Väittelijä kehitti tyhjiötekniikalla ratkaisuja tulevaisuuden elektroniikkaan (Väitös: FM Johnny Dahl, 17.1.2015, fysiikka)
Alkuaineista yhdistetyt III-V -puolijohteet korvaavat tulevaisuudessa todennäköisesti piin huippunopean elektroniikan johdemateriaalina. Turun yliopistossa väittelevän Johnny Dahlin tutkimuksessa tyhjiötekniikka osoittautui potentiaaliseksi ratkaisuksi yhdistepuolijohteiden kidevirheiden vähentämiseen.
Turun yliopiston tiedote 8.1.2015
Dahlin mukaan edessämme on elektroniikan vallankumous, kun yhdistepuolijohteisiin liittyvät ongelmat saadaan ratkaistua. Elektronien liikkuvuus voi III- ja V-ryhmien alkuaineista yhdistetyissä puolijohteissa olla jopa monikymmenkertainen piihin verrattuna. Tämä kasvattaisi valtavasti mikroprosessorien laskentatehoa.
– Piin tulevaisuus huippunopean elektroniikan johdemateriaalina tulee lähitulevaisuudessa päättymään. Transistoreja ei voida pienentää loputtomiin ja siksi täytyy etsiä vaihtoehtoisia materiaaleja. Tällä hetkellä III-V -yhdistepuolijohteet ovat selvästi lupaavin vaihtoehto piille, Dahl sanoo.
Paljon kidevirheitä sisältävät rajapinnat ovat olennaisin syy sille, ettei III-V -materiaaleja ole pystytty vielä hyödyntämään laajemmin. Rajapintojen kidevirheitä ymmärtämällä voidaan kuitenkin kehittää nopeampia ja luotettavampia komponentteja. Dahl keskittyi väitöstutkimuksessaan juuri rajapintojen kidevirheiden tunnistamiseen ja vähentämiseen.
Tyhjiötekniikalla puolijohteen ominaisuuksia voi kontrolloida paremmin
Yksi syy puolijohteiden rajapintojen huonolaatuisuuteen on III-V -kiteiden pintojen taipumus reagoida voimakkaasti hapen kanssa. Dahl hyödynsi tutkimuksessaan tyhjiötekniikkaa, joka osoittautui potentiaaliseksi ratkaisuksi kidevirheiden vähentämiseen.
– Kun rajapinta valmistetaan tyhjiössä, happi ei pääse reagoimaan puolijohteen kanssa ja rajapinnan ominaisuuksia pystytään kontrolloimaan paremmin, Dahl kertoo.
Dahl keskittyi tutkimuksessaan galliumarsenidin (GaAs) muodostamiin rajapintoihin, mutta tutki myös uusien materiaalien indiumnitridin (InN) ja galliumarsenidinitridin (GaAsN) ominaisuuksia. Hän teki tutkimusta kokeellisin menetelmin hyödyntäen tyhjiötekniikkaan perustuvia pintatieteen laitteita.
Yhdistepuolijohteita käytetään jo aurinkokennoissa, ledeissä ja lasereissa
Galliumarsenidia hyödynnetään jo tänä päivänä esimerkiksi aurinkokennoissa, ledeissä ja lasereissa sekä matkapuhelimien transistoreissa. Mikroprosessorin vaatiman korkeatasoisen eristehilatransistorin valmistaminen ei ole kuitenkaan vielä onnistunut.
– Rajapintojen kidevirheiden tunnistaminen ja muokkaus atomitarkkuudella on haastavaa. Tämä tieto on kuitenkin välttämätöntä, jotta rajapinnoista saadaan riittävän hyviä elektroniikan tarpeisiin. Rajapintojen merkitys kasvaa jatkuvasti kehittyvän nanoteknologian myötä, Dahl toteaa.
Dahlin tutkimus on osa laajempaa hanketta, jossa etsitään ratkaisuja elektroniikan ajankohtaisiin ongelmiin. Tämän hankkeen pohjalta on tehty keksintö kiteisiin III-V oksideihin liittyen, jolle on haettu Turun yliopiston johdolla patenttisuojaa ympäri maailmaa.
***
Lauantaina 17. tammikuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Quantum, auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi filosofian maisteri Johnny Pekka Valtteri Dahlin väitöskirja ”Spectroscopic studies of III-V semiconductor materials for improved devices” (Spektroskooppisia mittauksia III-V puolijohdemateriaaleista elektroniikan tarpeisiin). Virallisena vastaväittäjänä toimii Marko Huttula Oulun yliopistosta ja kustoksena professori Kalevi Kokko.
FM Johnny Dahl on syntynyt vuonna 1983 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2002 Kaarinan lukiosta. Hän on valmistunut filosofian maisteriksi 2009 Turun yliopistosta. Väitös kuuluu fysiikan alaan.
Väitöskirjan myynti: Turun yliopiston verkkokauppa UTUshop, https://utushop.utu.fi/c/2-annales-universitatis-turkuensis/