Bộ Khoa học và ICT Hàn Quốc ngày 16/10 cho biết nhóm nghiên cứu do Giám đốc Cho Moon-ho thuộc Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu lượng tử van der Waals, Viện Khoa học Cơ bản (IBS), dẫn dắt đã phát triển công nghệ chế tạo transistor 2D dạng mô-đun bằng kỹ thuật thay thế nguyên tử có chọn lọc. Kết quả nghiên cứu được công bố cùng ngày trên tạp chí Science.

Điểm cốt lõi của công nghệ là cho phép thay đổi có chọn lọc các nguyên tử cấu thành vật liệu bán dẫn, từ đó tích hợp nhiều chức năng điện trực tiếp trên cùng một màng mỏng. Theo IBS, đây là hướng tiếp cận mới nhằm vượt qua hạn chế trong quá trình thu nhỏ linh kiện bán dẫn truyền thống.

Chất bán dẫn 2D được xem là vật liệu thế hệ tiếp theo nhờ khả năng điều khiển dòng điện ngay cả ở độ dày cấp nguyên tử, qua đó mở ra khả năng vượt giới hạn thu nhỏ của chất bán dẫn silicon. Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo linh kiện thực tế, việc kết hợp chính xác nhiều vật liệu khác nhau như lớp bán dẫn, lớp cách điện và điện cực kim loại vẫn là thách thức lớn.

Thay vì xếp chồng nhiều vật liệu khác nhau, nhóm nghiên cứu đã đề xuất phương pháp tạo trực tiếp các chức năng vật liệu cần thiết bằng cách thay thế nguyên tử ngay trong chất bán dẫn ban đầu. Cụ thể, nhóm thay thế nguyên tử selenium trong Tungsten diselenide (WSe2) bằng oxy, lưu huỳnh và tellurium, qua đó hình thành các vùng cách điện, bán dẫn và bán kim tại những vị trí mong muốn.

Nhóm cũng kiểm soát nhiệt độ phản ứng và áp suất khí để thực hiện chuyển đổi vật liệu ở độ dày từng lớp nguyên tử, khoảng 0,7 nm. Khi kết hợp với mặt nạ quy trình bán dẫn, công nghệ này còn cho phép biến đổi có chọn lọc tại các vị trí xác định.

Từ nền tảng đó, nhóm đã chế tạo transistor tích hợp đầy đủ lớp bán dẫn, lớp cách điện và vùng tiếp giáp điện cực ngay trên một màng mỏng duy nhất. Mức điện áp cần để đóng/mở dòng điện đạt 61,3 mV, tiệm cận giới hạn lý thuyết khoảng 60 mV ở nhiệt độ phòng. Tỷ lệ giữa trạng thái bật và tắt vượt 10 triệu lần.

Theo IBS, rào cản năng lượng giữa điện cực và chất bán dẫn đã giảm còn khoảng 1/3 so với phương pháp gắn trực tiếp điện cực kim loại truyền thống. Nhóm nghiên cứu cũng đạt độ dày oxit tương đương (EOT) của lớp cách điện dưới 1 nm, giúp duy trì hiệu năng ở quy mô siêu nhỏ.

Ngoài ra, nhóm còn chế tạo bộ đảo bổ sung bằng cách xếp chồng theo chiều dọc transistor loại p và loại n. Linh kiện này hoạt động ở điện áp thấp 1 V, qua đó cho thấy khả năng mở rộng sang các mạch tích hợp xếp chồng 3D trong tương lai.

Nhóm nghiên cứu cho biết sẽ tiếp tục mở rộng công nghệ này sang nhiều vật liệu bán dẫn 2D khác, đồng thời phát triển quy trình trên diện tích lớn ở quy mô wafer.

Giám đốc Cho Moon-ho của IBS đánh giá ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc đưa kỹ thuật điều khiển vật chất ở cấp độ nguyên tử trong khoa học vật liệu cơ bản vào công nghệ bán dẫn hiện đại. Theo ông, công nghệ này có thể được mở rộng không chỉ cho các chất bán dẫn tiêu thụ điện siêu thấp và siêu nhỏ, mà còn cho các linh kiện bán dẫn xếp chồng thế hệ tiếp theo.