Trung Quốc tạo đột phá đưa chip máy tính vượt qua giới hạn của silicon

Trong hàng thập kỷ qua, các con chip máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ nhờ việc thu nhỏ kích thước của các bóng bán dẫn (transistor) bật/tắt dòng điện để xử lý dữ liệu.

Tuy nhiên, chất liệu silicon truyền thống đang dần tiến tới giới hạn vật lý. Nếu làm nhỏ hơn nữa, silicon sẽ bị rò rỉ điện và phát nhiệt quá mức.

Để giải bài toán này, các nhà khoa học đã tìm đến vật liệu bán dẫn siêu mỏng 2D (chỉ mỏng bằng một hoặc vài lớp nguyên tử). Mặc dù cực kỳ mỏng, các vật liệu này vẫn giữ được đặc tính dẫn điện tuyệt vời.

Các con chip dựa trên công nghệ bán dẫn silicon đang đi đến giới hạn vật lý, không thể thu nhỏ hơn được nữa.

Để một bóng bán dẫn hoạt động, nó cần một lớp cách điện (gọi là lớp điện môi cổng) nằm ngay trên vật liệu bán dẫn để điều khiển dòng electron. Nếu muốn điều khiển dòng điện tốt: Lớp cách điện phải càng mỏng càng tốt.

Hậu quả là khi phủ lớp cách điện lên bề mặt vật liệu 2D siêu mỏng, liên kết nguyên tử tại ranh giới bị phá vỡ. Việc này tạo ra các khuyết tật làm cản trở và phân tán dòng electron, khiến chip chạy chậm và kém hiệu quả.

GS Wen-Hao Chang, tác giả chính của nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Dương Minh Giao Thông (NYCU) cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng giao diện nguyên tử giữa các vật liệu cũng quan trọng không kém. Bằng cách điều chỉnh ranh giới đó, chúng tôi đã có thể giảm thiểu một trong những sự đánh đổi cơ bản đã hạn chế bóng bán dẫn hai chiều trong nhiều năm."

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Electronics, các nhà khoa học đã triển khai một quy trình gồm 3 bước. Đầu tiên họ phủ một lớp nhôm siêu mỏng lên bề mặt vật liệu bán dẫn 2D (Molybdenum Disulfide - MoS₂).

Ranh giới nguyên tử cách điện giữa các bóng bán dẫn quan trọng không kém việc thu nhỏ chúng.

Tiếp theo là oxy hóa lớp nhôm này để tạo ra một lớp đệm nhôm ôxít chỉ mỏng khoảng 0,42 nanomét, ở bước thứ ba họ mới phủ lớp cách điện chính (Hafnium Oxide).

Lớp đệm nguyên tử 0,42 nm này đóng vai trò như một "tấm đệm bảo vệ" giúp lớp cách điện phủ lên một cách bằng phẳng, đồng đều. Ngăn chặn các tương tác điện xấu giữa lớp cách điện và vật liệu 2D, giữ cho electron di chuyển mượt mà qua kênh dẫn.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu MoS₂ chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) công nghệ vốn đã tương thích với quy trình sản xuất quy mô công nghiệp trên các phiến bán dẫn (wafer), chứ không phải các mảnh bóc tách thủ công trong phòng lab.

Kết quả thử nghiệm cho thấy bóng bán dẫn mới vừa đạt khả năng kiểm soát điện cực cao, vừa giảm thiểu rò rỉ điện và duy trì tốc độ di chuyển của electron ở mức ấn tượng.

GS Tsung-En Lee, đồng tác giả nghiên cứu chia sẻ:"Khi các linh kiện bán dẫn thu nhỏ đến kích thước vài lớp nguyên tử, ranh giới giữa các vật liệu không còn đơn thuần là đường phân cách nữa, mà đã trở thành một phần chủ động quyết định hiệu năng của thiết bị."

Hoàn thiện quy trình sản xuất chip bán dẫn tại Việt Nam.