Průlomový nanotranzistor. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.

Vědci a inženýři se neustále snaží zmenšovat klíčové prvky elektroniky. A už asi tak desetiletí s obavami vyhlížejí konečnou mez, za kterou už zmenšování nebude možné. Před očima jim přitom blikají zákony fyziky, z nichž si odvodili, že u tranzistorů z obvyklých polovodičů je nejmenší možná velikost hradla (gate) tranzistoru 5 nanometrů. V současnosti jsou přitom na trhu tranzistory s hradly o velikosti 20 nanometrů, což už je vcelku na dohled této hranice.

Ali Javey vlevo. Kredit: Marilyn Chung / Berkeley Lab.

Kdyby ale mezi zmíněnými vědci a inženýři byl někdo s evolučním myšlením, tak by jim mohl prozradit jednoduchý trik, se kterým je někdy možné podobné „nepřekročitelné“ hranice prorazit. Pokud budeme urputně postupovat vpřed stále stejným směrem, pak ano, záhy narazíme na meze takového přístupu. Stačí ale udělat malý krok stranou, například použít nějaký překvapivý materiál, a nestačíme se divit.

Přesně tohle udělal se svými kolegy Ali Javey z laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), když vytvořili fungující tranzistor s hradlem o velikosti pouhého 1 nanometru. Pro připomenutí, lidský vlas má průměr asi 50 tisíc nanometrů. Javey, který v LBNL šéfuje program elektronických materiálů, prohlásil, že sestrojili doposud nejmenší tranzistor v historii. Právě rozměr hradla bývá považován za klíčový faktor, který určuje velikost celého tranzistoru. Podle Javeyho je teď jasné, že se správnou volbou materiálů pro vývoj nových tranzistorů máme v elektronice vlastně ještě dost velký prostor ke zmenšování. Výsledky výzkumu jejich týmu nedávno publikoval časopis Science.

Průřez rekordně malým tranzistorem v elektronovém mikroskopu. Kredit: Qingxiao Wang / UT Dallas.

Zásadní bylo, že Javey a spol. k vývoji svého tranzistoru použili uhlíkové nanotrubičky a sulfid molybdeničitý (MoS2). Tento sulfid je běžným mazadlem pro automobily, v poslední době ale prožívá dramatickou revoluci a odborníci v něm vidí nesmírně slibný materiál s mnoha možným aplikacemi ve vývoje LEDek, laserů, solárních článků nebo právě nanotranzistorů.

Schéma průlomového tranzistoru. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.

Podle prvního autora studie, kterým je Javeyho doktorand Sujay Desai, polovodičový průmysl dlouho předpokládal, že 5 nanometrů je doopravdy nejmenší možná velikost hradla tranzistoru. Takže ani nepřemýšleli o elektronice, která by byla menší. Jenže, jak se zdá, byli vedle. Javey a jeho tým dokázali, že stačí křemíkový čip vyměnit za čip ze sulfidu molybdeničitého, a pak lze zprovoznit tranzistor, jehož hradlo má 1 nanometr. Vtip je v tom, že křemíkové polovodiče s velikostí hradla pod 5 nanometrů postihuje kvantové tunelování a elektrony se díky němu dostanou, kam by neměly. Naproti tomu v polovodičích z MoS2 protékají těžší elektrony, které čelí většímu odporu, a k jejich usměrnění stačí významně menší hradlo. Výhodou polovodičů z MoS2 je i to, že z tohoto materiálu lze vytvořit vrstvy o tloušťce pouhých 0,65 nanometru. 

Ještě zbývá vyřešit celou řadu technických otázek. Vše ale nasvědčuje tomu, že tento nový tranzistor, a případně další podobné průlomové studie, ještě dlouho udrží při životě legendární Mooreův zákon, který v roce 1965 formuloval spoluzakladatel Intelu, chemik Gordon Moore. Podle tohoto zákona se počet tranzistorů na jednotce plochy při zachování stejné ceny zdvojnásobí zhruba jednou za 2 roky (původně to bylo 18 měsíců). Tenhle zákon už byl několikrát pohřben a sám Gordon v roce 1995 uvedl, že tohle nemůže pokračovat donekonečna. Nicméně, je rok 2016, Mooreův zákon je v plné síle a Moore, kterému je letos 87 let, se jenom směje.

Video:  Ali Javey, 4th Berkeley Symposium: 2D Semiconductor Heterojunctions: van der Waals for Tunnel

Literatura
Lawrence Berkeley National Laboratory 6. 10. 2016, Science 354: 99-102, Wikipedia (Moore's law).