Нурлан Каримов 
Основой практически каждого современного электронного устройства, от миниатюрных компьютеров до смартфонов и умных гаджетов, является крошечный компонент — транзистор. Изобретенный в XX веке, он функционирует как микроскопический переключатель, который управляет электрическими сигналами, включая, выключая или усиливая их по мере необходимости.
Однако по мере того, как технологические компании стремятся делать устройства все меньше и производительнее, нарастает обеспокоенность тем, что традиционные транзисторы на основе кремния достигли своего предела. Дальнейшее их уменьшение становится чрезвычайно сложной задачей. Десятилетиями инженеры сжимали кремниевые транзисторы, чтобы разместить большее их количество на микрочипах, что позволяло делать смартфоны тоньше, а облачные вычисления — быстрее. Но при переходе к еще меньшим масштабам обостряются такие проблемы, как перегрев, утечка энергии и нестабильность. Атомарная структура кремния просто не справляется с нагрузками на предельно малых размерах.
В поиске решения этой проблемы команда из Института промышленных наук Токийского университета предложила принципиально новый подход. Вместо того чтобы пытаться обойти ограничения кремния, исследователи решили полностью от него отказаться. Они создали совершенно новый тип транзистора на основе легированного галлием оксида индия. Этот материал, известный как InGaOx, относится к классу кристаллических оксидов. В отличие от кремния, он образует упорядоченную кристаллическую решетку, которая позволяет электронам двигаться свободнее, что является ключевым фактором для создания быстрых и эффективных электронных устройств.
Ведущий автор исследования Анлан Чен поясняет, что их целью было создать транзистор со структурой «gate-all-around», в которой затвор, отвечающий за включение и выключение тока, полностью окружает канал, по которому этот ток течет. Такая конструкция обеспечивает значительно лучший контроль по сравнению с традиционными транзисторами, где затвор расположен только с одной стороны. Полный охват канала затвором снижает количество ошибок и гарантирует более стабильную работу даже при очень малых размерах.
Для достижения этого результата команде пришлось скорректировать свойства оксида индия. Старший научный сотрудник Масахару Кобаяси добавляет, что оксид индия содержит дефекты в виде кислородных вакансий, которые снижают стабильность устройства. Для решения этой проблемы в материал добавляют галлий — этот процесс, известный как легирование, подавляет дефекты и повышает надежность транзистора.
Создание такого компонента потребовало ювелирной точности. Исследователи применили технологию атомно-слоевого осаждения, которая позволяет наносить материал слой за слоем, буквально на уровне отдельных атомов. Каждый слой InGaOx аккуратно наносился на область канала транзистора. После этого материал подвергался термической обработке для придания ему кристаллической формы, необходимой для высокой подвижности электронов.
Новый транзистор, технически являющийся полевым транзистором на основе оксида металла или MOSFET, сочетает в себе конструкцию «gate-all-around» и канал из легированного галлием оксида. Анлан Чен сообщает, что их устройство достигает высокой подвижности электронов — 44,5 см² на вольт-секунду. Важно отметить, что устройство демонстрирует высокую надежность, стабильно работая под нагрузкой в течение почти трех часов, и по своим характеристикам превосходит ранее представленные аналоги. Этот показатель является ключевым индикатором того, насколько легко электроны проходят через материал, а высокое значение означает более быстрый отклик и меньшие потери энергии.
Хотя сам транзистор миниатюрен, его потенциальное влияние огромно. Сочетание высокой подвижности электронов и стабильности делает его идеальным кандидатом для технологий будущего, требующих огромной вычислительной мощности. К ним относятся системы искусственного интеллекта, большие центры обработки данных и передовые носимые устройства. Речь идет не просто об ускорении работы телефонов, а о создании нового поколения умных машин, способных обучаться и принимать решения, что требует быстрой обработки колоссальных объемов информации.
Эта разработка знаменует собой сдвиг в подходе к материалам в электронике. Переосмыслив как состав, так и конструкцию транзистора, исследователи открывают новые горизонты производительности. Отказ от кремния может стать поворотным моментом в истории микроэлектроники. Инновации часто происходят тогда, когда мы перестаем совершенствовать старые инструменты и создаем нечто совершенно новое. Этот транзистор, созданный благодаря прецизионным технологиям и науке о материалах, способен определить будущее вычислительной техники и умных устройств, делая их не только быстрее и меньше, но и надежнее и эффективнее.