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.

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.

Fliuktuacinių reiškinių laboratorija
Puslaidininkių fizikos institutas
Fizinių ir technologijos mokslų centras
A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius
http://www.ftmc.lt/

Komentarai (0)