Halvledarteknik, fotonik och kvantinformation Sammanfattande bedömning Halvledartekniken har haft en explosionsartad utveckling sedan upptäckten av den första transistorn för ungefär 60 år sedan. Moores lag myntades 1970 för att beskriva den expansiva trenden för integrerade kretsar där antalet transistorer i princip fördubblas var 18:e månad. Marknadsvärdet för halvledarbaserad teknologi är enormt i storleksordningen tusen miljarder kronor per år. Teknologin har idag mognat och integrerade minneskretsar betraktas numera som en råvara vars marknadspris styrs av tillgång och efterfrågan. Den hårda konkurrensen har inneburit att tillverkningen världen över inklusive den svenska har flyttats till Asien som kan erbjuda billigare arbetskraft. Snart kommer man att nå en fysikalisk gräns för kiselbaserad halvledarteknologi. På ett globalt plan har detta har sporrat till enorma forskningsinsatser för att hitta alternativa halvledarmaterial och teknologier som kan ersätta dagens kiselteknologi. Ur ett globalt perspektiv satsas det relativt litet på denna forskning i Sverige. Den svenska halvledarforskning som bedrivs håller dock spetsklass inom vissa områden. Fotonik kännetecknas av en hög innovationspotential som vilar starkt på nya fotoniska material och komponentteknologier. Fotonik används i stor omfattning inom så gott som alla områden och dess ekonomiska värde ökar snabbt. Svensk fotonikforskning är inom vissa områden väletablerad med exempel på världsledande forskning. I ett europeiskt perspektiv satsar dock Sverige relativt lite på forskning inom detta område. Forskningen kräver god tillgång till infrastruktur för såväl tillverkning av material och komponenter som utvärdering av fotoniska material, komponenter och system. Kvantinformatiken befinner sig fortfarande på grundforskningsstadiet. Detta gäller i stor utsträckning kvantkommunikation även om det redan finns tillämpningar för kvantkryptering i form av kommersiella produkter. Detta gäller i ännu högre grad kvantdatorer där tillämpningar kommer att dröja många år. Den potentiella vinsten med kvantdatorer är dock så hög att många forskningsgrupper har gett sig in i detta forskningsområde. Sverige har en stark ställning i Europa och ett avsevärt antal EU-projekt inom området har koordinerats av svenska forskare. Ämnesbeskrivning Halvledare och halvledarteknik återfinns i ett mycket brett spektrum av forskningsområden. Inom industrin brukar begreppen innefatta användandet av kisel för framställning av integrerade kretsar och tillverkning av diskreta komponenter som till exempel diodlasrar, solceller, lysdioder och högeffekttransistorer, vilka ofta består av så kallade sammansatta halvledare. Betydelsen av halvledare för forskning, industri och samhälle är enormt.
Det finns ett stort överlapp mellan halvledarmaterial och halvledarteknik och andra ämnesområden som till exempel fotonik, nanovetenskap och fysik. Halvledarlasrar, lysdioder och solceller är klassiska fotonikkomponenter som bygger på halvledare och halvledarteknik. Olika typer av litografi som är en teknik som ursprungligen utvecklats för tillverkning av mikrochip används nu inom nanoteknikforskningen för framställning av nanokomponenter och mikromekaniska strukturer. Utvecklingen av tekniken för att framställa integrerade kretsar och upptäckten av heterostrukturen som bygger på halvledarmaterial tilldelades Nobelpriset år 2000. Andra upptäckter, som också bygger på halvledarmaterial och som också tilldelats Nobelpriset i fysik är den kvantiserade Hall-effekten och den bråktalskvantiserade Hall-effekten. Fotonik är en sammanfattande benämning för tekniker och metoder där ljus utnyttjas. Viktiga tillämpningar finns inom IKT, tillverkning och produktion, hälsa och livsvetenskaper, energi och miljö samt övervakning och säkerhet. Exempel på teknik av stor betydelse är fiberoptisk kommunikation, optisk datalagring, laserbearbetning, LED-belysning, displayer och solceller. Optisk mät- och analysteknik används inom industri, miljö och medicin. Flera Nobelpris i fysik under senare år är fotonikrelaterade. Fotonik är av EU-kommissionen klassad som en av fem key enabling technologies. Inom