Materialforskarna tar över IT-revolutionen

Klassisk komponentkunskap räcker inte längre

Av Jan-Ivar Askelin

Den ser inte märkvärdigare ut än en vanlig CD. Men på denna sex tums kiselskiva snurrar informationssamhället. Utan kiselchipsen stannar allting. Kiseldalen, Silicon Valley är ett maktcentrum.

- Vi lever i kiselåldern, säger Lennart Lindström, laborator vid FOAs institution för mikrovågsteknik i Linköping och adjungerad professor vid Linköpings universitet i experimentell halvledarfysik.

Lennart Lindström står med ena benet i försvarsforskningen och det andra i högskolevärlden. Han betraktar sig som en sorts kontaktman mellan försvaret, industrin och forskningen på det vida fält som utgör informationsrevolutionen. Förutom de projekt som Lindström driver på FOA har han även handledning av doktorander. Ett sådant doktorandprojekt har lett till ett patent på att analysera kiselbrickor.

Grundforskning hamnar på efterkälken
Kisel är ett av världens mest undersökta grundämnen. Ändå återstår en rad olösta problem, speciellt i samband med alla de processer som kiselskivan genomgår vid kretstillverkning. Industrin och teknologin driver utvecklingen mot allt snabbare, mindre och billigare mikrokretsar och den grundläggande forskningen hamnar lätt på efterkälken. Kretstillverkningen bygger på framtagna recept och vilar inte alltid på en gedigen fysikalisk kunskapsgrund.

Tidigare var det militärerna, särskilt i USA och Sovjet, som var motorn i elektronikutvecklingen. Endast försvarsbudgetarna kunde rymma dessa kostnader. Inför hotet om ett kärnvapenkrig konstruerades robust elektronik. Nu är det annorlunda. Hotet är inte lika tydligt, försvarsanslagen minskar och den civila tekniken är ledande. Kommersiell hyllvara, Cots, har blivit ett modeord bland amerikanska politiker och det finns inte många tillverkare av speciell militär elektronik längre. Serierna blir för korta och kostnaderna därmed för höga. De massproducerade, billiga och civila chipsen stoppas in i militära system. Speciellt rymdsektorn sägs vara drabbad av detta. Chipsen klarar inte strålningen i rymden och ett skräckscenario är en kärnvapenexplosion i rymden. Det kan bryta ner det amerikanska satellitnätet på något år.

Lennart Lindström tror att vi även i Sverige bygger in en ökad sårbarhet i de militära systemen i takt med att kretsarna packas tätare och med en ökad användning av Cots:

- Vi kan se detta på de problem som flygbolagen har med att den kosmiska strålningen påverkar planens datorer, särskilt på flygningar över polerna där jordens magnetfält skyddar sämst. Problemen blir större ju mindre man gör elektroniken. Och hur löser man problemet? Jo, man lär regelbundet byta ut känsliga delar istället för att bygga in robusthet från början.

Elektronen kan vara ute eller hemma
- När allt görs mindre, vi är nere på nanometerområdet nu, dvs miljarddelar av en meter, krävs mer forskning. Man kan teoretiskt tänka sig att vi kommer till så små komponenter att det är enskilda elektroner som aktiverar komponenten. Är elektronen hemma är strömmen på och är den borta är den av.

- Man måste ta steget från klassisk komponentkunskap till en djupare kunskap om materien och dess kvantmekaniska natur, säger Lennart Lindström. Idag experimenterar man med komponenter iform av kvantprickar och kvanttrådar som möjligen kan bli framtida teknologier.

- Ett stort problem är värmeutvecklingen i chipsen då man bygger allt tätare. Att minska spänningen innebär ofta ökad känslighet för störningar och det enda som återstår är därför att minska strömstyrkan. Detta driver på utvecklingen mot komponenter som arbetar med ett fåtal elektroner.

