Tranzistory tvoří základ moderní elektroniky. Jsou to nenápadné spínače, které zapínají a vypínají proudy a díky nimž mohou počítače a mobily fungovat rychleji a efektivněji. Jenže miniaturizace má své meze. Křemíkové tranzistory se zmenšují desítky let, ale fyzikální limity se začínají projevovat: ztráty výkonu, vyšší teplota, potíže s dlouhodobou stabilitou.

Výzkumníci po celém světě proto hledají náhradu. Jednou z nadějí je opustit křemík a sáhnout po úplně jiném materiálu — přesně to udělal tým vědců z Tokijského institutu průmyslové vědy.

Krystal místo křemíku: Co je InGaOx

Nový typ tranzistoru staví na tzv. galliem dopovaném oxidu india (InGaOx). Na rozdíl od křemíku, který se často potýká s nedostatky v krystalické mřížce při zmenšování, umí InGaOx vytvořit vysoce uspořádanou krystalickou strukturu.

To přináší zásadní výhodu: elektrony se mohou pohybovat kanálem mnohem rychleji a efektivněji. Výsledkem je vyšší tzv. pohyblivost nosičů náboje, která je klíčová pro výkon tranzistoru — obzvlášť v aplikacích, kde se zpracovávají obrovská množství dat, jako je strojové učení a umělá inteligence.

Navíc nový materiál řeší jeden z hlavních problémů tradičních oxidových polovodičů: výskyt tzv. kyslíkových mezer. Ty způsobují nestabilitu a horší chování zařízení. Doping galliem tyto nedokonalosti výrazně potlačuje.

Zdroj: Shutterstock

Konstrukce „gate-all-around“: Když brána objímá proud

Kromě materiálu přichází tokijský tým i s konstrukční inovací. V klasických tranzistorech brána (gate), která reguluje proud, zakrývá kanál jen shora. V tzv. „gate-all-around“ architektuře obepíná celý kanál ze všech stran.

To přináší hned několik benefitů:

• Lepší kontrola nad proudem — brána reguluje elektronový tok precizněji.
• Nižší energetické ztráty — tranzistor se méně zahřívá.
• Větší možnosti škálování — konstrukce je stabilní i při dalším zmenšování.

Tento koncept není úplně nový — firmy jako Samsung či TSMC už pracují na podobných modelech, ale kombinace s novým materiálem InGaOx přináší dosud nevídané výsledky.

Výroba na atomové vrstvě

Tým vědců v Tokiu použil tzv. atomární depozici — metodu, kdy se materiál nanáší doslova vrstvu po vrstvě na atomární úrovni. Tak vznikl tenký film InGaOx, který po zahřátí přechází do krystalické fáze potřebné pro rychlý pohyb elektronů.

Tato precizní technika umožnila vytvořit tranzistor, který kombinuje vysokou pohyblivost (44,5 cm²/Vs) a dlouhodobou stabilitu. Zařízení totiž udrželo funkčnost i při zátěži několik hodin v kuse — což je u nových prototypů důležité měřítko spolehlivosti.

Co to znamená pro AI a budoucnost čipů

Objev tokijských vědců ukazuje, že tranzistory založené na oxidu india dopovaném galliem mohou nabídnout nejen vyšší výkon, ale i odolnost a životnost potřebnou pro náročné aplikace:

• Umělá inteligence: trénink modelů i jejich provoz vyžaduje obrovskou výpočetní kapacitu. Rychlejší tranzistory zkrátí dobu učení, sníží spotřebu energie a umožní posunout hranice v oblastech jako rozpoznávání obrazu či generování textu.
• Velká data: datová centra by mohla využít vyšší hustoty tranzistorů bez nutnosti složitého chlazení, což šetří náklady.
• Pokračování Moorova zákona: dosud platilo, že počet tranzistorů na čipu se zhruba zdvojnásobí každé dva roky. S křemíkem už se tato rovnice zpomalila. Krystalové polovodiče ji mohou znovu nastartovat.

Výzvy a další kroky

Samotný objev neznamená, že se InGaOx tranzistory hned dostanou do notebooků a telefonů. Výzkum musí prokázat odolnost v dlouhodobém měřítku a v reálných provozních podmínkách. Také je potřeba doladit výrobní proces tak, aby byl levný a opakovatelný v masovém měřítku.

Přesto jde o důležitý milník, který dává polovodičovému průmyslu novou naději v době, kdy limity křemíku už nedokáže obejít ani ta nejšpičkovější technologie.