Modernios puslaidininkių technologijos: Lietuvos mokslininkų potencialas – pasaulinio lygio

Kartkartėmis spaudoje pasirodo straipsniai, žadantys perversmą šiuolaikinėje elektronikoje. Pastaruoju metu perspektyviomis laikomos ir plačiai mokslininkų vystomos grafeno, anglies nanovamzdelių, kvantinio kompiuterio temos. Tačiau tai yra tyrimai, kurių naudą geriausiu atveju pajusime gal tik po kokio dešimtmečio. Pasaulyje vykdomi ne tik tokios tolimos perspektyvos tyrimai, bet ir turintys naudos jau rytdienai, ir reikia pasidžiaugti Lietuvos mokslas šiame kontekste nėra išimtis.

Silicio pagrindu sukurtos puslaidininkių technologijos nulėmė ryšių ir skaičiavimo technikos revoliuciją. Šiandien mes plačiai naudojame tokius įrenginius, apie kurių atsiradimą prieš keletą dešimtmečių daugelis negalėjome net nutuokti. Mūsų kasdien naudojami įrenginiai savo skaičiavimo charakteristikomis prilygsta ar net lenkia pirmuosius superkompiuterius. Jiems jau nereikia didžiulių pastatų, milžiniškų elektros energijos kiekių ir aušinimo baseinų – jie tiesiog telpa mūsų delne. Pažvelgus iš šalies į visą mikroelektronikos raidą matome, kad elektronika vystosi matmenų mažinimo ir aukštesnių dažnių linkme.

Puslaidininkinis padėklas su dviem aukšto dažnio kontaktiniais zondais. Kontaktiniai zondai leidžia tirti puslaidininkinius prietaisus, esančius padėkle, jų neišpjaustant bei termokompresijos būdu (nedegraduojantis kontaktavimas) nemontuojat kontaktinių vielučių

Pastaruoju metų pasaulinėje elektronikos pramonėje vyksta svarbūs technologiniai pokyčiai. Sena jungtinio MOP (metalas-oksidas-puslaidininkis) darinio technologija, vyraujanti virš 30-ties metų ir jau nebetenkinanti įtaisų miniatiūrizacijos principų, gamyboje modifikuojama taikant mažesnio storio silicio-dielektriko (angl. Silicon on insulator (SOI)) darinius. IBM kompanijos 1998 metais įgyvendinta silicio-dielektriko technologija leis, dabartinėmis prognozėmis, mikroelektronikai vystytis pagal Mūro (Moore) dėsnį ir artimiausią dešimtmetį.

Mūro dėsnis buvo suformuluotas 1965 m. balandžio 16 d. Žurnale „Electronics Magazine“ pasirodė tuo metu mažai žinomo chemiko Gordono Mūro (Gordon Moore) tuometinės elektronikos industrijos apžvalga. Jis pažymėjo, jog „mikroschemose elementų skaičius dvigubės kiekvienais metais“. Vėliau G. Mūras, jau dirbdamas kompanijoje „Intel“, savo formuluotę kiek pakeitė ir padidino ciklo trukmę nuo vienerių iki dvejų metų.

Šiuo metu egzistuoja daugybė šio dėsnio variacijų. Turbūt vienas iš labiausiai žinomų buvo pasiūlytas kito „Intel“ prezidento David House: „Kompiuterinių procesorių produktyvumas išaugs dvigubai maždaug kas pusantrų metų“. Bet, išnaudojus visas silicio puslaidininkinių įtaisų matmenų mažinimo galimybes, elektronikos pramonei teks ieškoti naujų technologinių sprendimų.

Ši esminė silicio elektronikos problema žinoma jau pakankamai seniai; tiesiog mes gyvename laikotarpyje, kai naujos medžiagos ir technologijos palaipsniui veržiasi į milžinišką elektronikos rinką.

Pagrindiniai aktyvūs puslaidininkinių grandynų elementai buvo ir yra tranzistoriai: lauko ir dvipoliai. Daugelis naujoviškų puslaidininkių technologijų yra kuriamos įvairialyčių sandūrų pagrindu, ant vieno puslaidininkio kristalo užauginami kitokių puslaidininkių sluoksniai. Įvairialyčių sandūrų tranzistoriai, nors ir lenkia savo stiprinimo ir aukštadažnėmis charakteristikomis geriausius silicio prietaisus, tačiau jų grandynų gamybos apimtys nepalyginamai mažesnės.

Naujoviškų puslaidininkių technologijų plėtrą stabdo keletas aplinkybių. Pirma, tai tam tikras inertiškumas, kuomet susiduriama ne vien su technologiniais sunkumais įdiegiant naujas technologijas, bet ir su ribotais žmogiškaisiais resursais. Pavyzdžiui, iki šiol ruošiant grandynų inžinierius mokymo pagrindą sudaro silicio technologijai pritaikytų grandynų ir jų konstravimo įrankių nagrinėjimas.

Iš tiesų, naujų puslaidininkinių technologijų grandynai projektuojami tik keičiant seniai žinomose grandinėse silicio tranzistorius kitos technologijos tranzistoriais. Tačiau taip nepakankamai išnaudojamos naujų tranzistorių savybės. Antras veiksnys yra pačių įvairialyčių technologijų gausa. Šiuo metu žinomi ir gaminami giminingų mišrių kristalų elektroniniai įtaisai: SiGe (silicio germanio), GaAs (galio arsenido), InP (indžio fosfido), SiC (silicio karbido), GaN (galio nitrido), be to tiriami ir anglies nanovamzdelių, grafeno tranzistoriai.

