Tehokas menetelmä puolijohdepintojen passivointiin parantaa mikro- ja optoelektroniikan sovellusten toimivuutta (väitös: DI Jaakko Mäkelä, 22.2.2019, materiaalitiede)
Yhdistepuolijohteiden jaksollisesti järjestynyt kiteinen oksidipinta on käytännöllinen, helposti tuotettava ja monipuolinen rakenne puolijohdelaitteiden parantamiseksi. DI Jaakko Mäkelän väitöstutkimuksessa havaittiin merkittävät parannukset käytännön optoelektroniikan sovelluksessa, infrapunasensorissa, sekä mahdollisuus laajentaa tätä niin kutsuttua passivointimenetelmää laajemminkin puolijohdelaitteissa, joiden erilaisten pintojen kirjo on valtava.
Mäkelän väitöstutkimus on jatkumoa Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen materiaalifysiikan tutkimusryhmän vuosia jatkuneelle uraauurtavalle työlle puolijohdepintojen ja -rajapintojen parissa. Pinnan merkitys uusissa puolijohdelaitteissa on valtava, ja merkitys korostuu tulevaisuuden sovelluksissa, joissa pyritään yhä pienempiin rakenteisiin.
– Esimerkiksi jo toteutuneissa mikroprosessorien transistorirakenteissa on lähes yhtä paljon pinta-atomeja kuin sisäosan atomeja. Pinnan ominaisuudet ovat aina enemmän tai vähemmän erilaisia kuin materiaalin sisäosien, ja molempien räätälöiminen samanaikaisesti mahdollisimman hyväksi on haastavaa, koska pinta tai rajapinta luo poikkeavuuden jaksolliseen kiteeseen, josta materiaalin sisäosa koostuu, Mäkelä kertoo.
Ongelmalliset yhdistepuolijohdepinnat
Puolijohdepinnat ovat erittäin reaktiivisia ja spontaanit reaktiot ilman hapen kanssa tekevät muuten erinomaisista yhdistepuolijohteista, tarkemmin ottaen niiden pinnoista, lähes aina heikkolaatuisia laitteen sähköisten ominaisuuksien kannalta.
– Yhdistepuolijohteista valmistetaan paljolti optoelektroniikkaa kuten LEDejä, lasereita, valosensoreita ja aurinkokennoja, mutta ne olisivat myös houkutteleva vaihtoehto moniin sovelluksiin yleisimmin käytössä olevan piin rinnalle, sillä niillä on monia ylivertaisia ominaisuuksia. Tyypillisesti puolijohdelaitteiden valmistuksessa hapettuminen pyritään estämään, mutta perinteisissä laiteprosesseissa se on käytännössä erittäin vaikeaa tai usein jopa mahdotonta, Mäkelä sanoo.
Muutamia vuosia sitten materiaalifysiikan ryhmässä löydettiin keino valmistaa yhdistepuolijohteelle happea sisältävä kiteinen rakenne, joka parantaa valmistettavien laitteiden sähköisiä ominaisuuksia moninkertaisesti. Kyseisellä menetelmällä passivoidussa laiterakenteessa niin kutsuttuja vikatiloja on vain sadasosia siitä, mitä vastaavassa passivoimattomassa laitteessa.
– Lähestymistapa tarjoaa ratkaisun yhteen puolijohdeteollisuuden merkittävimmistä ongelmista. Siksi onkin tärkeää tutkia ilmiötä useilta eri kanteilta tarkoilla tutkimusmenetelmillämme, väittelijä toteaa.
Tarkkoja uusia tuloksia pintatieteen menetelmin
Koska kyse on atomimittakaavan rakenteista, välttämätön yksityiskohtainen tutkimustieto edellyttää erittäin pintaherkkiä tutkimusmenetelmiä ja vaativat koeolosuhteet. Tutkimuksessa hyödynnettiin esimerkiksi tunnelointimikroskopiaa lähes täydellisessä tyhjiössä.
– Näillä tutkimusmenetelmillä pystymme havainnoimaan pinnan uloimpien atomikerrosten kemiallista ja fyysistä rakennetta. Kun teemme pinnalle erilaisia käsittelyjä ja tutkimme niitä näillä menetelmillä, meillä on erinomaiset mahdollisuudet räätälöidä pintaa atomimittakaavassa. Tässäkin työssä olemme tutkineet pintaa, joka ei luonnostaan hapetu kiteiseksi, mutta samalla olemme pystyneet muokkaamaan prosessia sopivalla välikerroksella niin, että kiteinen oksidi saatiin syntymään. Vastaavaa rakennetta käytettiin myös infrapunasensorin tehokkuuden parantamiseen, Mäkelä kertoo.
Tutkimustulokset avaavat myös uusia mahdollisuuksia merkittävälle jatkokehitykselle. Vaikka saman aineen pinnan koostumus ja atomien järjestyneisyys ovat hyvin erilaisia eri suunnissa leikattua kidettä, tämä ei estä tehokasta passivointia kiteisellä oksidirakenteella.
– Havainto voi olla erittäin merkittävä tulevaisuuden teknologioiden kannalta. Pienet laiterakenteet, esimerkiksi lähitulevaisuuden mikroprosessorit, sisältävät luonnostaan aina useiden kidesuuntien pintoja, joiden passivointi voi olla pian hyvin ratkaisevassa asemassa seuraavien sukupolvien laitteiden energiatehokkuuden ja toiminnan kannalta, Mäkelä päättää.
***
DI Jaakko Mäkelä esittää väitöskirjansa ”Investigation and Suppression of Semiconductor–Oxide Related Defect States: From Surface Science to Device Tests” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 22.2.2019 klo 12 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku)
Vastaväittäjänä toimii professori Mats Göthelid (KTH Royal Institute of Technology, Ruotsi) ja kustoksena professori Kalevi Kokko (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on materiaalitiede.
Väittelijän yhteystiedot: p. 040 554 2822, jaakko.m.makela@utu.fi