kvantinformatiken försöker man utnyttja kvantmekanikens inneboende egenskaper för att hantera information på ett effektivare sätt än vad som är möjligt med klassiska metoder. Området kan delas in i två underområden, kvantkommunikation och kvantberäkningar. Kvantkommunikation bygger på att överföra information mellan två terminaler, detta sker nästan uteslutande med fotoner, där man använder tillexempel polarisationen hos fotonerna för att koda informationen. En viktig tillämpning är kvantkryptografi där man kan skicka säkra koder mellan två parter i formen av en krypteringsnyckel. Metoden är helt säker i den meningen att det är omöjligt för en tjuvlyssnare att avlyssna informationen utan att det märks. När det gäller kvantberäkningar finns ett flertal olika system som studeras, bland annat joner i jonfällor, supraledande kretsar och atomära system inbäddade i kristaller. Här försöker man utnyttja kvantmekanikens inneboende parallellism för att göra beräkningar snabbare än med klassiska datorer. I dag finns ett tiotal kvantalgoritmer som visats vara snabbare på kvantdatorer. Teoribildningen är viktig både för utvecklandet av nya koder och kvantalgoritmer och för att förstå och optimera de olika experimentella implementeringarna. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender Trenden för halvledarteknikforskningen går mot material och teknologier som kan ersätta kisel för att upprätthålla Moores lag som förväntas hålla till 2015. Grafen (Nobelpriset 2010) utgör ett exempel på lovande material för framtida ultrasnabb elektronik. Spinntronik är ett forskningsområde där elektronens spinn snarare än dess laddning används som principiell
informationsbärare. Kvävedopad diamant är ett potentiellt materialsystem för spinntronik. Ett aktuellt och mycket hett forskningsområde i USA, Japan och i viss mån också EU, är halvledare med stora bandgap som till exempel galliumnitrid. Dessa används för tillverkning av blå-violett emitterande diodlasrar och lysdioder samt energisnåla vita lysdioder. Framtida tillämpningar för dessa material är UV-emitterande lasrar och lysdioder och högeffekttransistorer som är en viktig pusselbit i grön teknologi för hållbar utveckling (effektiva energiomvandlare, fotoelektrolys). Hög kemisk och termisk robusthet är egenskaper som kännetecknar halvledare med stora bandgap vilket gör att dessa material är mycket intressanta som komponenter (transistorer, sensorer) i krävande miljöer som till exempel förbränningsmotorer. Biokompatibla elektroniska halvledare som oxider och nitrider är en annan forskningstrend. Även kiselteknologin följer en oväntad trend där man försöker använda ljusemitterande kisel för kontakttillämpningar i mikrochip. Intensiv forskning pågår också inom området självläkande mikrochip. Halvledare används också inom nanoelektronikforskningen där målet är att utnyttja kvantmekaniska egenskaper som uppkommer då halvledarstrukturer krymps till nanonivån. Då många av de nya halvledarmaterialen inte är kompatibla med existerande kiselteknologi följs halvledarmaterialforskningen också av utveckling av nya processmetoder. Motsatsen, det vill säga integration av icke-kiselmaterial med existerande kiselteknologi, är ett annat mycket intensivt forskningsområde. Molekylär och organisk elektronik är andra forskningstrender. Trender inom halvledarteknologin är bland annat tryckbar elektronik där kretsar framställs med vanliga tryckpressar och självbyggande (self assembly) system där elektroniska kretsar bildas spontant. Inom vissa områden som till exempel nanoelektronik och grafen ligger svensk forskning bra till internationellt sett. Ett speciellt svagt finansierat forskningsområde i Sverige är halvledare med stora bandgap. Forskningen inom halvledarteknik är fragmenterad och kopplingen mellan material- och komponent- och systemforskning är svag. Den mer material- och fysikorienterade fotonikforskningen går mot nya material med unika optiska egenskaper, funktionella materialstrukturer (metamaterial) och utnyttjande av nya fysikaliska fenomen. Kvant- och nanofotoniska strukturer kombineras för att optimera interaktionen mellan ljus och media. Icke-linjär optik blir