Puslaidininkių fizikos tendencijos - nuo tranzistorių iki saulės elementų

Iš puslaidininkinio kristalo silicio gaminami kompiuterių lustai, saulės elementai ir daugybė kitų įvairiausių elektronikos prietaisų. Bendra jų metinė apyvarta viršija vieną trilijoną dolerių.

Neseniai Vilniuje vykusioje XV Tarptautinėje puslaidininkinių ir izoliuojančių medžiagų konferencijoje („Semiconducting and Insulating Materials Conference“, SIMC-XV) apie silicį buvo kalbama palyginti mažai - daugiausia dėmesio skirta ateityje silicį pakeisiančioms medžiagoms.

Į konferenciją susirinko apie šimtą mokslininkų iš daugiau nei dvidešimties pasaulio šalių. Per beveik 30 metų SIMC-XV spėjo apkeliauti keturis žemynus, dvylika šalių, o tai, kad šiam moksliniam renginiui šįkart buvo pasirinkta Lietuva, galima laikyti - kaip tai mėgsta daryti milijonus litų kainuojančių antraeilių politinių šou organizatoriai - aukštu mūsų mokslininkų laimėjimų įvertinimu. Susilaikykime nuo šių laimėjimų aptarimo, tačiau verta konstatuoti, kad nuo pat nepriklausomybės atkūrimo Lietuvoje vargu ar buvo vienu metu susirinkę tiek daug aukščiausios klasės mokslininkų.

Brangstant energijai

Silicį dabar daugiausia tiria elektronikos pramonės milžinų laboratorijos, kuriose stengiamasi į kiekvieną jo lustą sugrūsti kuo daugiau tranzistorių ar kuo labiau sumažinti saulės elementų kainą. Iš silicį pakeisiančių medžiagų pagaminti prietaisai gali daryti tai, ko negeba silicis. Pavyzdžiui, generuoti mikrobangas ar šviesos pluoštelius, kaip tai daro mobiliuosiuose telefonuose esantys tranzistoriai ar kompaktinių plokštelių grotuvų lazeriniai diodai. Šie prietaisai jau senokai gaminami iš kitų, ne silicio, puslaidininkių - vadinamųjų trečiosios ir penktosios Mendelejevo sistemos elementų junginių, arba, moksliškai kalbant, A3B5 medžiagų. Kol kas tų prietaisų kasmet pasaulyje yra parduodama už maždaug 20 mlrd. dolerių, tačiau ši rinka plečiasi gerokai dinamiškiau nei tradicinė elektronikos rinka. Ir šiuo atveju pažangą skatina su energijos išteklių brangimu susijusios problemos.

Per konferenciją buvo nagrinėjamos dvi šių problemų grupės: iš kokių medžiagų galima sukurti efektyvesnius už kaitrines ar liuminescencines lemputes šviesos šaltinius ir kokios medžiagos leistų pagaminti našesnius saulės elementus - prietaisus, verčiančius saulės šviesą elektra. Panašias šviesos ir elektros sąveikos medžiagoje problemas nagrinėjantis mokslas yra vadinamas optoelektronika, taigi šiųmetėje konferencijoje daugiausia buvo nagrinėjami optoelektronikos mokslo klausimai.

Šviestukų laikas

Optoelektronikos prietaisą sudaro nuo kelių iki kelių tūkstančių plonų, kartais vos kelių atomų storio, įvairių puslaidininkių sluoksnių, užaugintų ant kristalinio padėklo. Tam reikia ir šiuolaikinių technologinių įrenginių, ir (o tai ne mažiau svarbu) tinkamų aukštos kokybės padėklų. Pirmosiose SIM konferencijose daugiausia dėmesio buvo skiriama pastarosios problemos sprendimui. Būtent tada atsirado galio arsenido, ant kurio pagrindo dabar yra auginami daugumos mikrobanginių prietaisų dariniai, ir indžio fosfido - visų optiniam ryšiui skirtų prietaisų pagrindo, technologijos.

