Neljän koplaus: Uusi puolijohde tulevaisuuden siruille

Forschungszentrum Jülichin ja Leibniz-instituutin innovatiivisen mikroelektroniikan (IHP) tutkijat ovat kehittäneet materiaalin, jota ei ole koskaan ennen ollut olemassa: stabiilin hiilen, piin, germaniumin ja tinan seoksen.

Uusi yhdiste, lyhennettynä CSiGeSn, avaa jännittäviä mahdollisuuksia sovelluksille elektroniikan, fotoniikan ja kvanttiteknologian rajapinnassa.

Tämän materiaalin erityispiirre on se, että kaikki neljä alkuainetta, kuten pii, kuuluvat jaksollisen järjestelmän ryhmään IV. Tämä varmistaa yhteensopivuuden siruteollisuudessa käytetyn standardin mukaisen valmistusmenetelmän, CMOS-prosessin, kanssa, mikä on ratkaiseva etu.

”Yhdistämällä nämä neljä elementtiä olemme saavuttaneet pitkäaikaisen tavoitteemme: lopullisen ryhmän IV puolijohteen”, selittää tohtori Dan Buca Jülichin tutkimuskeskuksesta.

Uusi seos mahdollistaa materiaalien ominaisuuksien hienosäädön siinä määrin, että se mahdollistaa komponenttien, jotka ylittävät pelkän piin ominaisuudet – esimerkiksi optisille komponenteille tai kvanttipiireille. Nämä rakenteet voidaan integroida suoraan sirulle valmistuksen aikana.

Dan Bucan tiimi yhdessä useiden tutkimusryhmien kanssa oli jo aiemmin onnistunut yhdistämään piitä, germaniumia ja tinaa kehittääkseen transistoreita, fotodetektoreita, lasereita, LEDejä ja lämpösähköisiä materiaaleja. Hiilen lisääminen tarjoaa nyt entistä paremman hallinnan kaistaeroon – avaintekijään, joka määrittää elektronisen ja fotonisen käyttäytymisen.

Pitkään tällaisen materiaalin valmistamista pidettiin käytännössä mahdottomana. Hiiliatomit ovat pieniä, kun taas tina-atomit ovat suuria, ja niiden sidosvoimat ovat hyvin erilaiset. Vain tuotantoprosessin tarkkojen muutosten avulla oli mahdollista yhdistää nämä vastakohdat – käyttämällä AIXTRON AG:n teollista CVD-järjestelmää. Erikoislaitteita ei tarvittu, vain laitteet, jotka olivat samanlaisia kuin sirujen valmistuksessa nykyiset vakiovarusteet.

Tuloksena on korkealaatuinen materiaali, jolla on tasainen koostumus. Tämä johti myös ensimmäiseen valoa emittoivaan diodiin, joka perustui kvanttikaivorakenteisiin, jotka oli valmistettu kaikista neljästä alkuaineesta – tärkeä askel kohti uusia optoelektronisia komponentteja.

”Materiaali tarjoaa ainutlaatuisen yhdistelmän viritettäviä optisia ominaisuuksia ja piin yhteensopivuutta”, sanoo professori Giovanni Capellini IHP:stä

Aiheesta aiemmin:

Wurtsiittiferrosähköistä elektroniikkaa

Kolme kertaa piitä parempi

Lasereita piisirulle ja hiukkaskiihdyttimiin