Mały, odporny na zimno, sprytny

Profesor Daniel Hiller w pomieszczeniu technicznym pod centralnym laboratorium czystym.

Dla centrów obliczeniowych KI lub komputerów kwantowych nanotranzystory muszą być coraz mniejsze, chłodzone i bardziej wydajne. Jak można je w przyszłości produkować za pomocą nanowłókien i fizyki kwantowej, wyjaśnia profesor Daniel Hiller w wywiadzie. Jako profesor wspierany przez DFG w ramach programu Heisenberga, od 2021 roku prowadzi badania i wykłada na Instytucie Fizyki Stosowanej na TU Bergakademie Freiberg. Po pozytywnej ocenie został oficjalnie powołany na stanowisko profesora fizyki materiałów kwantowych od 1 sierpnia 2026 roku. 

Potrzebujemy ich do fotowoltaiki, tranzystorów do chipów komputerowych, diod LED, sensorów obrazowych czy detektorów promieniowania. Ale czym właściwie są półprzewodniki?

Półprzewodniki nazywają się tak, ponieważ ich przewodność elektryczna znajduje się pomiędzy przewodnością izolatorów, takich jak na przykład szkło, a przewodnością przewodników, takich jak metale. Szczególnie ważne jest, że przewodność półprzewodników można celowo modyfikować – jest to kluczowa zaleta dla zastosowań w fotowoltaice i mikroelektronice. Fizyka może wpływać na właściwości materiałów półprzewodnikowych poprzez celowe zmiany ich atomowej sieci krystalicznej; nazywamy to domieszkowaniem zanieczyszczeń.

W procesie domieszkowania materiałów półprzewodnikowych wprowadzane są elektrony lub „usuwane”. Ponieważ tylko wolny elektron, który nie jest związany w strukturze krystalicznej, może przewodzić prąd. Dla półprzewodnika jak krzem, takie konwencjonalne domieszki zanieczyszczeń mogą być na przykład fosfor, arsen lub bor.

Do nowych zastosowań – szczególnie w komputerach kwantowych – mikroprocesory muszą być coraz mniejsze, chłodzone i bardziej wydajne, prawda?

Dokładnie. Wymaganiem jest mniejsza objętość tranzystorów na mikroprocesorach przy jednoczesnej lepszej wydajności i mniejszym zużyciu energii! Od około dziesięciu lat tranzystory produkowane klasycznym domieszkowaniem nie mogą być już dalej miniaturyzowane. Ich charakterystyczne wymiary fizyczne zatrzymały się na poziomie 15-20 nanometrów.

Kolejnym wyzwaniem są komputery kwantowe, które muszą być zazwyczaj obsługiwane w temperaturze bliskiej temperaturze zera absolutnego -273,15 stopni Celsjusza, aby utrzymać stabilność kubitów. Kubity to podstawowe jednostki informacji używane do kodowania danych w obliczeniach kwantowych. Aby wymieniać dane z komputerem kwantowym, nadal będzie się korzystać z sprawdzonej elektroniki – która z kolei nie jest przystosowana do pracy w tak niskich temperaturach. Ponieważ nośniki ładunku z konwencjonalnego domieszkowania półprzewodnika zamarzają w tych temperaturach, tracimy kontrolę nad przewodnością.

Jakie rozwiązania ma fizyka kwantowa dla tych nowych wymagań?

W tym miejscu pojawia się nasza badana modulacyjna domieszka. Polega ona na tym, że atomy domieszkowe, mówiąc w uproszczeniu, nie są wbudowywane bezpośrednio w krzem, lecz w ultracienkie warstwy dwutlenku krzemu na ich powierzchni. Aby mimo ich izolujących właściwości umożliwić transfer ładunku, korzystamy z nanowłókien i zjawiska tunelowania kwantowego. Ponieważ przy tym zachowuje się struktura krystaliczna półprzewodnika, mobilność nośników ładunku jest zachowana, co jest korzystne dla efektywności energetycznej elementów. Dodatkowo przewodność pozostaje zachowana nawet w ekstremalnym chłodzie.

Wspólnie z różnymi partnerami kooperacyjnymi udało nam się już pomyślnie przetestować pierwsze tranzystory z modulacyjną domieszką. Jednak nadal istnieje duży zapotrzebowanie na badania i rozwój, aby zrealizować ultrakrótkie tranzystory z optymalizowaną modulacyjną domieszką.

Jak małe jest „ultrakrótkie” w tym celu?

Jeśli uda się osiągnąć długości tranzystorów poniżej 10 nanometrów, otworzą się zupełnie nowe możliwości dla efektywności energetycznej obliczeń. Dla porównania: średnio włos człowieka ma około 0,1 milimetra, czyli jest około 10 000 razy grubszy.

Nowe procesy modulacyjnego domieszkowania są prowadzone w Centralnym Laboratorium Czystości na TU Bergakademie Freiberg. Dlaczego praca nad nimi jest tak fascynująca?

Pracuję osobiście co najmniej raz w tygodniu w laboratorium czystości nad modulacyjnym domieszkowaniem z różnymi cienkimi warstwami materiałów i towarzyszę studentom oraz doktorantom. Podczas gdy wspólnie z kolegą z australijskiego Canberry bardzo wiarygodnie obliczamy i modelujemy właściwości nowych funkcji powierzchni półprzewodników za pomocą symulacji komputerowych, potrzebujemy eksperymentu, aby zweryfikować te przewidywania. W laboratorium czystości budujemy materiały według obliczonego „przepisu” i następnie mierzymy przewodność lub stężenie nośników ładunku. Potem wyciągamy wnioski, co faktycznie działo się w materiale – i wykorzystujemy te spostrzeżenia do dalszego rozwoju procesów.

W produkcji ultrakrótkich nanotranzystorów fizyka stosowana wkrótce otrzyma specjalne urządzenie: system litografii wiązką elektronów. Praca nad nowymi materiałami z pewnością stanie się jeszcze bardziej fascynująca!