La nuova tecnologia che ha conquistato la copertina della prestigiosa rivista Science dello scorso venerdì si chiama “crescita per impilamento”. È stata sviluppata dai ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca, del Politecnico di Milano e del Politecnico di Zurigo attraverso una lunga collaborazione. Si tratta di una novità assoluta, un processo che consente di realizzare strutture micrometriche di materiali perfetti comodamente adagiate su supporti (substrati) di silicio, il semiconduttore re della microelettronica. Difficile stimare le potenzialità di una simile tecnologia: essa apre la via a dispositivi che possono toccare efficienze mai raggiunte andando dalla sensoristica alle fonti di energia alternative.
Ce ne parla Fabio Isa, studente di dottorato presso il centro interdipartimentale L-NESS di Como e coautore dell’articolo pubblicato su Science.
Qual era il problema? Come è nata la vostra ricerca?
La nostra ricerca è nata dall’idea di risolvere un problema tecnologicamente molto rilevante quale l’integrazione di germanio su substrati di silicio. Il silicio è un materiale molto noto e largamente utilizzato nel campo dell’industria elettronica, ma ha delle proprietà ottiche ed elettroniche limitate. Per questo motivo grandi sforzi sono stati effettuati nella ricerca per sviluppare una tecnologia che permetta di depositare sul silicio materiali con proprietà ottiche ed elettroniche decisamente migliori, ottenendo in questo modo dispositivi ad alta efficienza a costi ridotti.
L’integrazione di un materiale su un substrato di silicio comporta diversi problemi quali la formazione di difetti cristallini e le deformazioni dovute ad escursioni termiche durante il processo. Con la nostra tecnica abbiamo risolto tutti questi problemi, aprendo grandi possibilità per l’integrazione di materiali attivi su silicio.
La crescita per impilamento, che avete utilizzato, è una tecnologia inventata totalmente da voi o avete trovato un metodo nuovo per realizzarla? Che differenza c’è tra crescita termodinamica e crescita cinetica?
La tecnica per impilamento è stata introdotta da noi: essa consiste nella crescita di semiconduttori lungo una direzione preferenziale, evitando la fusione tra differenti cristalli posti vicini tra loro. Questo particolare tipo di crescita si ottiene depositando semiconduttori su un substrato di silicio su cui sono stati scavati dei solchi di dimensioni micrometriche; queste strutture funzionano da stampo per il materiale che viene depositato, ottenendo così un impilamento dei cristalli.
La differenza tra crescita termodinamica e cinetica è legata alle condizioni con cui si crescono i cristalli: crescita cinetica significa che il substrato viene tenuto a bassa temperatura (circa 500 °C) e la deposizione di germanio avviene molto rapidamente (4 nm/s) rispetto al limite termodinamico. In questo modo il materiale che viene depositato risulta congelato assicurando una crescita direzionale dei cristalli.
Di quali materiali si tratta? In un futuro pensate che si possa utilizzare lo stesso metodo per altri materiali?
I materiali che abbiamo più largamente studiato sono il germanio e le leghe di silicio-germanio; ma abbiamo ottimi motivi per affermare che questa tecnica di crescita per impilamento sia efficace anche per una vasta gamma di semiconduttori, ad esempio quelli appartenenti ai gruppi III-V, come l’arseniuro di gallio.
La stampa parla di “materiali perfetti”: cosa significa questa espressione?
Materiale perfetto significa che il germanio su silicio che abbiamo ottenuto con questa tecnica è privo di difetti cristallini e di deformazioni, mostrando delle caratteristiche del tutto confrontabili con quelle del germanio puro.
I vantaggi sono solo di tipo economico o ce ne sono anche altri?
Oltre al grande vantaggio economico di poter integrare dei materiali attivi su substrati di silicio, ci sono notevoli vantaggi tecnologici quali la possibilità di realizzare rivelatori di raggi X bidimensionali ad altissima risoluzione spaziale, utili per il monitoraggio in operazioni di laparoscopia, e celle solari molto leggere, ideali per applicazioni aerospaziali, oltre alla produzione di dispositivi per elettronica di potenza.
Il risultato è emerso nell’ambito di una collaborazione tra L-NESS, Politecnico di Milano e Politecnico di Zurigo: come si è sviluppata la collaborazione fra i tre centri?
Il grande risultato che abbiamo ottenuto è sicuramente figlio della stretta collaborazione tra questi centri, la quale è attiva già da molti anni. I principali fautori di questa collaborazione sono i professori Leo Miglio, Hans von Känel e Giovanni Isella che, grazie alla loro preparazione scientifica e predisposizione al lavoro in squadra, hanno permesso di ottenere ottimi risultati nel campo della fisica dei semiconduttori.
(a cura di Anna Giorgioni)