Tūrinių kristalų - iš kurių galima pagaminti geros kokybės padėklus optoelektronikos prietaisų dariniams - technologijos problemos buvo nagrinėjamos ir SIMC-XV. Šiuo metu didžiausias iššūkis yra kristalai, ant kurių galima užauginti geros kokybės ir kuo pigesnius darinius šviestukams - prietaisams elektros srovę verčiantiems mėlyna ar ultravioletine šviesa.

Šviestukai, kuriuos ilgai buvo galima aptikti vien įvairių elektronikos prietaisų indikatorinėse lemputėse ar pirmuosiuose kalkuliatoriuose, į mūsų gyvenimą įsiveržė gana netikėtai. Nieko dabar nebestebina ryškiai spinduliuojantys šviesoforai ar didelės švieslentės ant Nacionalinio operos ir baleto teatro Vilniuje - juose įrengti galingi puslaidininkiniai šviestukai. Netruks praeiti keleri metai ir iš puslaidininkinių šviestukų surinktas apšvietimo lemputes suksime į šviestuvų lizdus savo namuose. Naujosios lemputės leis gerokai sumažinti sąskaitas už elektrą, o ir keisti jas reikės ne dažniau kaip kas 10-15 metų.

Vadinamiesiems nitridams, iš kurių yra gaminami baltieji šviestukai, buvo skirti net keli konferencijos posėdžiai. Apie proveržius nitridų technologijos srityje savo pranešimuose pasakojo profesoriai Yasushi Nanishi ir Hiroshi Amano iš Japonijos, taip pat Švedijos, Vokietijos, kitų šalių mokslininkai. O Robertas Dwilinskis iš Lenkijos, neseniai apgynęs daktaro disertaciją Varšuvos universitete, į Vilnių atvyko jau kaip savo įkurtos įmonės „Ammono SpA“ direktorius.

Taikant originalią technologiją įmonėje auginami didelio skersmens kristalai šviestukų ir lazerių iš nitridų dariniams. Kristalo dydis šiuo atveju yra labai svarbus, nes nuo jo tiesiogiai priklauso galutinė gaminio kaina. Kompiuteriuose ir buitiniuose prietaisuose naudojama silicio elektronika yra pigi, nes naudojami padėklai dabar yra net 40 centimetrų skersmens, todėl per vieną technologinių procesų seką iškart pagaminama daugiau kaip tūkstantis lustų. „Ammono SpA“ gaminamų galio nitrido padėklų skersmuo kol kas siekia vos 10 centimetrų, bet ir tokių šviestukų pramonė iki šiol neturėjo, o naujoji įmonės technologija dar neišsėmė visų savo galimybių.

Dėl pigesnės saulės

Kita vertus, gaminant saulės elementus geriausiai būtų išvis nekreipti dėmesio į pagrindą, ant kurio auginami juos sudarantys puslaidininkio sluoksniai. Šiuo metu beveik visi saulės elementai yra gaminami iš to paties silicio. Nors pasaulyje kasmet yra instaliuojama tiek saulės elementų, kad jų bendra maksimaliai generuojamos elektros galia prilygsta dviejų Ignalinos AE galiai, jie dar negali konkuruoti rinkoje su kitais elektros energijos šaltiniais. Tarkime, 1 kvadratinio metro ploto saulės elementų baterija, kainuojanti apie 8,5 tūkst. litų, Lietuvoje per metus pagamintų tūkstantį kilovatvalandžių elektros energijos už maždaug 300 litų. Taigi laukti, kol investicija į saulės energetiką atsipirks, mums tektų apie 30 metų. Taip yra todėl, kad silicio elementas efektyviai verčia elektra tik nedidelę saulės spinduliuojamo spektro dalį - daugiausia raudonąją, todėl tik apie 15 proc. visos šviesos energijos virsta elektra. Norint šią dalį padidinti, reikėtų elementą pagaminti iš kelių skirtingų medžiagų sluoksnių. Jeigu, pavyzdžiui, elemente būtų panaudotos ne viena, o keturias medžiagas, jo našumas išaugtų net keturis kartus. Vėlgi - visos šios medžiagos turi būti gerai suderintos viena su kita, o kiekviena turi kuo efektyviau sugerti jai „priskirtą“ saulės spektro sritį.