allt viktigare. Fotoniska komponenter och kretsar utvecklas mot högre prestanda och täcker allt fler våglängdsområden genom nya material. Koherenta och inkoherenta ljuskällor baseras i högre grad på fasta material. Graden av fotonisk integrering ökar för att möta krav på funktionalitet och kostnadseffektivitet. Kisel utnyttjas i allt högre grad som ett fotoniskt material. Generering av korta optiska pulser får allt större betydelse. Fiberoptiska kommunikationssystem utvecklas mot högre kapacitet, lägre energiförbrukning och näten blir mer transparanta och dynamiska. Optisk dataöverföring i lokala nät och konsumentelektronik (korta avstånd) står inför en explosionsartad utveckling. Belysningssystem baserade på lysdioder utvecklas för att möta krav på lägre
energiförbrukning och stora satsningar görs på solcellsteknik för att minska beroendet av fossila bränslen. Laserbaserade bearbetningsprocesser utvecklas för att tillgodose behov av kvalitet, produktionseffektivitet och flexibilitet i tillverkningsindustrin. Stora satsningar görs på utveckling av optiska sensorer och laserbaserad mät- och analysteknik. Svensk forskning kring nya fotonikmaterial och materialstrukturer (inklusive nanofotonik) är relativt väletablerad. Dock är forskningen fragmenterad och i vissa fall är kopplingen mellan material-, komponent- och systemforskning svag. Forskningen kring fotoniska komponenter och kretsar är relativt omfattande och inkluderar framför allt komponenter för optisk kommunikation men också IR-detektorer, solceller, laserteknik baserad på icke-linjär optik samt lysdioder i nya material och nanostrukturer. På systemsidan är svensk fotonikforskning speciellt stark inom fiberoptisk kommunikation och laserbaserad spektroskopi. Inom nämnda områden har svensk fotonikforskning relativt stor internationell visibilitet med goda exempel på världsledande forskning. Inom övriga områden är omfattningen av svensk fotonikforskning mindre. Inom Sverige finns experimentell forskning när det gäller kvantkommunikation, supraledande kretsar och kristaller dopande med sällsynta jordartsmetaller. Teori finns på flera ställen, ofta kopplat till de experimentella verksamheterna. Svenska forskare har tagit en ledande roll inom Europa och ett antal EU-projekt har koordinerats av svenska forskare både inom supraledande kretsar och kvantkommunikation. Mycket av forskningen inriktas på grundläggande effekter där man studerar inflätning, dekoherens och kvantmätprocesser. Alltmer avancerade tester av Bells olikhet görs. Inflätade tillstånd med flera partiklar används rutinmässigt i olika experiment. Interaktion mellan materia och ljus studeras intensivt, där fotoner fås att växelverka med både naturliga atomer och artificiella atomer. Tack vare förbättrad teknologi kan man nu skapa godtyckliga fotontillstånd i mikrovågskaviteter, och göra detaljerade mätningar på dessa tillstånd. En annan tydlig trend är att man försöker koppla ihop kvantkommunikation med kvantberäkningar. Ett antal försök har gjorts där man försöker konvertera information från mikrovågsdomänen till den optiska domänen på ett koherent sätt. Det skulle i framtiden kunna koppla ihop kvantdatorer på olika platser via optiska fibrer så att de kan dela kvantinformation. Vissa forskare extrapolerar denna tendens och pratar i termer av ett quantum internet. Kvantkommunikation befinner sig närmare tillämpningar och man kan tänka sig stöd även från andra svenska forskningsfinansiärer än Vetenskapsrådet. Kvantdatorer å andra sidan är långt ifrån tillämpningar. Hot och möjligheter Forskning inom halvledarteknik och halvledarmaterial är av strategisk betydelse. Halvledarteknologin har möjliggjort ett otal andra teknologier som har förändrat flera aspekter (energi, forskning, ekonomi, kommunikation) av vårt samhälle i grunden. Det samlade ekonomiska värdet av dagens halvledarindustri är mer än tusen miljarder kronor. Forskningen kring elektroniska komponenter har försvagats avsevärt under senare år på grund av bristande inhemsk industriell infrastruktur och relativt små nationella forskningssatsningar. Det finns därför en risk att Sverige hamnar helt i skuggan inom detta område.
