Жизнь после кремния: транзисторы без полупроводников

На протяжении вот уже нескольких десятилетий электронные устройства неуклонно уменьшаются в размерах. Число транзисторов на одном полупроводниковом чипе уже измеряется в миллиардах. Однако у всего есть предел, в том числе и у физических возможностей кремниевых транзисторов.

«При нынешних темпах развития полупроводниковой промышленности предел уменьшения кремниевых транзисторов будет достигнут через 10-20 лет», полагает физик Йок Кин Яп (Yoke Khin Yap) из Технологического Университета Мичигана. «Другим минусом полупроводников является нецелевой расход энергии в виде рассеиваемого тепла».

Физики давно уже приглядывают материалы на смену кремнию, но смотрят, главным образом, опять же на полупроводники. Яп в 2007 году решил испробовать другой подход. «Идея заключалась в создании транзистора с использованием наноизолятора с металлом поверх него. Для этого можно использовать пластик с распределённым по нему металлическим порошком. Но для наномасштаба мы использовали изолятор из нанотрубок на основе нитрида бора в качестве подложки».

Точки из золота располагаются на поверхности нанотрубок

Создав на основе этого материала покрытие, исследователи применили лазеры для нанесения на него квантовых точек из золота размером 3 нм. Совместно со специалистами из лаборатории Oak Ridge, места дислокации суперкомпьютера Titan, они поместили полученную конструкцию между двумя электродами при комнатной температуре. Результатом стало явление под названием квантовое туннелирование (квантовый туннельный эффект) – электроны с невероятной точностью «перепрыгивали» от одной точки золота до другой.

Яп образно описывает данный процесс как реку, роль которой играет нанотрубка, с электродами по обоим берегам. Точки золота представляют собой «переправу из небольших камней», столь небольших, что только один электрон может поместиться на них. Каждый следующий электрон повторяет путь предыдущего, создавая крайне стабильный ток без утечек.

В полученном транзисторе не были использованы полупроводниковые материалы. При приложении достаточного напряжения транзистор переключается в проводящее состояние. При снятии или уменьшении напряжения транзистор возвращается в состояние изолятора. Ранее уже предпринимались попытки создания транзисторов на основе квантового туннельного эффекта, однако, в них необходимым условием функционирования являлись сверхнизкие температуры.

Размер полученного транзистора – 1 микрон в длину и 20 нанометров в ширину. В настоящее время на данную технологию подана международная патентная заявка.