Denník N

Slovák v IBM pracuje na vývoji nových typov polovodičových súčiastok

Tomáš Škereň vedľa skenovacieho tunelového mikroskopu, s ktorým pracuje v IBM. Foto – Martina Ribar Hestericová
Tomáš Škereň vedľa skenovacieho tunelového mikroskopu, s ktorým pracuje v IBM. Foto – Martina Ribar Hestericová

Tomáš Škereň pracuje vo švajčiarskom Zürichu na vývoji polovodičových súčiastok s extrémnymi vlastnosťami. Boli sme sa pozrieť do jeho laboratória.

Spoločnosť IBM pozná väčšina z nás – vďaka nej máme harddisk, čiarový kód, magnetické pásiky na platobných kartách či laserovú operáciu očí.

Za minulý rok IBM publikovala 7355 patentov, čo je viac ako Google.

Za roky svojho pôsobenia sa má čím chváliť. Jej zamestnanci, z ktorých je vyše 3-tisíc vedcov, zozbierali už 6 Nobelových cien, 3 Kavli ceny, 10 Turingových cien, 10 Národných medailí za technológie a inováciu a 5 Národných vyznamenaní za vedu.

V IBM každoročne organizujú tlačovú konferenciu, na ktorej predstavujú svoje najnovšie a najúspešnejšie vedecké a technologické projekty.

Tohto roku sme sa boli pozrieť aj na výskum Slováka Tomáša Škereňa, ktorý v IBM Zürich pracuje s technikou zvanou STM (skenovacia tunelová mikroskopia).

Nobelova cena udelená výskumu vyvinutom v IBM. Foto - martina Ribar Hestericová
Nobelova cena udelená za výskum vyvinutý v IBM. Foto – Martina Ribar Hestericová

45 národností

Tomáš Škereň momentálne pracuje ako postdoktorand v zürišskej pobočke IBM Research Lab. Výskumné centrum zamestnáva ľudí až 45 rôznych národností.

Jeho výskum, na rozdiel od väčšiny technológií vyvíjaných v IBM, však nie je hnaný okamžitou použiteľnosťou. Podobne ako akademici na univerzitách pracuje na vývoji techniky, ktorá je ešte pomerne ďaleko od schopnosti zarábať.

Škereň vyvíja polovodičové súčiastky so zaujímavými vlastnosťami pomocou takzvanej STM litografie. Ide o zápis pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu.

Skenovací tunelový mikroskop

STM je zariadenie, ktoré vo vákuu približuje špeciálnu ihlu s napätím k povrchu vzorky. Keď je vzdialenosť medzi ihlou a povrchom na úrovni iba niekoľko atomárnych veľkostí, začne medzi nimi pretekať takzvaný tunelový prúd.

Pomocou spätnej väzby umožňuje udržiavať hrot v konštantnej vzdialenosti od povrchu vzorky a pri skenovaní následne zobraziť topografiu (reliéf) povrchu.

Skenovací tunelový mikroskop pracuje pri izbovej teplote. Foto - Martina Ribar Hestericová
Skenovací tunelový mikroskop pracuje pri izbovej teplote. Foto – Martina Ribar Hestericová

Ide o techniku, ktorá ako prvá v histórií umožnila atomárne rozlíšenie, teda možnosť priamo vizualizovať jednotlivé atómy. V roku 1981 za ňu udelili Nobelovu cenu za fyziku, putovala práve do zürišského výskumného laboratória.

„Naše merania prebiehajú pri izbovej teplote, čo na jednu stranu mierne zhoršuje rozlíšenie pri zápise, na druhej strane však odstraňuje veľké množstvo technických komplikácií spojených s STM pri kryogénnych teplotách. Aj vďaka tomu sa nám nedávno ako prvým na svete podarilo pomocou tejto techniky pripraviť takzvané P-dopované oblasti,“ vysvetlil Tomáš Škereň pre Denník N.

To znamená, že povrch vzorky viac-menej znečistia atómami iného prvku. Pri graféne sa povrch dá dopovať (teda obohacovať) o bór či dusík. Škereň sa v laboratóriu snaží vkladať atómy fosforu (P) do vzoriek kremíka, čo vedie k N-dopovaniu. Spomínané P-dopovanie sa podarilo realizovať pomocou atómov bóru.

Pohľad do útrob STM. Foto - Martina Ribar Hestericová
Pohľad do útrob STM. Foto – Martina Ribar Hestericová

„Povrch kremíka, ktorý je z chemického hľadiska sám osebe veľmi reaktívny, by bol schopný reagovať s viac-menej akýmkoľvek atómom. Ak ho však pasivujeme vodíkom, teda vystavíme ho toku vodíkových atómov, tak sa jeho povrch stane nereaktívnym. Potom ho dokážeme aj za prístupu vzduchu udržať v stabilnom stave bez toho, aby sa naň čokoľvek naviazalo,“ dodal Škereň.