En fokuserad svensk satsning på nya och banbrytande halvledarmaterial och halvledarteknologier (såväl som på att främja avknoppningsföretag) i Sverige skulle åter etablera vårt land som en stark forskningsnation inom halvledarområdet. Denna satsning skulle också leda till stora industriella möjligheter vilket krävs för framtiden. Då fotonik används i allt högre grad inom alla områden ökar dess ekonomiska värde snabbt. Fotonik anses på ett väsentligt sätt kunna bidra med lösningar till problem relaterade till stora samhälleliga förändringar och utmaningar. Dock befinner sig utvecklingen i ett relativt tidigt skede då fundamentala fysikaliska begränsningar i många avseenden är avlägsna. Området karakteriseras därför av stor innovationspotential och upptäckter och uppfinningar av stor framtida betydelse är att vänta. I EU:s sjunde ramprogram ökade finansieringen för fotonikforskning markant. I ett europeiskt perspektiv satsar dock Sverige relativt lite på forskning inom detta område. Den europeiska teknikplattformen Photonics21 1 rekommenderar i sin senaste Strategic Research Agenda 2 väsentligt ökade nationella investeringar och specifika fotonikforskningsprogram. I många andra länder sker detta 3. Liknande satsningar i Sverige skulle stärka vår position och leda till såväl kvantitativa som kvalitativa förbättringar. Europeisk forskning inom området låg tidigare långt framme men USA har nu inom flera subområden sprungit förbi Europa. Detta är ett direkt resultat av att den amerikanska finansieringen är betydligt större inom detta område än vad som är fallet i Europa och Sverige. EU har ett call för kvantinformation men med begränsade resurser. Svenskar håller sig dock väl framme i de beviljade projekten. En möjlighet i sammanhanget är att det är möjligt för europeiska forskare att delta i de amerikanska projekten och även få pengar därifrån. Forskningsinfrastruktur Forskning inom halvledarteknologier och halvledarmaterial är mycket starkt beroende av tillgången till rätt infrastruktur. Denna infrastruktur måste tillhandahålla system för framställning av halvledarmaterial, renrum för bearbetning och komponentframställning och miljöer för analys av halvledarmaterial och komponenter. Då innovationer och utvecklingen inom fotonikområdet vilar tungt på nya material och komponentteknologier är området starkt beroende av faciliteter där material och materialstrukturer kan syntetiseras och där fotoniska komponenter och kretsar kan tillverkas med hög precision, gott utbyte och god reproducerbarhet. Detta kräver god tillgång till såväl renrum med modern utrustning för epitaxi och tillverkningsprocesser som avancerade mätfaciliteter för analys av fotoniska material, komponenter och kretsar. Avancerade 1 www.photonics21.org 2 www.photonics21.org/download/sra_2010.pdf 3 www.photonics21.org/download/brosch_photonics_europe.pdf
mätfaciliteter krävs också för den mer systemorienterade fotonikforskningen inom till exempel kommunikation, sensorer, energigenerering och biologi/medicin/kemi. All experimentell kvantinformatikforskning kräver tillgång till avancerad mätteknik som kan se olika ut beroende på vilken typ av forskning som bedrivs. För system som arbetar inom det optiska området behövs lasrar och avancerade optiska komponenter, liknande krav finns inom mikrovågsområdet. I vissa fall, specifikt när det gäller supraledande kretsar, behövs god tillgång till renrum och elektronstrålelitografi för tillverkning av Josephsonövergångar.