Szupravezető chipek a megvalósulás küszöbén

2009.07.27. 8:48

A legtöbb kémiai elem - sőt nagy nyomáson még a nemfémes anyagok is - vezetővé válnak alacsony hőmérsékleten. Eddig azonban a rezet, az ezüstöt, az aranyat és a félvezetőket, mint például a germániumot nem sikerült szupravezető állapotba hozni. Ebben értek el most sikereket a Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) Kutatóközpont tudósai, akik először állítottak elő szupravezető germániumot. A kutatók emellett a szupravezető félvezetők néhány rejtélyére is fényt derítettek.

A szupravezetők azok az anyagok, melyek nagyon alacsony hőmérsékletre lehűtve veszteség nélkül vezetik az elektromosságot. A tiszta félvezetők, mint a szilícium vagy a germánium gyakorlatilag szigetelők kis hőmérsékleten, de idegen atomokkal szennyezve vezetővé válnak. Ennek egyik kidolgozott módja ionok (elektromosan töltésű atomok) bevitele a félvezető kristályrácsába.

A szupravezető félvezető előállításához rendkívül sok idegen atom bevitele szükséges, még annál is több, amennyit az anyag befogadni képes. Az FDZ-nél a germánium-mintákat hat galliumatommal szennyezték 100 germánium-atomonként. Ezekkel a kísérletekkel elérték, hogy a mindössze hatvan nanométer vastagságú germániumréteg szupravezető lett, és nem csak az idegen atomok halmazai, melyek könnyen kialakulnak extrém szennyezés során.

Mivel a germánium-kristályrács súlyosan károsodik az ionok behelyezésekor, később azt ki kell javítani. Ebből a célból egy hőkezelő villanólámpát fejlesztettek ki az FDZ-nél. Ennek alkalmazása lehetővé teszi a sérült kristályszerkezet javulását a minta felszínének gyors (pár milliszekundum alatti) melegítésével, miközben a szennyező atomok eloszlása szinte változatlan marad.

Az újonnan kifejlesztett anyag tudományos szempontból nagyon ígéretes. Meglepően magas kritikus mágneses mezőt mutat a hőmérséklet szempontjából, ahol az anyag szupravezetővé válik. Sok anyagnál a szupravezetés csak nagyon alacsony hőmérsékleten alakul ki, kevéssel a -273 Celsius-fokos, azaz a 0 Kelvines abszolút nulla pont felett.

Forrás: FZD

A szupravezető germániumréteg előállítása. 1. A "szennyező" galliumatomok bevitele. 2. A kristályszerkezet sérüléseinek javítása villanófénnyel. 3. A kristály 0,5 kelvin alatt szupravezető

A germánium-mintát szennyező gallium körülbelül 0,5 Kelvinen válik szupravezetővé, azonban az FZD kutató a hőmérséklet további növekedését várják az ionok  beültetési vagy a hőkezelési paraméterek módosításával.

A fizikusok már régóta álmodoztak a szupravezető félvezetőkről, de csak kevés esélyt láttak arra, hogy a félvezető germánium szupravezetővé válhasson. A germánium volt a tranzisztorok első generációjának anyaga, azonban hamarosan a szilícium, a mikroelektronika máig bevált anyaga helyettesítette. Mostanában az "öreg" félvezető germánium ismét egyre érdekesebb, mivel a szilíciummal összehasonlítva gyorsabb áramköröket tesz lehetővé.

A szakértők abban is bíznak, hogy a germániumot a mikro- és a nanoelektronika számára is újra felfedezik. Ennek az újjászületésnek az oka az, hogy a szilíciumot használó miniatürizálás a mikroelektronikában a végéhez közeledik. Ma rendkívül vékony oxidrétegek szükségesek a tranzisztorokhoz, olyanok, amelyeknél a szilícium-oxid már nem működik jól. A germánium, mint a chipek új anyaga két nagy előnnyel rendelkezik: gyorsabb folyamatokat és további miniatürizálást tesz lehetővé a mikro- és nanoelektronikában. A szupravezető germánium így segíthet az újfajta számítógépek áramköreinek megvalósításában.

A Forschungszentrum Dresden-Rossendorf tudósai egy célzott közelítést/szemléletet (targeted approach) követtek, amikor  új szupravezető félvezetőt kerestek. A bórral való szennyezés helyett (ami szupravezető szilíciumot eredményezett két évvel ezelőtt Franciaországban) a galliumot választották, mert annak nagyobb az oldhatósága a germániumban. Rendszeres kísérletek sorával igazolták, hogy a germánium szupravezetése visszaadható. Azt is meg tudták mutatni, hogy a szupravezetés kezdetét jelző átmeneti hőmérséklet bizonyos korlátok között emelhető.

Posztobányi Kálmán

KAPCSOLÓDÓ CIKKEK