Chip làm từ carbon mở ra bước đột phá lịch sử và chất bán dẫn graphene đầu tiên ra đời

Phát minh sáng tạo này là một bước tiến vững chắc hướng tới ứng dụng thực tế của thiết bị điện tử graphene và mở ra những khả năng mới cho công nghệ chip trong tương lai. Nghiên cứu này được đề xuất và hướng dẫn bởi Viện Công nghệ Georgia ở Hoa Kỳ và nhóm nghiên cứu từ Đại học Thiên Tân ở Trung Quốc đã đảm nhận công việc nghiên cứu và nghiên cứu chính. 

Trên thực tế, chất bán dẫn graphene này đã được phát triển thành công ngay từ nửa cuối năm 2021, nhưng sau hơn hai năm xác minh và sửa đổi, phải đến đầu năm 2024 nó mới được công bố chính thức với thế giới. Việc xuất bản bài báo này đã thu hút sự chú ý rộng rãi và các cuộc thảo luận sôi nổi trong giới khoa học và công nghiệp. 

Từ lâu, vật liệu bán dẫn silicon có trữ lượng dồi dào trong tự nhiên cũng như các tính chất cơ và điện tuyệt vời, khiến chúng trở thành nền tảng của ngành công nghiệp bán dẫn. Vật liệu bán dẫn silicon thúc đẩy sự phát triển không ngừng của các mạch tích hợp, đạt được độ co ngót cao của bóng 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 silicon 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 vấn đề này sẽ hạn chế sự co rút hơn nữa của bóng 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 vật liệu bán dẫn silicon mà vẫn duy trì 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 chắc chắn 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 silicon 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 diễn ra theo một cách không hề thuận lợi và phải đối mặt với một số vấn đề kỹ thuật lớn, chẳng hạn như cách chuẩn bị graphene chất lượng cao trên diện rộng và cách điều chỉnh khoảng cách và nồng độ chất mang của graphene. 

Một nhược điểm của graphene là không thể điều khiển sự chuyển đổi dòng điện qua điện áp bên ngoài hoặc ánh sáng như các chất bán dẫn thông thường, điều này hạn chế ứng dụng của nó trong các mạch kỹ thuật số và các thiết bị quang điện tử. Đó là lý do tại sao việc xuất bản bài báo này đã thu hút rất nhiều sự chú ý, vì nó thể hiện một cách tiếp cận sáng tạo đối với graphene bán dẫn bằng cách sử dụng liên kết hóa học giữa graphene epiticular và cacbua silic.

Graphene epiticular dùng 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 tác động 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 là xấp xỉ 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 được vận chuyển tự do 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.

Chất bán dẫn loại P có nghĩa là có nhiều lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị, những lỗ này có thể thu hút các electron nhảy vào trong nó, từ đó tạo thành dòng điện. Ở dạng bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET), các nhà nghiên cứu thực sự đã đo graphene bán dẫn này và nhận thấy rằng độ linh động của nó lên tới 5.000 cm vuông mỗi giây, gấp 10 lần so với silicon và gấp 20 lần tốc độ cao nhất của các loại bóng bán dẫn hai chiều khác.

Tính di động đề cập đến tốc độ di chuyển của các hạt tải điện, độ linh động càng cao nghĩa là các thiết bị bán dẫn làm bằng vật liệu này có thể chuyển đổi rất nhanh và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Hơn nữa, vì là vật liệu hai chiều nên nó cũng có kích thước nhỏ và tính linh hoạt về mặt cơ học, có thể giúp thiết bị nhỏ hơn và linh hoạt hơn trong thiết kế. 

Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu chuyển graphene sang các chất nền khác mà trực tiếp thực hiện quá trình bán dẫn graphene trên cacbua silic, do đó tránh được các khuyết tật và ô nhiễm có thể xảy ra trong quá trình chuyển giao và đảm bảo chất lượng và hiệu suất 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, từ đó đạt được các tính chất bán dẫn khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm là đòi hỏi quá trình lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao, giá thành cacbua silic cao hơn so với chất nền silicon thông thường, điều này sẽ làm tăng chi phí và khó khăn trong việc sản xuất graphene. Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải tối ưu hóa và cải tiến hơn nữa để tăng tốc độ tăng trưởng và tính đồng nhất của graphene, đồng thời giảm chi phí sản xuất và độ phức tạp của graphene nhằm đạt được sản xuất và ứng dụng graphene quy mô lớn.

Tham khảo: Nature; Zhihu