Historian aikakausia on perinteisesti nimetty materiaalien mukaan: tunnemme kivikauden, pronssikauden ja rautakauden. Materiaalien valmistuksen ja hyödyntämisen kehitys on vaikuttanut ratkaisevasti yhteiskuntien ja sivilisaatioiden muotoutumiseen. Nykyinen aikamme on piin aikakausi, tai laajemmin ajateltuna puolijohteiden aikakausi. Se sai alkunsa 1950-luvulla, kun ensimmäiset transistorit ja aurinkokennot valmistettiin.
Tänä päivänä käytämme puolijohteita jatkuvasti: puolijohdelaitteet eli puolijohdesirut ovat esimerkiksi tietokoneiden, puhelimien ja tekoälydatakeskusten kriittisiä komponentteja, vaikka ne on usein huomaamattomasti paketoitu muiden materiaalien sisään, esimerkiksi muovi- tai keraamikoteloihin. Piistä valmistetut aurinkokennot ja -paneelit ovat näkyvä poikkeus. Voidaan sanoa, että piin aikakausi on kivikauden jatkumo tai kehittyneempi kivikausi, koska kivet ja hiekka ovat piin raaka-ainetta. Myrkytön pii on yleinen alkuaine maapallolla.
Puolijohteiden kaikkia ominaisuuksia ei tunneta
Yhä uudelleen pohditaan kysymystä ”Onko perinteisissä puolijohteissa enää mitään tutkittavaa tai kehitettävää?”. Kysymys on erittäin tärkeä, mutta myönnettäköön, että välillä tähän törmääminen ärsyttää. Olen kuitenkin yrittänyt noudattaa Mauno Koiviston neuvoa olla provosoitumatta.
Perinteiset puolijohteet – ne, joita teollisuudessa on käytetty vuosikymmeniä – ovat edelleen yhteiskunnan toiminnan ja kehityksen kannalta keskeisiä. Tutkimuksen suuntautuessa osittain uusiin materiaaleihin puolijohteiden perustutkimus on vähentynyt monin paikoin esimerkiksi Suomessa, Euroopassa ja Yhdysvalloissa viimeisen vuosikymmenen aikana. Tämä on osaltaan aiheuttanut uusia haasteita, kuten puolijohteiden sirupulan. Ajoittain uutisoidaan, että piin aikakausi olisi päättymässä – joidenkin ennusteiden mukaan sen piti loppua jo kymmenen vuotta sitten. Itse en näe piin merkityksen vähenevän lähitulevaisuudessa.
Käytämme ja kehitämme yhä kivestä ja raudasta valmistettuja tuotteita, ja sama pätee myös piihin nyt ja tulevaisuudessa. Näkemykseni on, että piillä voi olla käyttöä vielä hyvinkin seuraavat tuhat vuotta. Teollisuuden eräs nyrkkisääntö on: käytä piitä aina, kun se on mahdollista. Syitä tähän on monia, muun muassa materiaalin kestävyys, tasalaatuisuus ja jalostettavuus, eikä näitä syitä aina huomioida perustutkimuksessa. Kannustan lisäämään avointa ja kunnioittavaa vuoropuhelua tutkijoiden ja teollisuuden välillä – se vähentää väärinkäsityksiä ja edistää innovaatiotoimintaa.
Puolijohteiden, kuten piin, ominaisuuksien ja sovellusten tutkimus kehittyy ja uudistuu jatkuvasti vuosikymmenten aikana kertyneen tiedon ja osaamisen ansiosta. Vaikka puolijohteita hyödynnetään laajalti, niiden kaikkia ominaisuuksia ei ymmärretä. Tarkoitukseni ei ole vähätellä uusien materiaalien tutkimusta – päinvastoin. Olemme mielestäni Turun yliopistossa löytäneet hyvän tasapainon ja vuoropuhelun perinteisten ja uusien materiaalien tutkimuksen välillä.
Haluan osaltani jatkaa tämän yhteistyön vahvistamista ja hyödyntää sen tarjoamia synergiaetuja. On tosiasia, että myös puolijohdeteollisuudessa käytettävien materiaalien kirjo kasvaa jatkuvasti. Usein nämä materiaalit pyritään liittämään perinteisiin puolijohteisiin, esimerkiksi integroimaan nykyisten piisirujen pintaan, jolloin saadaan hybridimateriaaleja.
Tavoitteena puolijohdelaitteiden sähkönkulutuksen pienentäminen, käyttöiän pidentäminen ja ympäristöpäästöjen vähentäminen
Mitä perinteisissä puolijohteissa on sitten tutkittavaa? Esittelen lyhyesti kaksi aihepiiriä, jotka liittyvät atomitason ilmiöihin, ja joihin myös oma tutkimusryhmämme on keskittynyt.
Yksi tärkeimmistä – ellei tärkein – puolijohteiden ominaisuuksista on mahdollisuus säätää sen piristystasoa, eli puolijohteen sähkönjohtavuutta, useiden kertalukujen alueella. Piristäminen on luonnon ihme, joka on mahdollistanut koko puolijohteiden aikakauden. Se perustuu siihen, että puolijohteeseen lisätään tarkoituksellisesti pieni määrä epäpuhtausatomeja, jotka muodostavat vikatiloja materiaaliin suurentaen materiaalin sähkönjohtavuutta. Osa vikatiloista on siis hyödyllisiä laitteen toiminnalle, kun taas osa on haitallisia. Vaikka erilaiset vikatilat ovat tärkeitä, niiden syntymekanismeja ja kaikkia vaikutuksia ei tunneta kunnolla.
Turun yliopiston materiaalifysiikan tutkimusryhmä on tarkastellut puolijohteiden atomitason ominaisuuksia yli 30 vuoden ajan yhdistäen tarkkoja tietokonesimulaatioita kokeellisiin pintatieteen menetelmiin. Pelkästään sirujen pinnalla on valtava määrä atomeja: noin 10 miljoonaa kertaa 10 miljoonaa, eli 10¹⁴ atomia neliösenttimetriä kohti. Kaikki nämä atomit on saatava oikeille paikoilleen rivi riviltä järjestyneeseen rakenteeseen. Jos yksikin atomi jää väärään kohtaan, se voi luoda haitallisen vikatilan ja heikentää laitteen toimintaa. Luonto pyrkii järjestämään atomit minimienergian periaatteen mukaisesti, jolloin aineen sisäenergia pienenee. Todellisuudessa myös sirujen valmistusolosuhteet vaikuttavat yleensä estäen atomien järjestymistä säännölliseen rakenteeseen.
Puolijohdeteollisuus on myös tunnistanut nämä pintoihin liittyvät ongelmat, ja tämä atomitason haaste tarjoaa yhteisen kiinnostavan tutkimuskentän teollisuudelle ja perustutkimukselle. Materiaalifysiikan tutkimusryhmämme yhtenä tavoitteena on edistää tätä vuoropuhelua, jotta voimme pienentää puolijohdelaitteiden sähkönkulutusta, pidentää niiden käyttöikää sekä vähentää laitteiden valmistuksesta aiheutuvia ympäristöpäästöjä.
Pekka Laukkanen
Kirjoittaja on materiaalifysiikan professori. Puheenvuoro pohjautuu hänen 12.5.2026 pitämäänsä professoriluentoon.
