Väittelijän kehittämä menetelmä parantaa laitteiden energiatehokkuutta (Väitös: MSc Muhammad Yasir, 4.2.2017, fysiikka)

​Turun yliopiston tiedote 25.1.2017

Puolijohdekiteiden materiaalitutkimus ja siihen perustuva kehitystyö ovat usean nykyteknologian taustalla. Esimerkiksi informaatio- ja tietoliikenneteknologia perustuvat pitkälti puolijohdetransistoreihin ja -laserdiodeihin, ja valaistuksessa siirrytään yhä enemmän puolijohteista valmistettuihin ledilamppuihin. Samaan aikaan puolijohdeaurinkokennojen käyttö sähköntuotannossa kasvaa voimakkaasti.

– Vaikka puolijohdekiteitä hyödynnetään jo laajalti, niitä ja niiden sovelluksia myös tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti uusia ja energiatehokkaampia sovelluksia varten. Yhtenä tutkimus- ja kehityskohteena ovat laitteiden puolijohdepinnat, jotka sisältävät vieläkin suuren määrän haitallisia kidevirheitä huonontaen muun muassa laitteiden energiatehokkuutta, Yasir sanoo.

Puolijohdekiteitä ovat esimerkiksi pii (Si), galliumarsenidi (GaAs) ja galliumnitridi (GaN). Yleensä laitteiden puolijohdekiteet pinnoitetaan suojakerroksella kuten Al2O3-eristekalvolla.

– Ongelmana on ollut puolijohdepintojen reaktio eristekalvon ja sen valmistusympäristön kanssa sekä puolijohdepintojen hapettuminen jo ennen pinnoitusprosessia. Tämän kaltaiset pintareaktiot aiheuttavat elektronisia vikatiloja laitteiden puolijohdekiteiden pintaosiin heikentäen erityisesti laitteiden sähköisiä ominaisuuksia, Yasir toteaa.

Tutkimuksissa ongelmakohtien ymmärrys ja hallittu muokkaus ovat osoittautuneet hyvin haastaviksi. Pintojen reaktiota ympäristönsä kanssa on lähes mahdoton välttää laitteiden valmistusprosessin aikana, ja toisaalta puolijohdepintojen ominaisuuksia on vaikea tutkia, koska ne ovat ohuita kerroksia ja sijaitsevat yleensä erilaisten pinnoitteiden alla.

Väitöstutkimuksessaan Yasir lähestyi ongelmaa pintatieteen menetelmien avulla. Hän valmisti eristepinnoitteita puolijohdekiteiden päälle ja mittasi näiden eriste-puolijohderajapintojen ominaisuuksia.

– Pyrin valmistamaan erityisesti kiteisiä, hyvin määriteltyjä eristekalvon ja puolijohdekiteen muodostamia liitoksia, koska kiteisessä aineessa on luonnollisesti vähemmän pistemäisiä vikatiloja kuin vastaavassa amorfisessa aineessa. Käytännön laitteissa puolijohdepinnat ja -rajapinnat ovat vielä toistaiseksi olleet amorfisia johtuen pintojen reaktioista. Toisaalta kiteiset eriste-puolijohderajapinnat mahdollistavat ominaisuuksien tarkan tutkimuksen jopa atomitasolla, koska atomit ovat järjestyneet kiteessä pienen alkeiskopin mukaan säännöllisesti, Yasir kertoo.

Yasir keskittyi tutkimuksessaan Si-, Ge-, ja GaAs-puolijohteiden pintoihin, kun ne pinnoitetaan BaO-, Al2O3-, SiO2-, tai Sb2O3-eristekerroksilla. Tutkimuksessaan hän havaitsi, että ohuen kiteisen BaO-kerroksen kasvattaminen GaAs-kiteen päälle pienentää puolijohdepinnan kidevirheiden määrää. Si-pinta puolestaan voi hapettua yllättävän paljon säilyttäen silti kiteisyytensä BaO/Si-rajapinnassa. Ge-kiteiden tapauksessa metallin ja puolijohteen välinen reaktio on haitallinen.

***

MSc Muhammad Yasir esittää väitöskirjansa Atomic scale engineering and understanding of novel interfaces between oxide films and semiconductor crystals julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa lauantaina 4.2.2017 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorium, Vesilinnantie 5, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Greg Hughes (Dublin City University, Irlanti) ja kustoksena professori Edwin Kukk (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen.

MSc Muhammad Yasir on syntynyt vuonna 1982 Karachissa, Pakistanissa ja kirjoittanut ylioppilaaksi Ghazali Public Grammar School -lukiossa Pakistanissa 1998. Korkeakoulututkintonsa (MSc) Yasir suoritti Lundin yliopistossa Ruotsissa vuonna 2012. Väitöksen alana on fysiikka. Yasir työskentelee Turun yliopistossa tohtorikoulutettavana.

Väittelijän yhteystiedot: p. 03452369586, muhammad.a.yasir(at)utu.fi

Väittelijän kuva: https://apps.utu.fi/media/vaittelijat/yasir_muhammad.jpg

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/130566