„Samotná STM litografia však vyžaduje extrémnu čistotu povrchu, kde takmer každý nežiaduci atóm môže spôsobiť nefunkčnosť výsledného zariadenia. Preto celá práca s našimi vzorkami prebieha v takzvanom ultravysokom vákuu, čo je tlak o zhruba 14 rádov menší ako atmosferický.“

Extrémny polovodič, exotická technika

Výskumníci sa potom snažia využiť kontrast medzi dvoma povrchmi – nereaktívnym pasivovaným kremíkom a vysoko reaktívnym čistým kremíkom. „Povrch kremíka najprv pokryjeme vrstvou vodíka a potom, pomocou skenovacej tunelovej mikroskopie, lokálne vodík odoberáme,“ vysvetlil princíp Škereň.

Týmto spôsobom sa dá na kremík doslova písať, ako je možné vidieť aj na nasledujúcom obrázku. Ako je z neho zrejmé, takýto zápis je možné realizovať s rozlíšením na úrovni jednotlivých atómov, čo je v porovnaní so špičkovými zariadeniami používanými na litografický zápis v polovodičovom priemysle zhruba 10- až 100-násobne presnejšie.

Logo spoločnosti IBM zapísané pomocou STM litografie. Povrch kremíka je najprv pasivovaný jednoatómovou vrstvou vodíka, ktorá je neskôr lokálne odstránená pomocou hrotu ihly STM. To umožňuje vytvárať ľubovoľné obrazce s atomárnym rozlíšením. Foto – IBM
Logo spoločnosti IBM zapísané pomocou STM litografie. Povrch kremíka je najprv pasivovaný jednoatómovou vrstvou vodíka, ktorá je neskôr lokálne odstránená pomocou hrotu ihly STM. To umožňuje vytvárať ľubovoľné obrazce s atomárnym rozlíšením. Foto – IBM

Odstránenie vrstvy vodíka vytvára na vzorke oblasti „odhaleného“ kremíka, kde je kremík veľmi reaktívny. Na obrázku sa tieto oblasti javia svetlejšie, pretože odkrytý kremíkový povrch je pokrytý nezaplnenými väzbami.

„Keď takúto vzorku vystavíme účinkom nejakého reaktívneho plynu, napríklad fosfínu alebo diboranu, tak sa naviaže iba do oblastí, kde bol kremík odkrytý. Takýmto spôsobom vytvárame takzvané N-, respektíve P-dopované oblasti,“ vysvetlil Škereň.

Zdroj fosfínu - plynu, ktorý sa viaže na odkryté časti kremíkovej vzorky. Foto - Matina Ribar Hestericová
Zdroj fosfínu – plynu, ktorý sa viaže na odkryté časti kremíkovej vzorky. Foto – Matina Ribar Hestericová

Veľké plány do budúcna

Podľa Škereňa sú plány pre túto techniku naozaj veľké. Takto pripravený PN polovodič je totiž veľmi stabilný a má veľmi zaujímavé vlastnosti. „Momentálne síce stále zápasíme s množstvom technických problémov, no tento výskum má obrovský potenciál.“

Okrem neprekonateľného rozlíšenia poskytuje táto technológia aj možnosť dopovania polovodičov s veľmi vysokou koncentráciou prímesí. „Po tom, ako sa nám podarilo skombinovať P- a N-dopovanie, bolo prirodzené pokúsiť sa vytvoriť jednoduchý PN prechod. Zatiaľ sa nám podarilo vytvoriť pravdepodobne najmenší PN prechod na svete, ktorý je hrubý iba niekoľko atómov a široký 15 nanometrov.

Vďaka vysokej hustote dopovania dokáže prenášať obrovskú prúdovú hustotu a vykazuje správanie podobné tunelovej dióde. Vďaka jeho malej veľkosti sa však zároveň prejavujú kvantové vlastnosti elektrónov. Mnohým aspektom správania tohto zariadenia však zatiaľ nerozumieme a čaká nás ešte veľa práce.“

Tomáš Skeren počas analýzy dát. Foto - Martina Ribar Hestericová
Tomáš Škereň počas analýzy dát. Foto – Martina Ribar Hestericová

„Okrem prípravy PN zariadení sa zaoberáme aj ďalšími zaujímavými použitiami tejto techniky. Napríklad sme schopní elektricky kontaktovať jednotlivé molekuly alebo iné nanoobjekty (napríklad nanokryštály germánia) umiestnené na povrchu kremíka a skúmať ich elektronické vlastnosti,“ povedal slovenský odborník.

Po zvládnutí techniky prípravy jednoduchých PN prechodov sa v IBM pokúsia vytvoriť ešte zložitejšie zariadenia, ako napríklad tranzistor. Technika by mala umožniť prekonať tradičné obmedzenia, ktoré majú napríklad za následok tepelné straty v integrovaných obvodoch.

Teraz najčítanejšie