Dar galima paminėti tai kad į silicio technologijų vystymąsi investuota daug pramonės ir viešųjų piniginių ir žmogiškųjų resursų. Visi šie veiksniai, bei kristalų sudėtinių elementų ir vienetinės (mažos serijinės) auginimo įrangos brangumas nulemia šių technologijų mažą užimamos elektronikos rinkos dalį. Vienok įvairialytės mišriųjų kristalų technologijos sėkmingai vystosi tam tikrose nišinėse elektronikos rinkos dalyse tokiose kaip: karinė, ryšio, energetikos bei transporto elektronika.

Sunku nuspėti kuri, iš naujoviškų puslaidininkinių technologijų pakeis dabartines silicio technologijas. Ar įmanoma sukurti technologiją pranokstančią šiuolaikinės elektronikos stabą Silicį ne tik savo įspūdingomis charakteristikomis, patikimumu, bet ir savikaina? Taigi, naujų technologijų kūrimas bei tobulinimas tampa ypač aktualus net ir neturint tikslo užimti vyraujančią poziciją artimos ateities pasaulinėje masinės elektronikos rinkoje. Jos gali atkovoti sau vietą kitose ne mažiau svarbiose ar net visiškai naujose nišose.

Silicio technologija savo laiku sukėlė tikrą revoliuciją ryšio ir skaičiavimo technikoje. Dabartinę situaciją mikroelektronikoje ekspertai vadina energetikos revoliucija. Vykdomi tyrimai vystant netaršią atsinaujinančią elektros gavybą, elektrines transporto sistemas, į automobilius diegiamos saugumo sistemos su integruotais radaro davikliais. Šių naujų elektronikos taikymo sričių netenkina gryno silicio grandynai dėl ribotų dažninių ir temperatūrinių savybių, nepakankamo valdomų srovių ir įtampų ruožo, galios ir kitų keliamų reikalavimų. Vis daugiau naudojami ir įvairialyčiai dariniai.

Medžiagotyroje medžiagos skirstomos pagal draudžiamųjų energijų tarpą (Eg), kuris nulemia pagrindines medžiagų savybes: medžiagos be draudžiamųjų energijų tarpo vadinamos metalais (laidininkai), su dideliu draudžiamųjų energijų tarpu – dielektrikais (izoliatoriai), o tarpines vadiname puslaidininkiais. Plataus draustinio tarpo (plačiatarpiai) puslaidininkiai yra tarp perspektyviausių medžiagų energetinėms problemoms spręsti. Plačiatarpiai puslaidininkiai naudojami regimos šviesos, mėlynos ir ultravioletinėje optoelektronikoje, spintronikoje, didelės galios ir aukštos temperatūros taikymuose.

Viena iš tokių medžiagų yra galio nitridas GaN (Eg = 3,5 eV), jo pagrindu buvo sukurti mėlynos šviesos šviestukai. Bet tai tik viena iš tokios medžiagos taikymo sričių. Šios medžiagos pagrindu pagaminti grandynai gali veikti didelės srovės ir aukštos įtampos, aukštų dažnių, didelės aplinkos temperatūros sąlygomis. GaN pagrindu sukurti įtaisai pasižymi didele sparta. Tranzistoriai gali veikti iki 200 GHz dažnių juostoje. Tokių įtaisų galią bei greitaveiką lemia juos sudarančių puslaidininkių savybės bei paties puslaidininkinio prietaiso matmenų mažinimas iki nanometrinių dydžių.

Antai, GaN lauko tranzistorius ir visas integrinis grandynas gaminami iš daugiasluoksnio darinio, kurį sudaro skirtingų, bet giminingų puslaidininkių nanometrinio storio sluoksniai. Šie sluoksniai kaitaliojami lyg sumuštinyje; ploniausiųjų storis siekia dešimt ar net kelis nanometrus. Šie įtaisai skirti didelės galios ir greitos veikos grandynams. Kadangi matmenys yra nanometriniai, tai juose išsiskiria dideli galios tankiai, vedantys į įtaiso charakteristikų degradaciją.

Fizinių ir technologijos mokslo centre esančiojoje Puslaidininkių fizikos instituto Fliuktuacinių reiškinių laboratorijoje, vadovaujamoje profesoriaus habilituoto daktaro Arvydo Matulionio, jau ne pirmi metai atliekami GaN ir kitų, tame tarpe plačiatarpių puslaidininkių darinių, eksperimentiniai ir teoriniai tyrimai. Buvo nustatyta, kad nevienalyčių puslaidininkių sandūroje su dvimatėmis elektronų dujomis, prie tam tikro jų tankio (~10¹³ cm^-2), įvyksta plazmonų ir fononų rezonansas.

Šio rezonanso metu išilginių optinių fononų pusamžis sutrumpėja, o susikaupusi šiluma efektyviausiai išsklaidoma. Tokiu būdu rezonansas gali sumažinti įtaisų perkaitimą, degradaciją, padidinti įtaisų greitaveiką. Šiuos tyrimus remia Lietuvos, Europos ir JAV mokslo fondai. Stažuotės, finansuojamos pagal Europos Sąjungos struktūrinių fondų įgyvendinamo projektą „Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje“, dėka pavyko sėkmingai prisidėti prie šių tyrimų. Atlikti Fliuktuacinių reiškinių laboratorijos partnerių iš JAV pagamintų tranzistorių tyrimai praplėtė vykdomų tyrimų tematiką ir patvirtino anksčiau gautas prielaidas. Iš tikrųjų, plazmonų ir fononų sąveika paaiškina ne tik šilumos sklaidą įvairialyčių lauko tranzistorių aktyviajame kanale, jų greitaveiką bei patikimumą, bet ir nulemia tolimesnį šių technologijų vystymąsi.