Buzz
Sự phát triển của chip dựa trên carbon đã mở ra một bước đột phá lịch sử. Vào ngày 3 tháng 1, một bài báo được công bố trên tạp chí Nature, thông báo về việc ra đời của chất bán dẫn chức năng đầu tiên trên thế giới được làm từ graphene.
Khám phá sáng tạo này là một bước tiến quan trọng hướng tới ứng dụng thực tiễn của thiết bị điện tử graphene và mở ra những cơ hội mới cho công nghệ chip trong tương lai. Nghiên cứu này được thực hiện và hướng dẫn bởi Viện Công nghệ Georgia ở Hoa Kỳ cùng với nhóm nghiên cứu từ Đại học Thiên Tân ở Trung Quốc.
Thực tế cho thấy, chất bán dẫn graphene đã được phát triển thành công từ nửa sau của năm 2021, nhưng sau hơn hai năm kiểm chứng và cải tiến, phải đến đầu năm 2024 nó mới được công bố chính thức với thế giới. Việc công bố bài báo này đã thu hút sự chú ý rộng rãi và gây ra nhiều cuộc thảo luận sôi nổi trong cộng đồng khoa học và công nghiệp.
Trong suốt thời gian dài, vật liệu bán dẫn silic đã chiếm một vị trí quan trọng trong tự nhiên cũng như trong ngành công nghiệp điện tử, nhờ vào tính chất cơ và điện tuyệt vời của nó, tạo nên nền tảng cho ngành công nghiệp bán dẫn. Vật liệu bán dẫn silic đã thúc đẩy sự phát triển liên tục của các mạch tích hợp, đạt được sự co ngót cao của bán dẫn và cải thiện hiệu suất và hiệu quả của chip.
Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, kích thước của các thiết bị bán dẫn đã giảm xuống còn 10 nanomet, tiến gần đến giới hạn của Định luật Moore. Ở quy mô này, vật liệu bán dẫn silic khó đáp ứng được nhiều thách thức khác nhau và các bóng bán dẫn được làm từ chúng dễ bị mất ổn định hoặc hỏng hóc.
Điều này là do khi kích thước của vật liệu đạt đến bước sóng De Broglie của electron thì lưỡng tính sóng-hạt của electron sẽ xuất hiện, electron hành xử giống sóng hơn là hạt và có thể vượt qua hàng rào thế năng, gây rò rỉ hoặc đường hầm lượng tử, hiệu ứng hao mòn. Những hiệu ứng này làm tăng mức tiêu thụ điện năng của bóng bán dẫn và giảm độ tin cậy của nó.
Những thách thức này sẽ hạn chế sự co rút tiếp theo của bán dẫn và cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và chức năng của chip. Vì vậy, các nhà khoa học đang tìm kiếm một loại vật liệu bán dẫn mới có thể khắc phục những hạn chế của silic mà vẫn giữ hoặc giảm giá thành, mở ra con đường mới cho sự phát triển của mạch tích hợp.
Trong quá trình tìm kiếm vật liệu bán dẫn mới, graphene là một ứng cử viên hấp dẫn. Graphene là một vật liệu bao gồm một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp chặt chẽ thành cấu trúc tổ ong, nó dồi dào và rẻ tiền như silic và có nhiều đặc tính đáng kinh ngạc, chẳng hạn như độ dẫn điện cao, độ dẫn nhiệt cao, độ bền cao và khả năng chịu nhiệt cao... Những đặc tính này khiến graphene dự kiến sẽ được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, từ đó thúc đẩy một cuộc cách mạng trong công nghệ bán dẫn.
Tuy nhiên, ứng dụng bán dẫn của graphene lại gặp phải một số vấn đề kỹ thuật lớn, như cách chuẩn bị graphene chất lượng cao trên diện rộng và điều chỉnh khoảng cách và nồng độ chất mang của graphene.
Một hạn chế của graphene là không thể điều khiển chuyển đổi dòng điện qua điện áp bên ngoài hoặc ánh sáng như các bán dẫn thông thường, điều này hạn chế ứng dụng của nó trong mạch kỹ thuật số và thiết bị quang điện tử. Đó là lý do tại sao việc công bố bài báo này đã thu hút sự chú ý lớn, vì nó thể hiện một cách tiếp cận sáng tạo đối với bán dẫn graphene bằng cách sử dụng liên kết hóa học giữa graphene epiticular và cacbua silic.
Graphene epiticular được sử dụng để chỉ một lớp graphene phát triển trên tinh thể cacbua silic và bề mặt dưới của nó tạo thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử cacbon trong cacbua silic. Theo cách này, cacbua silic có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc dải năng lượng của graphene, khiến dải năng lượng của graphene bị tách ra và tạo thành khoảng trống.
Khoảng cách này đã được đo xấp xỉ là 0,6 electron volt, điều đó có nghĩa là nếu các electron trong graphene muốn nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, chúng cần phải vượt qua sự chênh lệch năng lượng 0,6 electron volt, để điều khiển chuyển mạch dòng điện có thể đạt được. Khoảng trống này xảy ra do các electron π ban đầu trong graphene bị hạn chế bởi cacbua silic, mất đi tính chất kim loại và trở thành chất cách điện, nghĩa là nó không còn dẫn điện nữa.
Vậy làm thế nào chúng ta có thể khôi phục lại độ dẫn điện của nó? Có hai phương pháp, một là sử dụng một lượng năng lượng nhất định, chẳng hạn như ánh sáng hoặc sưởi ấm, để cho phép các electron có đủ động năng để vượt qua hàng rào năng lượng 0,6 volt electron và chuyển từ dải hóa trị sang dải dẫn. Cách thứ hai là pha tạp các nguyên tố khác, tạo thành nồng độ chất mang cao và làm thay đổi cấu trúc điện tử của graphene. Trong graphene epiticular này, các nhà nghiên cứu đã đạt được điều này bằng cách kích thích oxy, từ đó làm cho graphene dẫn điện và hình thành chất bán dẫn loại P.
Vật liệu bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị, có thể thu hút electron nhảy vào, tạo thành dòng điện. Trong cấu trúc FET, độ linh động của graphene này đạt tới 5.000 cm vuông mỗi giây, gấp 10 lần so với silic và gấp 20 lần tốc độ cao nhất của các loại bán dẫn hai chiều khác.
Tính di động đề cập đến tốc độ di chuyển của hạt tải điện, độ linh động càng cao thì thiết bị bán dẫn làm bằng vật liệu này có thể chuyển đổi rất nhanh và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Bên cạnh đó, vì là vật liệu hai chiều nên nó cũng nhỏ gọn và linh hoạt, giúp thiết kế linh hoạt hơn.
Ưu điểm của phương pháp này là không cần chuyển graphene sang các chất nền khác mà trực tiếp thực hiện bán dẫn graphene trên cacbua silic, tránh khuyết tật và ô nhiễm có thể xảy ra trong quá trình chuyển giao và đảm bảo chất lượng cao của graphene.
Ngoài ra, phương pháp này còn có thể điều chỉnh kích thước vùng cấm của graphene bằng cách thay đổi hướng mặt phẳng tinh thể của cacbua silic, đạt được các tính chất bán dẫn khác nhau. Tuy nhiên, đòi hỏi quá trình lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao và chi phí sản xuất cao hơn so với silic thông thường.
Tham khảo: Nature; Zhihu
