Menší, odolnější vůči chladu, chytřejší

Profesor Daniel Hiller v technické místnosti pod centrální čistící laboratoří.

Pro KI datová centra nebo kvantové počítače musí být nano-transistory stále menší, chladitelnější a efektivnější. Jak mohou být v budoucnu vyráběny pomocí nanovláken a kvantové fyziky, vysvětluje profesor Daniel Hiller v rozhovoru. Jako Heisenbergův profesor podporovaný DFG od roku 2021 na Institutu aplikované fyziky TU Bergakademie Freiberg se věnuje výzkumu a výuce. Po pozitivním hodnocení byl Hiller jmenován oficiálně 1. srpna 2026 do funkce profesora fyziky kvantových materiálů. 

Potřebujeme je pro fotovoltaiku, tranzistory pro počítačové čipy, LED diody, obrazové senzory nebo detektory záření. Ale co jsou vlastně polovodiče?

Polovodiče se nazývají polovodiče, protože jejich elektrická vodivost je mezi izolátory, například sklem, a vodiči, například kovy. Velmi důležité je, že vodivost polovodičů lze cíleně ovlivnit – což je zásadní výhoda pro použití ve fotovoltaice a mikroelektronice. Fyzika může vlastnosti polovodičových materiálů ovlivnit cílenými změnami jejich atomové krystalové mřížky; tomu říkáme kontaminace dopováním.

V procesu dopování polovodičových materiálů jsou do nich zaváděny nebo „odstraňovány“ elektrony. Protože pouze volný elektron, který není vázán v krystalové struktuře, může přenášet proud. U polovodiče křemíku mohou být takovými konvenčními dopujícími látkami například fosfor, arsen nebo bor.

Pro nové aplikace – zejména u kvantových počítačů – musí být mikroprocesory stále menší, chladitelnější a efektivnější, že?

Přesně tak. Požadavkem je menší objem tranzistorů na mikroprocesorech při současném lepším výkonu a nižší spotřebě energie! Přibližně před deseti lety již nebylo možné dále miniaturizovat tranzistory vyráběné klasickým dopováním. Jejich charakteristické fyzikální rozměry stagnují na 15-20 nanometrech.

Další výzvou jsou kvantové počítače, které musí být většinou provozovány blízko absolutní nulové teploty -273,15 stupňů Celsia, aby byly stabilní qubity. Qubity jsou základní jednotkou informace, která se používá k zakódování dat v kvantových počítačích. Pro výměnu dat s kvantovým počítačem však bude i nadále potřeba osvědčená elektronika – která však není navržena pro provoz při takových nízkých teplotách. Protože volní nosiče náboje z konvenčního dopování polovodiče při těchto teplotách zamrznou, ztrácí se kontrola nad vodivostí.

Jaká řešení nabízí kvantová mechanika pro tyto nové požadavky?

Zde přichází do hry námi zkoumané modulované dopování. Při něm se dopující atomy, zjednodušeně řečeno, nevkládají přímo do křemíku, ale do velmi tenkých vrstev oxidu křemičitého na jejich povrchu. Abychom i přes jejich izolační vlastnosti umožnili přenos náboje, využíváme nanovlákna a takzvané kvantové tunelování. Protože při tom zůstává struktura polovodiče nezměněná, zachovává se mobilita nosičů náboje, což je výhodné pro energetickou účinnost součástek. Navíc si zachovává vodivost i při extrémně nízkých teplotách.

Spolu s různými partnery jsme již úspěšně otestovali první tranzistory s modulovaným dopováním. Nicméně je stále potřeba mnoho výzkumu a vývoje, aby bylo možné realizovat ultra malé tranzistory s optimalizovaným modulovaným dopováním.

Jak malý je „ultrakle“ pro tento účel?

Pokud se podaří dosáhnout délky tranzistorů menší než 10 nanometrů, otevřou se zcela nové možnosti pro energetickou účinnost výpočetních systémů. Pro srovnání: průměrný lidský vlas je asi 0,1 milimetru, tedy přibližně 10 000krát silnější.

Nové procesy modulovaného dopování se provádějí v Centrálním čistícím laboratoři TU Bergakademie Freiberg. Co činí práci na nich tak vzrušující?

Já sám pracuji alespoň jednou týdně v čistícím prostoru na modulovaném dopování s různými tenkými vrstvami materiálů a doprovázím studenty i doktorandy. Zatímco společně s kolegou v australském Canbeře velmi spolehlivě počítáme a modelujeme vlastnosti nových funkcionalizací polovodičových povrchů pomocí počítačových simulací, potřebujeme experiment k ověření předpovědí. V čistícím prostoru vrstvy sestavujeme podle vypočítaného „receptu“ a poté měříme vodivost nebo koncentraci nosičů náboje. Následně odvozujeme, co se ve skutečnosti v materiálu stalo – a tyto poznatky využíváme pro další vývoj procesů.

Pro výrobu ultra malých nano-transistorů bude navíc brzy k dispozici speciální zařízení: systém elektronové litografie. Práce na nových materiálech pak jistě bude ještě vzrušující!