Kisel är en sk halvledare. Med det menas att den inte leder ström lika bra som t ex en metall men inte heller fungerar som en elektrisk isolator. I en svensk uppslagsbok från början av 1960-talet nämns inget om kisel och elektronik. Däremot att det efter syre är det näst vanliga ämnet i jordskorpan. Det finns alltså gott om kisel. I icke förädlad form finns den i sand. Halvledarna förbryllade i början fysikerna. I motsats till metaller ökade den elektriska ledningsförmågan när de värmdes upp. Ljus och mörker kunde också inverka på ledningsförmågan. Olika materials elektriska egenskaper har i detalj förklarats av fysikerna, men för att deras teorier ska fungera krävs att ämnet finns som kristaller och i mycket ren form. I sin jakt på renhet konstaterade forskarna att även ytterst små föroreningar fick stora konsekvenser för halvledarens elektriska lednings förmåga.

- Tricket är att få fria elektroner som kan transportera strömmen, säger Lennart Lindström. Genom att tillföra fosfor, vars atom har fem elektroner i sitt yttre skal bland kiselatomerna, som har fyra elektroner, skapas fria elektroner. Det räcker med en fosforatom på hundra miljoner kiselatomer för att kristallen ska leda ström på ett helt annat sätt. Ledningsförmågan kan öka tusen gånger.

Tillförs en boratom istället uppkommer ett sk hål därför att boratomen bara har tre elektroner. Den här metoden att ändra kiselkristallens egenskaper kallas dopning. Medaljens baksida är att om kislet reagerar så bra på stimulans av enstaka önskvärda atomer så är det också mycket känsligt för föroreningar av icke önskvärda ämnen.

- En stor del av forskningen kring kiselmaterial handlar om just detta, att bemästra föroreningarna, främst syre och kol, säger Lennart Lindström. Det kan komma fem hundra forskare från hela världen till en kongress som bara handlar om föroreningar och defekter i halvledarmaterial.

- Kan man då inte tänka sig ett annat ämne än kisel om det nu är så besvärligt? Lennart Lindström tror inte det.

- Jag har svårt att man inom en överblickbar framtid kan hitta en ersättare för kisel. Det har flera unika egenskaper och är alldeles för billigt och lätt att få tag i för att kunna utkonkurreras. Men för speciella tillämpningar finns det och kommer det att finnas konkurrenter.

Ett sådant ämne är kiselkarbid, SiC, en förening av kisel och kol. Det finns naturligt i en oren form som kallas karborundum och används som slipmedel på grund av sin hårdhet. Lennart Lindström forskar nu på detta ämne och här är Sverige med i forskningsfronten.

- Det är visserligen långt kvar till att få fram fungerande processer för masstillverkning av komponenter och kretsar, men vinsterna kan vara så stora att denna forskning är angelägen, säger Lennart Lindström.Till kiselkarbidens goda egenskaper hör att den tål högre spänning, leder värme bra, tål höga temperaturer utan att själv bli ledande, tål höga strömmar och är härdig mot joniserande strålning. flera storföretag som Siemens, ABB, Westinghouse, Daimler-Benz satsar nu hårt på denna utveckling. El-företagen som ABB är intresserade av kiselkarbiden för högspännings och kraftkomponenter. Bil- och flygföretag lockas av att kiselkarbidchipsen kan tåla värme upp till 700 grader.

Av stort militärt intresse är att kunna öka effekten i radarantenner. Det är tänkbart att öka effekten tio gånger med kiselkarbidkomponenter jämfört med de halvledare av galliumarsenid som används idag.

En intensivt arbete pågår för att få fram billigare och renare material och för att utveckla industriella processer för komponentframställning i SIC. Men den utveckling som redan skett de senaste åren har ändå något av genombrott över sig, säger Lennart Lindström.

En annan het halvledare är gallliumnitrid. Den har egenskaper som liknar kiselkarbidens men kanske får sin största användning inom optroniken. Galliumnitrid kan nämligen lysa om den dopas på rätt sätt.

- I Japan lär den användas i trafikljus som bygger på denna teknologi. Och det drar 25 procent mindre energi. Bara det kan ju vara en anledning att forska vidare på det området, säger Lennart Lindström.

Från FOA-tidningen nr 4-1997 - www.foi.se/framsyn