Passi avanti nella realizzazione di semiconduttori monocristallini

Un progetto di ricerca portato avanti in collaborazione dall'ETH Zurich, dall CSEM di Neuchatel, dal Politecnico di Milano e dall'Università di Milano Bicocca ha permesso di compiere un importante passo avanti nella produzione di strutture monocristalline di semiconduttore su silicio. La nuova struttura ha mostrato interessanti proprietà che potrebbero portare risvolti positivi in molte tecnologie, special modo in quelle ottiche e fotovoltaiche.

Sebbene il silicio rappresenti l'elemento principe alla base di tutta l'elettronica, grazie alle sue proprietà di semiconduzione, nonché alla sua abbondanza in natura e al suo costo contenuto, vi sono altri elementi che hanno proprietà migliori rispetto a quelle del silicio. Da tempo i ricercatori stanno studiando metodologie e tecniche per poter unire il silicio ad altri semiconduttori come il germanio, per poter combinare i punti di forza di ciascuno ed aprire la porta a nuove applicazioni.

La difficoltà, però, sta proprio nel combinare il silicio con altri elementi semiconduttori. Il professor Hans von Känel, docente presso l'ETH Zurich, spiega: "Un'elegante alternativa all'integrazione monocristallina è possibile solamente se lo spazio interatomico e le proprietà termiche del silicio differiscono di poco con quelle del materiale da integrare o se gli strati sono sufficientemente sottili. Questo è il motivo per il quale fino ad ora non vi è stato alcun successo nella costruzione di uno spesso strato monocristallino di germanio sul silicio, per via dei difetti presenti nel reticolo cristallino. In aggiunta a ciò i wafer di silicio si possono deformare o gli strati di livelli possono rompersi sotto lo stress termico, rendendo così i componenti elettronici inutilizzabili".

Invece di impiegare uno strato continuo di germanio, i ricercatori hanno realizzato una sorta di tappeto a "ciuffi" di silicio sui quali viene innestato germanio monocristallino. Lo spazio tra questi ciuffi è di una dozzina di nanometri. Per realizzare questi ciuffi i ricercatori hanno letteralmente "intagliato" un substrato di silicio in nanoscopiche colonne da due micron di lato e otto micron di altezza. I cristalli di germanio sono quindi stati fatti crescere sui nanopilastri in silicio.

Grazie a questo processo i ricercatori sono stati capaci di generare strati di silicio-germanio scevri da difetti, di qualunque spessore desiderato. Attualmente è stato possibile realizzare una struttura in germanio dello spessore di 50 micron, ovvero superiore di dieci volte a quanto possibile con le tecniche precedentemente impiegate. "Con questo spessore uno strato continuo di germanio si sfoglierebbe" ha dichiarato von Kanel. Il nuovo metodo ha tutte le carte in regola per consentire la realizzazione di strati di germanio di 100 micron di spessore. Non c'è bisogno di alcuna tecnica speciale per legare i due strati di materiale.

L'obiettivo originario del progetto di ricerca verteva sulla produzione di un rilevatore di raggi-X di elevata sensibilità, che consenta di impiegare ridotti quantitativi di radiazione per ampliare i possibili campi di applicazione delle tecniche radiografiche, sia in campo medicale, sia in ambito civile con i sistemi di scansione di bagagli negli aeroporti. Uno strato di germanio di almeno 50 micron di spessore dovrebbe consentire di arrivare alla sensibilità necessaria, e la tecnica esplorata dai ricercatori dell'ETH Zurich consente di realizzare queste strutture a costi accessibili.

Tra gli altri possibili campi di impiego vi è quello del fotovoltaico, con la realizzazione di celle impilate ad elevata efficienza, in maniera tale che ciascuna possa assorbire differenti lunghezze d'onda della luce solare. Si tratta di fotocellule che già sono impiegate nell'industria aerospaziale e che potrebbero essere estesi a campi d'applicazione meno specifici grazie ad un contenimento dei costi di produzione. I ricercatori dell'ETH Zurich sostengono comunque che sarà necessario attendere ancora diversi anni prima che questa tecnologia possa essere applicabile commercialmente alla produzione di nuove soluzioni e dispositivi. Il team di ricerca è però convinto che i risultati di questo progetto possano essere estesi per utilizzare altri materiali oltre al germanio, come l'arseniuro di gallio o il carburo di silicio.