Uusi tekniikka hätistelee piin asemaa

Germanium on tehokkaampi puolijohde kuin pii mutta piin käsittelyn edullisemmat kustannukset antoivat sille aikoinaan etulyöntiaseman elektroniikan perusmateriaalina.

Nyt uusi tutkimus esittelee taloudellisen menetelmän germaniumin kiteisen ohutkalvon kasvattamiseksi ja haastaa siten piin ylivaltaa.

"Tämä on ensimmäinen kerta, kun venyttämätön puolijohteen van der Waals epitaksiaa on osoitettu," toteaa tohtorikoulutettava Aaron Littlejohn Rensselaer Polytechnic Institutesta. "Tutkimuksemme löysi kapean ikkunan, hyvin erityisistä olosuhteista, jotka toimivat."

Tekniikka tuottaa joustavan germaniumin, joka voidaan poistaa substraatista. Se voisi toimia myös alustana myöhempää lisäaineiden kerryttämistä varten joustaville transistoreille ja aurinkokennoille tai jopa puettaville optoelektroniikalle.

Perinteisesti puolijohdevalmistajat hyödyntävät epitaksiaa puolijohteiden ja niiden kerrosten tuottamiseksi. Täysin yhteensopivat kerrokset tuottavat optimaalisen varauskuljettajien liikkuvuuden. Jos puolijohteen ja substraatin atomiset jaksot eivät aivan täsmää, tavanomainen epitaksia luo vähemmän tehokkaan materiaalin.

Germaniumilla on vain vähän hyviä yhteensopivia sovituksia ja ne, jotka ovat olemassa, kuten galliumarsenidi, ovat kalliita.

Ongelman ratkaisemiseksi tutkijat kasvattivat germaniumkalvon kiillealustalle. Tässä materiaalissa atomeilla ei ole kerroksittaisia kemiallisia sidoksia. Kiillekerroksen pinta ei myöskään sisällä riippuvia sidoksia, joten sille kerrostuneella germaniumilla ei ole kemiallisesti sidoksia kiilteen jaksollisuuteen.

Sen sijaan germaniumatomien järjestelyä ohjaavat van der Waalsin voimat eli neutraalien atomien heikot vuorovaikutukset. Tämä mahdollistaa germaniumin kasvavan relaksoituneeksi kalvoksi huolimatta näiden kahden materiaalin erilaisista kiderakenteista (23 prosentin ero atomiväleissä).

"Aiemmat tutkimukset viittasivat siihen, että puhtaita puolijohteita ei voida epitaksisesti kasvattaa kiilteelle käyttäen van der Waals -voimia millään lämpötilalla, mutta olemme nyt osoittaneet toisin", toteaa Littlejohn.

"Nyt ennakoimme, että myös muita ei-kerrostettuja alkuaineita tai seostettuja materiaaleja voidaan kasvattaa kiilteelle van der Waals -epitaksian kautta."