Kisebb, fagyállóbb, okosabb

Professor Daniel Hiller a technikai szobában, a központi tisztatéri labor alatt.

A KI-központú adatközpontok vagy kvantumszámítógépek számára a nano-transzisztorokat egyre kisebbé, hűtésállóbbá és hatékonyabbá kell tenni. Hogyan lehet ezeket a jövőben nanódrótokkal és kvantumfizikával gyártani, azt Professor Daniel Hiller magyarázza az interjúban. Mint DFG-támogatott Heisenberg-professzor, 2021 óta kutat és tanít az Freibergi Bányászati és Földtani Egyetem Alkalmazott Fizikai Intézetében. Pozitív értékelést követően Hiller hivatalosan 2026. augusztus 1-jével kinevezést kapott a Kvantumanyagok Fizikája professzúrára. 

Számítógépes chipekhez, napelemekhez, LED-ekhez, képérzékelőkhöz vagy sugárzásdetektorokhoz van rájuk szükség. De mit is jelentenek valójában a félvezetők?

A félvezetőket azért nevezik félvezetőknek, mert elektromos vezetőképességük az izolátorok, például az üveg, és a vezetők, például az fémek, közötti érték. Különösen fontos, hogy a félvezetők vezetőképességét céltudatosan lehet befolyásolni – ez egy döntő előny a napelemek és a mikroelektronika alkalmazásai számára. A fizika képes befolyásolni a félvezető anyagok tulajdonságait az atomos kristályszerkezetük célzott módosításával; ezt nevezik szennyeződéses dopálásnak.

A félvezető anyagok dopálási folyamatában elektronokat adnak hozzá vagy vonnak el. Mert csak egy szabad elektron, amely nem kötött a kristályszerkezethez, képes áramot szállítani. A szilícium félvezető esetében ilyen hagyományos szennyeződéses dopálás például foszfor, arszen vagy bór lehet.

Az új alkalmazások – különösen a kvantumszámítógépek esetében – a mikrochipek egyre kisebbé, hűtésállóbbá és hatékonyabbá kell váljanak, igaz?

Pontosan. A követelmény az, hogy a mikrochipeken lévő tranzisztorok térfogata csökkenjen, miközben a teljesítmény javul és az energiafogyasztás csökken! Körülbelül tíz éve a klasszikus szennyeződéses dopálással készült tranzisztorokat már nem lehet tovább miniaturizálni. Jellemző fizikai méreteik stagnálnak 15-20 nanométeren.

Egy másik kihívás a kvantumszámítógépek, amelyek általában közel az abszolút nulla fok (-273,15 Celsius-fok) hőmérsékleten működnek, hogy a qubitokat stabilan tartsák. A qubitok az alapvető információegységek, amelyeket az adatok kvantum-számítógépes kódolására használnak. Az adatok kvantumszámítógéppel való cseréjéhez azonban továbbra is a bevált elektronikával dolgozunk – amely viszont nincs kifejezetten erre a hidegre tervezve. Mivel a szokásos dopálásból származó szabad töltéshordozók ezekben a hőmérsékletekben megfagynak, elveszik a vezetőképesség irányításának lehetősége.

Milyen megoldásokat kínál a kvantummechanika ezekre az új igényekre?

Itt jön képbe az általunk kutatott modulációs dopálás. Ennek során a dopáló atomokat leegyszerűsítve nem a szilíciumba, hanem ultrafinom szilícium-dioxid rétegekbe helyezzük a felületükön. Annak ellenére, hogy ezek az izoláló tulajdonságokkal rendelkeznek, töltéstranszfert valósítunk meg nanódrótok és a kvantummechanikai alagutazás (tunneling) segítségével. Mivel eközben a félvezető kristályszerkezete változatlan marad, a töltéshordozók mobilitása megmarad, ami jó az energiahatékonyság szempontjából az eszközökben. Emellett a vezetőképesség extrém hidegen is megmarad.

Számos együttműködő partnerrel már sikeresen teszteltük az első modulációs dopálással készült tranzisztorokat. Még mindig nagy a kutatási és fejlesztési igény, hogy ultrakicsi tranzisztorokat valósítsunk meg optimalizált modulációs dopálással.

Mekkora az „ultrakicsi” ebben az esetben?

Ha sikerül 10 nanométernél rövidebb tranzisztorlengteket elérni, akkor teljesen új lehetőségek nyílnak az energiahatékonyság terén. Összehasonlításképpen: egy átlagos emberi hajszál kb. 0,1 milliméter vastag, azaz kb. 10 000-szer vastag.

Az új modulációs dopálási folyamatokat a Freibergi Egyetem Központi Szilárd Anyag Laboratóriumában végzik. Miért izgalmas ez a munka?

Legalább hetente egyszer magam is dolgozom a tisztatérben a modulációs dopálással különböző vékony réteges anyagokon, és tanulókat, valamint PhD-hallgatókat is kísérek. Amíg ausztráliai kollégákkal Canberra-ban számítógépes szimulációkkal nagyon megbízhatóan tudjuk kiszámítani és modellezni az új félvezető felület-funkcionalizációinak tulajdonságait, addig a kísérletekre van szükség a jóslatok ellenőrzéséhez. A tisztatérben a számítások szerint elkészítjük az anyagokat, majd mérjük a vezetőképességet vagy a töltéshordozó-koncentrációkat. Ezután levonjuk a következtetéseket arról, mi történt valójában az anyagban – és ezeket az eredményeket felhasználjuk a folyamatok további fejlesztéséhez.

A ultrakicsi nano-transzisztorok gyártásához a gyakorlati fizika hamarosan egy különleges berendezést kap: egy elektronsugaras litográfiai rendszert. Az új anyagokon végzett munka ezután még izgalmasabb lesz!