Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết đã phát triển quy trình giúp tăng tốc tăng trưởng bán dẫn hai chiều (2D) ở quy mô wafer nhanh hơn khoảng 1.000 lần so với trước. Trong bối cảnh công nghệ silicon dần chạm giới hạn thu nhỏ, kết quả này được đánh giá là có thể tạo thêm động lực cho cuộc đua vật liệu bán dẫn thế hệ mới.

Theo TechRadar ngày 16/4 (giờ địa phương), các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc cùng Viện Nghiên cứu Kim loại thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã thiết kế lại quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD). Nhóm nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật tăng trưởng màng mỏng tungsten silicon nitride đơn lớp nguyên tử ở quy mô wafer.

Điểm then chốt của nghiên cứu nằm ở cấu trúc đế. Thay vì dùng đế rắn truyền thống, nhóm sử dụng cấu trúc hai lớp gồm vàng lỏng và tungsten nhằm phá vỡ giới hạn tốc độ tăng trưởng trước đây. Nhờ đó, họ tạo ra được màng đơn lớp nguyên tử có thể điều chỉnh đặc tính pha tạp, với kích thước khoảng 1,4 × 0,7 inch. Kết quả này được xem là bước khởi đầu cho khả năng mở rộng sản xuất bán dẫn 2D hiệu năng cao.

Trong ngành bán dẫn, nhiều ý kiến cho rằng công nghệ dựa trên silicon đã tiến rất gần cấp độ nguyên tử và dư địa thu nhỏ đang dần cạn. Khi transistor tiếp tục thu nhỏ, hiệu ứng lượng tử và bài toán tỏa nhiệt trở nên nghiêm trọng hơn. Trong khi đó, nhu cầu tính toán tăng mạnh nhờ sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo (AI) và mô hình ngôn ngữ lớn (LLM), khiến việc cải thiện hiệu năng chỉ bằng kiến trúc hiện tại ngày càng khó khăn. Vì vậy, vật liệu bán dẫn 2D có độ dày ở cấp nguyên tử đang nổi lên như một phương án thay thế.

Một điểm đáng chú ý khác là sự khan hiếm vật liệu bán dẫn 2D loại p, yếu tố quan trọng trong thiết kế transistor thế hệ mới, từ lâu đã được xem là nút thắt của lĩnh vực này. Nhà nghiên cứu Zhu Meng-jian tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc nhận định việc thiếu vật liệu loại p hiệu năng cao là rào cản cốt lõi đối với quá trình phát triển bán dẫn 2D ở tiến trình 5 nm trở xuống. Màng mỏng tungsten silicon nitride mới được giới thiệu như một ứng viên để giải quyết hạn chế này.

Theo nhóm nghiên cứu, màng mỏng mới đồng thời sở hữu độ linh động lỗ trống cao, dòng dẫn khi bật lớn, độ bền cơ học tốt, khả năng tản nhiệt và độ ổn định hóa học. Vùng đơn tinh thể cũng được mở rộng tới mức dưới 1 milimet. Tốc độ sản xuất tăng từ mức tăng trưởng 0,00004 inch sau khoảng 5 giờ lên khoảng 0,0008 inch mỗi phút, tương đương cải thiện gần 1.000 lần.

Dù vậy, thương mại hóa vẫn là bài toán lớn. Nghiên cứu hiện mới dừng ở quy mô phòng thí nghiệm với màng cỡ centimet, vẫn còn xa mới đạt tới sản xuất wafer hàng loạt với tỷ lệ lỗi thấp. Ngoài ra, đế dựa trên vàng lỏng có thể phù hợp trong môi trường nghiên cứu, nhưng sẽ tạo áp lực chi phí nếu áp dụng trong sản xuất công nghiệp.

Giới quan sát đánh giá đây là một bước tiến đáng chú ý của công nghệ chế tạo bán dẫn 2D, nhưng vẫn thận trọng về khả năng triển khai trên diện rộng. Trước đó, không ít vật liệu 2D tiềm năng chỉ dừng ở cấp độ nghiên cứu mà chưa thể chuyển thành ứng dụng công nghiệp.

Yếu tố quyết định cuối cùng vẫn là khả năng mở rộng và hiệu quả kinh tế. Nếu quy trình mới đồng thời giải được bài toán sản xuất quy mô lớn và chi phí, đây có thể trở thành biến số quan trọng trong cuộc cạnh tranh bán dẫn hậu silicon.