Atrodo, kad ir čia gali pagelbėti nitridai. Kolegų iš Berklio universiteto Kalifornijoje ir Vokietijos Marburgo universiteto konferencijoje skaityti pranešimai rodo, kad keičiant šių medžiagų sudėtį jų jautris šviesai perkeliauja per visą saulės spektrą, nuo infraraudonosios jo dalies iki ultravioleto.

Užmaršios nanovielelės

Ir, aišku, kokia šiais laikais medžiagų mokslo konferencija, jeigu joje nekalbama apie nanotechnologijas. Būtų ir nebūtų dalykų apie jas yra prirašyta ir populiariojoje žiniasklaidoje; ploni, kelių nanometrų (milijardinių metro dalių) storio puslaidininkio sluoksniai (kvantinės duobės) ir tokio pat dydžio puslaidininkiniai kristaliukai (kvantiniai taškai) dabar jau yra pramonės realybė, iš jų yra gaminami efektyvūs lazeriniai diodai, jautrūs fotodetektoriai ir kiti optoelektronikos prietaisai.

SIMC-XV daugiausia dėmesio sulaukė dar vieni nanometrų dydžio objektai, vadinamosios kvantinės gijos - plonos ir ilgos puslaidininkio vielelės. Naujiena yra tai, kad tokioms vielelėms iš esmės nebesvarbu, ant ko jos yra auginamos. Su padėklu liečiasi vos kelios dešimtys nanovielelės pagrinde esančių puslaidininkio atomų, todėl jie nesunkiai prisiderina prie bet kurios padėklo medžiagos atomų konfigūracijos, o toliau nuo šios ribos esanti darinio dalis paprasčiausiai „pamiršta“, ant ko jis buvo užaugintas. Žinoma, tai pasiekti galima tik tiksliai kontroliuojant visus technologinius režimus. Konferencijoje apie naujas nanovielelių auginimo technologijas apžvalginius pranešimus skaitė Australijos nacionalinio universiteto Kanberoje profesorius Chennupati Jagadishas bei profesorius Martinas Eickhoffas iš Vokietijos.

Lietuvių žodis

Konferencijose dalyvavo ir gausus Lietuvos būrys mokslininkų iš Puslaidininkių fizikos instituto ir Vilniaus universiteto (VU). Tai nėra nuostabu, nes puslaidininkių ir apskritai kietųjų kūnų fizika yra viena stipriausių mūsų mokslo sričių. Pastaraisiais metais mūsų šalyje labai suintensyvėjo ir optoelektronikos mokslo veikla: šiemet šios srities darbams buvo skirtos net trys Lietuvos mokslo premijos, o studijuoti neseniai VU įkurtoje optoelektronikos magistrantūroje pareiškė norą dešimt kartų daugiau studentų, nei yra vietų.

Daugelis lietuvių pranešimų konferencijoje sulaukė gero įvertinimo. Tokią kolegų iš užsienio nuomonę perdavė vienas tituluočiausių konferencijos dalyvių prof. Ch.Jagadishas, per paskutinį posėdį sakydamas baigiamąjį žodį. Jis taip pat linkėjo Lietuvai neprarasti tokio gero mokslinio potencialo.

Kai prieš porą metų sužinojome, kad eilinę SIM konferenciją nutarta rengti Vilniuje, niekas nė nenujautė, jog artėja ekonominė krizė ar kad Lietuvos oro linijomis Vilnius taps sunkiai pasiekiamu miestu. Vis dėlto konferencija įvyko - ir be didesnės paramos iš išorės. Ją parėmė vien JAV Karinio jūrų laivyno mokslinė agentūra ir kelios nedidelės Lietuvos įmonės, kurioms aukštosios technologijos nėra tušti žodžiai.

Arūnas Krotkus,
Puslaidininkių fizikos instituto profesorius