טרנזיסטור חד-אטומי הוא הטרנזיסטור המושלם

בהישג חסר תקדים בתחום המיקרו-הנדסה, פיסיקאים הצליחו לייצר טרנזיסטור פעיל המורכב מאטום יחיד הממוקם בתוך גביש סיליקון

דר. משה נחמני
בהישג חסר תקדים בתחום המיקרו-הנדסה, פיסיקאים הצליחו לייצר טרנזיסטור פעיל המורכב מאטום יחיד הממוקם בתוך גביש סיליקון.

ההתקן האלקטרוני הזעיר, שעל אודותיו נודע עתה במאמר שפורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Nanotechnology, עושה שימוש באטום זרחן יחיד הממוקם בין אלקטרודות ושערי בקרה אלקטרוסטטיים אטומיים כרכיב הפעיל שלו.

דיוק אטומי חסר תקדים זה עשוי להוביל לפיתוחה של אבן הבניין הבסיסית עבור המחשב הקוונטי העתידי, מחשב בעל יעילות מחשוב חסרת תחרות. עד עתה, חוקרים נתקלו בטרנזיסטורים חד-אטומיים רק במקרה, כאשר הם נאלצו לחפש אותם מבין התקנים רבים או לכוונן התקנים רב-אטומיים שונים על מנת לבודד את האחד שיעבוד כהלכה.
“אולם ההתקן שלנו הוא המושלם”, אומרת פרופסור Michelle Simmons, ראש קבוצת המחקר ומנהלת המרכז למחשוב ותקשורת קוונטיים באוניברסיטה האוסטרלית University of New South Wales. “זוהי הפעם הראשונה אי-פעם שמישהו הדגים בקרה על אטום יחיד בחומר עם רמת דיוק מדהים שכזו.”

להתקן המיקרוסקופי יש אפילו חיבורים זעירים נראים המעוגנים למשטח שלו על מנת שהחוקרים יוכלו להוסיף חיבורי מתכת ולהפעיל דרכם מתח חשמלי, אומר אחד מהחוקרים. “קבוצת המחקר שלנו הוכיחה כי אכן אפשר למקם אטום זרחן יחיד בסביבת סיליקון – בדיוק במקום בו אנו צריכים אותו – עם דיוק כמעט אטומי, ובה בעת ליצור שערים”, אומר החוקר. ההתקן ראוי לציון גם לאור העובדה כי התכונות האלקטרוניות שלו מתאימות במדויק לתחזיות התיאורטיות שבוצעו לפני כן ע”י קבוצות מחקר אחרות שהשתתפו במיזם.

צוות החוקרים השתמש במיקרוסקופ מינהור סורק (STM) על מנת לצפות באטומים המצויים ע”ג משטח הגביש הנמצא בתא של ואקום אולטרה-גבוה ולהזיז אותם לפי הצורך. בעזרת שיטה ליתוגרפית החוקרים הצליחו להטמיע אטומי זרחן בתוך הגבישים של התקנים פעילים ובשלב הבא לכסות אותם בשכבה בלתי-פעילה של מימן. אטומי מימן אלו הורחקו באופן בררני מאזורים מוגדרים במיוחד בגביש בעזרת חוד המתכת הזעיר מאוד של המיקרוסקופ. תגובה כימית מבוקרת המתרחשת בשלב הבא משלבת את אטום הזרחן לתוך משטח הסיליקון.

לבסוף, המבנה כולו נאטם ע”י שכבת סיליקון וההתקן מחובר חשמלית באמצעות מערכת מורכבת של חיבורים מיישרים הנמצאים ע”ג שבב הסיליקון לשם התאמת חיבורי המתכת. התכונות האלקטרוניות של ההתקן התאימו ברמה מצוינת לתחזיות התיאורטיות עבור טרנזיסטור המבוסס על אטום זרחן יחיד.

צופים כי טרנזיסטורים יתבססו על רמה של אטום יחיד כבר בשנת 2020, וזאת על מנת ליישר קו עם חוק מור המתייחס למגמה המתמשכת בחומרת מחשב, חוק הטוען כי מספר רכיבי השבב מכפיל את עצמו מדי 18 חודשים. התקדמות משמעותית זו מזרזת את אפשרות הפיתוח של הטכנולוגיה הרבה לפני לוח הזמנים הצפוי ותורמת תובנות יקרות ערך עבור היצרנים בנוגע לפעילותו של התקן מסוג זה, מסביר אחד מהחוקרים.

סרטון המתאר את התגלית