Väitös: Yhä pienempien ja tehokkaampien sirujen valmistus mahdollista patentoidun uuden teknologian avulla

Puolijohteet ovat ratkaisevan tärkeässä roolissa lähes kaikessa nykypäivän elektroniikassa. Niiden varassa toimivat esimerkiksi satelliitit, teollisuuden tuotantojärjestelmät, lääketieteelliset laitteet, tietokoneet ja muut älylaitteet, kodinelektroniikka sekä liikennevälineet. Yhteiskuntamme ei toimisi normaalisti ilman niitä.

Puolijohteita käytetään laitteissa, jotka liittyvät yhteiskuntien keskeisiin infrastruktuureihin. Esimerkiksi palvelimen paikallinen häiriö voi vaikuttaa välittömästi toisella mantereella asuvien ihmisten elämään. Puolijohteiden keskeinen rooli on synnyttänyt runsaasti uutta tutkimusta niin akateemisessa maailmassa kuin teollisuudessakin.

Alan strategisen merkityksen vuoksi myös hallitukset ovat alkaneet sijoittaa alaan sekä säätää siihen liittyviä lakeja, kuten Euroopan sirulakia. Puolijohdeteollisuus kattaa lukuisia eri aloja ja toimintoja, kuten raaka-aineiden louhinnan ja kierrätyksen, sirujen ja piirien suunnittelun sekä tuotantolinjojen rakentamisen ja laitteiden tuotannon.

Puolijohteista valmistettujen elektronisten ja fotonisten komponenttien koko on pienentynyt jatkuvasti, mikä on johtanut nopeampiin ja tehokkaampiin laitteisiin. Uudet laitteet ovat yhä pienempiä, kevyempiä, laajemmin saatavilla ja edullisempia. Tämä kehitys tekee pintafysiikan tutkimuksesta jatkuvasti tärkeämpää.

– Komponenttien koon pienentyessä pinnan rooli laitteiden suorituskyvyssä ja ominaisuuksissa tulee entistä tehokkaammaksi ja tärkeämmäksi. Kiteisen puolijohteen pintaosa sisältää luonnollisesti enemmän materiaalivirheitä kuin sen alla oleva massamateriaali, mikä aiheuttaa sähköisiä ja optisia häviöitä puolijohteista valmistetuissa laitteissa, väitöskirjatutkija Zahra Rad sanoo.

Väitöstutkimuksessaan Rad keskittyi parantamaan pii- ja galliumarsenidipuolijohteiden virheellisiä pintoja hyödyntämällä avaruuden kaltaista tyhjiötä sekä kemiallisia käsittelyitä.

Tutkimuksessa pyrittiin löytämään pintakäsittely- tai pintapuhdistusmenetelmiä, joita on mahdollista soveltaa teollisessa mittakaavassa. Tutkimuksessa testattiin lisäksi mainittujen käsittelyjen vaikutusta erilaisiin elektronisiin laitteisiin.

Tutkimuksessa onnistuttiin osoittamaan, että tutkitun tyhjiökäsittelyn jälkeen piipuolijohteen vikatiheys ja vuotovirta vähenivät ja puolijohteen elinikää pystyttiin pidentämään.

Tutkimuksessa kehitettiin lisäksi yksinkertainen märkäkemian menetelmä galliumoksidin nanokiteiden kasvattamiseksi galliumarsenidipuolijohteiden pinnalle, minkä avulla voidaan vähentää siitä valmistettujen optoelektroniikkalaitteiden pintatappioita.

– Näillä uusilla pintapuhdistustekniikoilla on todella merkittävää potentiaalia puolijohteiden ja muun elektroniikan valmistuksessa. Teknologian avulla puolijohteita on mahdollista puhdistaa atomitasolla. Sen avulla on mahdollista valmistaa entistä pienempiä ja tehokkaampia siruja, ja niistä saadaan myös pitkäikäisempiä. Esimerkiksi datakeskusten sirut voidaan saada kuluttamaan vähemmän sähköä ja niiden käyttöikä saadaan pidemmäksi pidempi, tai aurinkopaneelit voidaan saada tuottamaan enemmän sähköä samasta määrästä auringonvaloa, Rad kertoo.

Radin väitöstutkimuksessa kehittämille menetelmille on myönnetty useita patentteja, ja väitöstutkimukseen osittain pohjautuen on perustettu uusi startup SisuSemi Oy, joka on hiljattain saanut yli miljoonan euron investoinnin.

Väitös perjantaina 29.8.

MSc Zahra Jahanshah Rad esittää väitöskirjansa ”Wet chemical and ultra-high vacuum treatments of semiconductor surfaces to decrease electrical and optical losses in devices” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 29.8.2025 klo 12.00 (Turun yliopisto, päärakennus, Tauno Nurmela -sali, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Harri Lipsanen (Aalto-yliopisto) ja kustoksena professori Kalevi Kokko (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.