Profilaatioalat esittelyssä: PHOTO-ELEC yhdistää fotoniikan ja mikroelektroniikan – tavoitteena kehittää energiatehokkaampaa puolijohdeteknologiaa

Puolijohdeteknologiaa löytyy lähes kaikista elektronisista laitteista televisioista älypuhelimiin. Puolijohdeteollisuus on kansainvälisesti merkittävää, mutta se on keskittynyt erityisesti Kiinaan, Taiwaniin ja Etelä-Koreaan. Euroopan ja Suomen omavaraisuuteen, kilpailukykyyn ja kestävyyteen puolijohdeteknologioissa panostetaan muun muassa Euroopan siruohjelmalla (European Chips Act) ja Siruja Euroopalle -aloitteella, joissa Tampereen yliopistokin on mukana.

PHOTO-ELEC-profilaatioala kokoaa yhteen puolijohdeteknologiaan liittyvät alat, joilla Tampereen yliopisto on jo nyt tunnettu maailmalla. Fotoniikan eli valotieteen tutkijat kehittävät ja tuottavat valoon perustuvia teknologiota ja niiden sovelluksia. Mikroelektroniikassa taas tutkitaan ja suunnitellaan erittäin pieniä elektronisia komponentteja ja järjestelmiä, erityisesti puolijohteiden ja optisten komponenttien avulla.  

Näiden tutkimusalojen synergioiden ja yhteisen TKI-toiminnan vahvistamisen pontimena on vastata kehittyneiden sirujen kasvavaan kysyntään. 

Tutkimusalojen integrointi tuo synergiaetua

Profilaatioalan vastuullisena johtajana toimii tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnan fysiikan ja fotoniikan professori Juha Toivonen. Hänen mukaansa kahden tutkimusalan lähentyminen on luontevaa, sillä molempien osaamista tarvitaan energiatehokkaampien puolijohteiden kehittämiseen.

– Avaamme PHOTO-ELEC-hankkeessa uusia tutkimussuuntia ja kehitämme uudenlaista tutkimustoimintaa kahden tiedekunnan rajapintaan ihan käytännön tasolla, Toivonen toteaa. 

Fotoniikassa tarvitaan sähköä valokomponenttien toimintaan ja valon havainnoinnissa se muunnetaan takaisin sähköksi. Tiedon prosessoinnissa käytetään mikroelektroniikkaa, mutta tiedonsiirto kuluttaa paljon energiaa. Optinen tiedonsiirto on energiatehokkaampaa suurille tietomäärille. 

Myös hankkeen varajohtaja, elektroniikan professori Matti Mäntysalo informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta korostaa tekniikoiden synergiaa.

– Mikroelektroniikan valmistus ei ole kaukana fotoniikan valmistuksesta: valmistustekniikat ovat hyvin samanlaisia, kummassakin käytetään sekä mikro- että nanoteknologioita. Hankkeen avulla saadaan tuotua mikroelektroniikkaa lähemmäs fotoniikkaa. Toiminta kahden tiedekunnan yli muuttuu tiiviimmäksi, Mäntysalo sanoo.

Suunnitteluosaaminen korostuu mikroelektroniikassa, mutta itse mikropiirit tuotetaan muualla. Fotoniikassa taas tehdään itse, jolloin investointeja kohdennetaan erityisesti tuotantotiloihin. 

Kokonaisuus satsaa osaajiin ja laitteisiin

Suomeen tarvitaan paljon uusia puolijohdeteknologian osaajia. PHOTO-ELEC-kokonaisuuden saaman rahoituksen avulla Tampereen yliopisto vahvistaa fotoniikan ja mikroelektroniikan osaamistaan perustamalla uusia tutkimusryhmiä, joihin palkataan tenure track -professoreita ja muita asiantuntijoita. 

– Profilointi auttaa kirkastamaan osaamiskenttää ja saamaan teollisuuteen osaajia, joita he tarvitsevat. Vaikka hanketta tehdään tutkimus edellä, se vaikuttaa myös opetukseen ja koulutukseen, muun muassa tohtoreiden kouluttamiseen, toteaa Mäntysalo.

Profilaatioalueeseen liittyy myös uutta tutkimusinfrastruktuuria, kuten esimerkiksi Tampereelle rakennettava puolijohdesirujen koteloinnin pilottilinja SiPFAB (System-in-Package Fabrication). Pilottilinja sai merkittävän rahoituksen Euroopan komissiolta ja Suomen valtiolta. SiPFAB toimii tuotantoalustana, joka mahdollistaa fotoniikan komponenttien yhdistämisen mikroelektroniikan piireihin. Alustalla myös alan yritykset pystyvät tekemään ketterästi tuotekehitystä ja pilottituotantoa.

Lisäksi yliopisto on mukana 12 eurooppalaisen tutkimuslaitoksen ja yliopiston konsortiossa, jonka tehtävä on luoda yhteinen suunnittelualusta tukemaan sirusuunnittelua Euroopan Unionin alueella. Alusta on osa EU:n Siruja Euroopalle -aloitetta.

Luonnollisesti uudet tutkimusympäristöt ovat PHOTO-ELEC-hankkeeseen palkattavien tutkijoiden käytettävissä.