Turun yliopistossa väittelevän Johnny Dahlin tutkimuksessa tyhjiötekniikka osoittautui potentiaaliseksi ratkaisuksi yhdistepuolijohteiden kidevirheiden vähentämiseen. Väittelijän 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, Dahl toteaa väitöstiedotteessaan.
Hänen mukaansa 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.
Tyhjiötekniikka avuksi
Yksi syy puolijohteiden rajapintojen huonolaatuisuuteen on III-V -kiteiden pintojen taipumus reagoida voimakkaasti hapen kanssa. Dahl hyödynsi tutkimuksessaan tyhjiötekniikkaa, joka osoittautui mahdolliseksi 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.
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 kertoo.
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.
FM Johnny Dahlin väitöskirja Spectroscopic studies of III-V semiconductor materials for improved devices tarkastetaan lauantaina 17. tammikuuta Turun yliopistossa.
