Khe hở 0,14 nm đe dọa chip 2D, nhà khoa học tìm ra lối thoát

Bán dẫn xoắn ánh sáng mở ra kỷ nguyên mới cho màn hình hiển thị

Thành công tạo ra dòng điện spin trong graphene mà không cần từ trường

Vật liệu dựa trên công nghệ nano của MIT có thể bảo vệ phi hành gia khỏi bức xạ vũ trụ

Một khoảng trống chỉ rộng 0,14 nanomet, nhỏ hơn khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon trong cấu trúc kim cương, đang đặt ra thách thức thực sự cho tham vọng thu nhỏ chip dựa trên vật liệu 2D. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Vienna (TU Wien, Áo) phát hiện khe hở này xuất hiện giữa vật liệu 2D siêu mỏng và lớp cách điện bên trong transistor, làm suy yếu khả năng kiểm soát điện, chức năng sống còn của mọi con chip hiện đại. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science.

Vì sao ngành bán dẫn đặt cược vào vật liệu 2D

Transistor trên chip thương mại hiện nay nhỏ đến mức chỉ còn vài nanomet, và silicon ngày càng khó thu nhỏ thêm mà không sinh ra nhiệt thừa và rò điện, hai kẻ thù của hiệu suất. Đây là lý do các nhà nghiên cứu chuyển sự chú ý sang vật liệu 2D.

Vật liệu 2D như graphene hay molypden disulfua (MoS₂) chỉ dày một hoặc vài lớp nguyên tử. Độ mỏng cực hạn đó khiến chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng để chế tạo transistor nhỏ hơn và tiết kiệm điện hơn so với silicon. Trong phòng thí nghiệm, nhiều loại vật liệu 2D cho thấy đặc tính điện tử vượt trội. Vấn đề nảy sinh khi chúng rời khỏi môi trường thử nghiệm lý tưởng.

Ảnh: interestingengineering

Khe hở ẩn phá vỡ những gì phòng thí nghiệm không nhìn thấy

Vấn đề không nằm ở bản thân vật liệu 2D. Nó nằm ở ranh giới tiếp xúc giữa vật liệu đó và lớp cách điện bên trong transistor.

Trong một transistor, điện cực cổng đóng vai trò như công tắc - bật hoặc tắt dòng điện chạy qua lớp bán dẫn. Để hoạt động hiệu quả, điện cực cổng phải được tách khỏi kênh dẫn điện bằng một lớp cách điện, thường là oxit. Lớp oxit càng mỏng, công tắc càng nhạy, chip càng tiết kiệm điện.

Nhóm TU Wien phát hiện rằng liên kết giữa nhiều vật liệu 2D và lớp oxit này rất yếu, chúng chỉ bám vào nhau nhờ lực van der Waals, một dạng lực hút phân tử mờ nhạt, giống như hai tờ giấy ẩm chập vào nhau chứ không phải dán keo. Sự liên kết lỏng lẻo đó tạo ra một khe hở không thể tránh khỏi, khoảng 0,14 nanomet.

Giáo sư Tibor Grasser giải thích: "Trong nhiều sự kết hợp giữa vật liệu 2D và lớp cách điện, liên kết giữa chúng tương đối yếu. Chúng chỉ được giữ lại với nhau bởi lực van der Waals."

Khoảng trống đó làm giảm mạnh độ ghép nối điện dung giữa cổng và kênh dẫn điện, hiểu nôm na là công tắc mất độ nhạy, transistor phải cần điện áp cao hơn để hoạt động, đi ngược lại mục tiêu tiết kiệm năng lượng mà toàn ngành đặt ra. Giáo sư Mahdi Pourfath nói thẳng vào vấn đề cốt lõi: "Chỉ riêng vật liệu 2D thôi thì chưa đủ. Chúng ta cũng cần một lớp cách điện, và cách hai thứ này tương tác với nhau mới là điều quyết định."

Tại sao phát hiện này quan trọng đến mức cả ngành phải chú ý? Vì khe hở 0,14 nm xuất hiện bất kể vật liệu 2D hoạt động tốt đến đâu trong thử nghiệm đơn lẻ. Một khi được lắp vào thiết bị thực tế, giới hạn vật lý tại ranh giới tiếp xúc sẽ áp đặt lên mọi thiết kế chưa tính đến yếu tố này.

"Vật liệu khóa kéo", hướng thoát từ bẫy van der Waals

Nhóm nghiên cứu TU Wien không dừng lại ở việc chỉ ra vấn đề. Họ xác định một nhóm vật liệu có thể giải quyết nó, gọi là "vật liệu khóa kéo" (zipper materials). Tên gọi mô tả chính xác cơ chế: chất bán dẫn và chất cách điện liên kết hóa học chặt chẽ với nhau thay vì chỉ gắn bề mặt theo kiểu van der Waals lỏng lẻo.

Liên kết chặt hơn đó xóa bỏ khe hở 0,14 nm, phục hồi hiệu suất điện và mở đường cho việc tiếp tục thu nhỏ transistor. Pourfath kết luận: "Nếu ngành công nghiệp bán dẫn muốn thành công với vật liệu 2D, lớp hoạt tính và lớp cách điện phải được thiết kế đồng bộ ngay từ đầu."

Phát hiện này mang giá trị thực tiễn lập tức với các nhà sản xuất chip. Grasser xác nhận: "Chúng ta có thể dự đoán những vật liệu nào phù hợp cho các bước thu nhỏ trong tương lai, và những vật liệu nào không." Điều đó giúp doanh nghiệp tránh đổ hàng tỷ USD vào nghiên cứu và dây chuyền sản xuất cho những vật liệu sẽ vấp phải giới hạn vật lý trước khi ra được thị trường thương mại.

Ý nghĩa với cuộc đua bán dẫn toàn cầu

Bước đột phá tiếp theo trong công nghệ chip có thể phụ thuộc ít hơn vào việc tìm ra một vật liệu kỳ diệu duy nhất, và nhiều hơn vào việc thiết kế tối ưu giao diện giữa nhiều lớp vật liệu. Đây là thay đổi tư duy quan trọng với toàn ngành.

Giới khoa học nhận định, nghiên cứu từ TU Wien có thể tác động đến chiến lược R&D của các tập đoàn đang đổ nguồn lực lớn vào vật liệu 2D như một trong những ứng cử viên thay thế silicon sau nút công nghệ 2nm. Nếu "vật liệu khóa kéo" được xác nhận qua thử nghiệm thực tế quy mô lớn, lộ trình phát triển chip thế hệ tiếp theo sẽ cần được viết lại từ tầng vật liệu cơ bản nhất.

Với Việt Nam, nơi ngành bán dẫn đang xây dựng nền móng nhân lực và thu hút đầu tư từ Intel, Samsung cùng nhiều tập đoàn lớn, hiểu rõ những giới hạn vật lý như khe hở 0,14 nm giúp kỹ sư và nhà nghiên cứu trong nước nắm được bức tranh công nghệ thực tế, thay vì đặt kỳ vọng quá mức vào những vật liệu chưa vượt qua được bài kiểm tra tích hợp hệ thống.