werden, aber in der Praxis ist dies nicht möglich: Silicon Kristallherstellung ist noch unter einem Durchschnitt von einem Fehler pro Wafer, dass mindestens eine der viele Chips an Bedeutung Schnitt von jedem Wafer wird verschrottet. Wenn der gesamte Waferbereich einer einzelnen Multifunktionsanordnung zugeordnet wäre, würde dieser eine Fehler das gesamte Modul verschrotten. Multichip-Module bestehen daher aus bis zu fünf Mikrochips, die an ein Silizium gebunden sindoder ein Keramiksubstrat, auf dem Widerstände und Kondensatoren mit dünnen Filmen aufgebaut sind. Typische Materialien, die in einem Multichip-Modul verwendet werden, umfassen das Substrat; Goldpastenleiter, die in einem additiven Verfahren aufgebracht wurden, das dem Siebdruck ähnelt ; Glasglasuren zur Isolierung der Goldpastenleiter von nachfolgenden Filmschichten; eine Reihe dünner Filme aus Tantalnitrid, Titan , Palladium und plattiertem Gold; und eine letzte Packung Silikonkautschuk.

Verpackungsmaterialien

In der Elektronikindustrie werden mehrere Haupttypen von Verpackungsmaterialien verwendet , darunterKeramik , feuerfestGlas , vorgeformter Kunststoff und nachgeformter Kunststoff. Keramik- und Glasverpackungen kosten mehr alsKunststoffverpackungen machen also weniger als 10 Prozent der weltweiten Gesamtmenge aus. Sie bieten jedoch den besten Schutz für komplexe Chips. Vorgeformte Kunststoffverpackungen machen nur einen kleinen, aber wichtigen Teil des Marktes aus, da sie für Verpackungsgeräte mit vielen Zuleitungen benötigt werden. Die meisten Kunststoffverpackungen werden nachgeformt, was bedeutet, dass der Verpackungskörper über der Baugruppe geformt wird, nachdem der Mikrochip am Fan-Out-Muster angebracht wurde.

Vorläufer

Die Ausgangsmaterialien für die meisten Halbleiterbauelemente sind flüchtige und hochreine gasförmige Derivate verschiedener organischer und anorganischer Vorläufer . Viele von ihnen sind giftig und viele entzünden sich spontan in der Atmosphäre. Diese Gase werden in Hochdruckflaschen von der Anlage, in der sie hergestellt wurden, zu dem Ort transportiert, an dem sie verwendet werden. Eine mögliche Methode, diese Vorläufer durch umweltfreundliche Materialien zu ersetzen, ist bekannt alsIn-situ-Synthese. Bei diesem Verfahren würden gefährliche Reagenzien bei Bedarf nur in den gewünschten Mengen erzeugt, anstatt über Land verschifft und bis zur Verwendung in der Halbleiterverarbeitungsanlage gelagert zu werden.

Photonische Materialien

Computer und Kommunikationssysteme wurden von Anfang an von der elektronischen Technologie dominiert, aber die photonische Technologie macht mit Geräten wie Lasern, Leuchtdioden, Fotodetektionsdioden, optischen Schaltern, optischen Verstärkern und optischen Modulatoren ernsthafte Fortschritte in den Informationsbewegungs- und -verwaltungssystemen und optische Fasern. In der Tat hat die Photonik für die terrestrische und transozeanische Übertragung von Informationen über große Entfernungen die Elektronik fast vollständig verdrängt.

Kristalline Materialien

Die oben aufgeführten Lichtdetektoren und Generatoren sind tatsächlich optoelektronisch , weil sie photonische und elektronische Systeme verbinden. Sie verwenden die oben beschriebenen III-V- Verbindungshalbleiter , von denen viele durch ihre charakterisiert sindBandlücken - dh das Energieminimum derElektronenleitungsband und das Energiemaximum vonLoch Valenzbänder treten an der gleichen Stelle im Impulsraum, so dassElektronen und Löcher , um Photonen effizient zu rekombinieren und abzustrahlen. (Im Gegensatz dazu haben das Leitungsbandminimum und das Valenzbandmaximum in Silizium unterschiedliche Impulse, und daher können die Elektronen und Löcher nicht effizient rekombinieren.) Zu den wichtigen Verbindungen gehören Galliumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumarsenidphosphid, Indiumphosphid, und Aluminium-Indium-Arsenid.

Die Herstellung eines Einkristalls aus diesen Elementkombinationen ist weitaus schwieriger als die Herstellung eines Einkristalls aus elektronischem Silizium. Spezielle Öfen sind erforderlich, und der Vorgang kann mehrere Tage dauern. Ungeachtet der Präzision ist die wurstförmige Kugel weniger als halb so groß wie ein Siliziumblock und unterliegt einer viel höheren Fehlerrate. Die Forscher suchen ständig nach Wegen, um die thermischen Spannungen zu reduzieren, die hauptsächlich für Versetzungen im III-V-Kristallgitter verantwortlich sind, die diese Defekte verursachen. Die Reinheit und strukturelle Perfektion der endgültigen Einkristallsubstrate beeinflusst die Eigenschaften der auf ihnen gewachsenen Kristallschichten und die Bereiche, die während der Herstellung von photonischen Vorrichtungen diffundiert oder in sie implantiert werden.

Epitaxieschichten

For the efficient emission or detection of photons, it is often necessary to constrain these processes to very thin semiconductor layers. These thin layers, grown atop bulk semiconductor wafers, are called epitaxial layers because their crystallinity matches that of the substrate even though the composition of the materials may differ—e.g., gallium aluminum arsenide (GaAlAs) grown atop a gallium arsenide substrate. The resulting layers form what is called a heterostructure. Most continuously operating semiconductor lasers consist of heterostructures, a simple example consisting of 1000-angstrom thick gallium arsenide layers sandwiched between somewhat thicker (about 10000 angstroms) layers of gallium aluminum arsenide—all grown epitaxially on a gallium arsenide substrate. The sandwiching and repeating of very thin layers of a semiconductor between layers of a different composition allow one to modify the band gap of the sandwiched layer. This technique, called band-gap engineering, permits the creation of semiconductor materials with properties that cannot be found in nature. Band-gap engineering, used extensively with III–V compound semiconductors, can also be applied to elemental semiconductors such as silicon and germanium.

The most precise method of growing epitaxial layers on a semiconducting substrate is molecular-beam epitaxy (MBE). In this technique, a stream or beam of atoms or molecules is effused from a common source and travels across a vacuum to strike a heated crystal surface, forming a layer that has the same crystal structure as the substrate. Variations of MBE include elemental-source MBE, hydride-source MBE, gas-source MBE, and metal-organic MBE. Other approaches to epitaxial growth are liquid-phase epitaxy (LPE) or chemical vapour deposition (CVD). The latter method includes hydride CVD, trichloride CVD, and metal-organic CVD.

Normally, epitaxial layers are grown on flat surfaces, but scientists are searching for an economical and reliable method of growing epitaxial material on nonplanar structures—for example, around the “mesas” or “ridges” or in the “tubs” or “channels” that are etched into the surface of semiconducting devices. Nonplanar epitaxy is considered necessary for producing monolithic integrated optical devices or all-photonic switches and logic elements, but mastery of this method requires better understanding of the surface chemistry and surface dynamics of epitaxial growth.