Uraauurtava puolijohdetutkimus avaa oven tehokkaammille tietokoneille (Väitös FM Jouko Lång, 19.10.2013)
Muokkaamalla puolijohteen pintarakennetta atomimittakaavassa pystytään parantamaan materiaalin ominaisuuksia niin, että ne soveltuvat paremmin transistorisovelluksiin. Muokatun puolijohdemateriaalin avulla on mahdollista luoda lähivuosina tehokkaampi tietokoneiden sukupolvi, käy ilmi Jouko Långin väitöstutkimuksesta.
FM Jouko Lång havaitsi tutkimuksessaan, että alkuaineryhmistä III ja V muodostuvien yhdistepuolijohteiden pintojen tietyt atomirakenteet sekä pintojen hallittu valmistaminen atomimittakaavassa parantavat materiaalin ominaisuuksia muun muassa transistorisovelluksiin.
Tutkimus auttaa ymmärtämään teknologisesti tärkeiden puolijohdepintojen rakennetta ja pinnoille adsorboituneiden atomien vaikutusta pintarakenteisiin ja materiaalin elektronisiin ominaisuuksiin.
– Atomimittakaavan ilmiöt ja niiden ymmärtäminen ovat avainasemassa kehitettäessä seuraavan sukupolven nopeita elektroniikan sovelluksia. Uusimpien komponenttien pienimmät yksityiskohdat ovat jo kahden nanometrin luokassa, Lång kertoo.
Ratkaisu kolme vuosikymmentä askarruttaneeseen elektroniikkateollisuuden ongelmaan
Työssä onnistuttiin valmistamaan atomitasolla hyvin määriteltyjä pintarakenteita gallium-arsenidi-, indium-arsenidi- ja indium-antimonidi-yhdistepuolijohteille. Tutkimuksessa tarkasteltiin miten tina-, indium- ja happi-adsorbaattiatomit vaikututtavat näiden puolijohteiden atomi- ja elektronirakenteisiin.
Havaitut pintarakenteet onnistuttiin selvittämään atomien tarkkuudella hyödyntämällä kokeellisia ja laskennallisia menetelmiä.
– Merkittävin havainto tutkimuksessani oli happi-adsorbaattiatomien aiheuttama kiteinen rakenne yhdistepuolijohteen pinnalle. Tämä rakenne soveltuu atomi- ja elektronirakenteeltaan esimerkiksi seuraavan sukupolven transistoriteknologiaan ja voi tarjota ratkaisun yli 30 vuotta vanhaan ongelmaan yhdistepuolijohdemateriaalien hyödyntämisestä integroiduissa piireissä.
Transistorien mittasuhteita ei voi pienentää enää pitkään
Tietokoneiden mikroprosessorien kehitys on seurannut niin sanottua Mooren lakia. Transistorien mittasuhteita on pienennetty ja samalla saatu pienempään tilaan enemmän toiminnallisuutta sekä suurempia kellotaajuuksia. Tämä kehitys on lähivuosina murroksessa, sillä transistorien mittasuhteita ei voi enää kauan pienentää.
– Ainoa vaihtoehto kehittää nopeampia mikroprosessoreita on vaihtaa yleisimmin käytetty pii-puolijohdemateriaali lähtökohtaisesti nopeampaan materiaaliin, jossa varauksenkuljettajat liikkuvat nopeammin.
Långin työssä tutkitut III-V-yhdistepuolijohteet, kuten gallium-arsenidi tai indium-arsenidi, ovat tärkeitä seuraavan sukupolven nopeampien transistorien kannalta, sillä niissä varauksenkuljettajat voivat liikkua jopa kymmeniä kertoja nopeammin. Näitä materiaaleja hyödyntämällä myös transistorit saadaan toimimaan moninkertaisella nopeudella.
– Nopeita III-V-materiaaleja ei ole aikaisemmin pystytty hyödyntämään tietokoneissa, sillä puolijohteen ja eristeen välisen rajapinnan laatu on ollut liian huonolaatuinen. Tämä rajapinta on transistorin toiminnan kannalta se kaikkein tärkein osa, koska virta kulkee sen läheisyydessä.
Keskeisin ongelma on liittynyt laitteiden kannalta haitalliseen reaktioon hapen ja III-V-materiaalin välillä. Reaktio tapahtuu väistämättä komponenttien prosessoinneissa. III-V-puolijohteiden tapauksessa syntyy huonolaatuinen, epäjärjestynyt rakenne, joka on elektronisilta ominaisuuksiltaan transistoreihin liian heikkolaatuinen.
Långin tutkimuksessa tähän puolijohdeteollisuutta monta vuosikymmentä vaivanneeseen ongelmaan löydettiin ratkaistu.
– Jos III-V-puolijohteen ja hapen reaktio tehdään kontrolloidusti tyhjiössä, saadaan aikaan sovellusten kannalta erittäin hyvänlaatuinen rajapinta. Löydetty menetelmä on lisäksi helposti integroitavissa muun muassa teolliseen mikroprosessorin valmistusprosessiin, Lång kertoo.
Långin uraauurtava tutkimus on jo poikinut laajaa kiinnostusta. Tutkimustuloksille haetaan kansainvälistä patenttia. Tutkimuksen tutkimusprojektia, joihin Turun yliopisto on valmistautunut osallistumaan merkittävällä panostuksella.
***
Lauantaina 19. lokakuuta 2013 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantum, auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Jouko Juho Kalevi Långin väitöskirja ”Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces”. Virallisena vastaväittäjänä toimii Robert M. Wallace Texasin yliopistosta, Dallasista, ja kustoksena professori Kalevi Kokko.
FM Jouko Juho Kalevi Lång on syntynyt vuonna 1984 Kankaanpäässä ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2003 Juhana Herttuan lukiosta. Hän on valmistunut filosofian maisteriksi 2009 Turun yliopistosta. Väitös kuuluu fysiikan alaan.