Thành tựu của nhóm Trung - Mỹ mở ra các hướng đi mới trong lĩnh vực bán dẫn
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc - Mỹ phát triển phương pháp có thể mở ra các hướng đi hoàn toàn mới để phát triển thiết bị phát quang và tích hợp hiệu suất cao.
Quy trình này được cho là có thể vượt qua các máy quang khắc truyền thống, vốn là phương pháp chính hiện nay để sản xuất các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong hầu hết thiết bị điện tử.
Khi máy quang khắc khắc mạch trên chip, tia laser chiếu thẳng đứng vào vật liệu. Nếu ánh sáng lan sang hai bên thì sẽ gây ra hư hại không kiểm soát được, đặc biệt trong các vật liệu mềm như perovskite halogenua chì.
Perovskite halogenua chì là vật liệu rất hứa hẹn cho ngành bán dẫn vì có tính chất quang - điện tử vượt trội ở dạng 2D, nhưng lại khó gia công chính xác do tính mềm và kém ổn định.
Tuy nhiên, quy trình mới này tạo ra các cấu trúc vi mô theo chiều ngang trong các vật liệu perovskite một cách có kiểm soát, bổ sung thêm một chiều mới, từ đó có thể dẫn đến những cải tiến mang tính cách mạng về hiệu năng bán dẫn.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc - Mỹ cho biết đã phát triển một kỹ thuật “tự khắc” mới, lần đầu tiên trên thế giới cho phép chế tạo các cấu trúc tinh vi trong các vật liệu perovskite siêu mỏng mà không làm hỏng cấu trúc của chúng.
Perovskite là tên gọi chung của một nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt, ban đầu được đặt theo tên khoáng vật perovskite tự nhiên (canxi titan oxit – CaTiO₃). Trong khoa học vật liệu và bán dẫn hiện đại, perovskite thường dùng để chỉ các hợp chất có cấu trúc tinh thể tương tự vậy, với công thức tổng quát dạng ABX₃, trong đó A và B là các ion kim loại hoặc phân tử hữu cơ, còn X thường là halogen như clo, brom hoặc i-ốt.
Perovskite có tính chất quang - điện tử vượt trội: Hấp thụ ánh sáng mạnh, dễ phát quang, có thể điều chỉnh dải năng lượng và dẫn điện/điện tử hiệu quả. Nhờ vậy, perovskite được xem là vật liệu rất hứa hẹn cho pin mặt trời thế hệ mới, đèn LED, màn hình hiển thị, laser và cảm biến quang.
“Vượt qua các giới hạn của phương pháp chế tạo truyền thống”
Các phương pháp xử lý bán dẫn truyền thống, chẳng hạn quang khắc (kỹ thuật sử dụng ánh sáng để tạo ra các mẫu trên vật liệu) hoặc dung môi mạnh, có thể quá khắc nghiệt với vật liệu perovskite 2D.
Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu Trung Quốc - Mỹ đã phát triển một cách tiếp cận nhẹ nhàng hơn, gọi là “tự khắc”.
Được nhóm nghiên cứu mô tả là “vượt qua các giới hạn của phương pháp chế tạo truyền thống”, kỹ thuật này có thể mở đường cho các thiết bị quang-điện tử hiệu quả và tiên tiến hơn với nhiều ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như pin mặt trời, đèn LED và bộ dò quang (cảm biến quang).
Nghiên cứu, do các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Đại học Công nghệ Thượng Hải và Đại học Purdue (Mỹ) phối hợp thực hiện, đã được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature mới đây.
Theo một chuyên gia Trung Quốc chuyên về tích hợp và thiết kế thiết bị bán dẫn tại công ty hàng đầu châu Âu, ngành công nghiệp chế tạo vi mô - nano truyền thống, dựa trên các quy trình bán dẫn truyền thống, đặc biệt phụ thuộc vào EUV (quang khắc bằng tia cực tím bước sóng cực ngắn) và thiết bị khắc tinh vi cho các kỹ thuật tiên tiến.
“Tuy nhiên, chi phí tăng theo cấp số nhân khi kích thước linh kiện ngày càng thu nhỏ”, chuyên gia (không nêu tên vì không được phép phát ngôn với truyền thông) cho biết.
Nghiên cứu nêu trên đưa ra một cách làm chip mới có thể điều khiển theo ý muốn, giúp mở đường cho các công nghệ tự hình thành cấu trúc chính xác hơn, hiệu quả hơn và thân thiện hơn với môi trường trong ngành bán dẫn.
Zhang Shuchen, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc và là tác giả chính của nghiên cứu, nói với hãng thông tấn Tân Hoa Xã rằng công trình này đã mở ra “một nền tảng vật liệu và con đường thiết kế mới cho các thiết bị phát quang và hiển thị hiệu năng cao”.
Kỹ thuật “tự khắc” đó khai thác ứng suất nội tại tích tụ bên trong quá trình tinh thể perovskite hình thành. Có thể hình dung điều này giống việc tận dụng đường nứt sẵn có trong đá để tạo ra các vết nứt có kiểm soát.
Ứng suất nội tại là lực căng hoặc nén tồn tại sẵn bên trong một vật liệu, ngay cả khi không có lực tác động từ bên ngoài.
Để kích hoạt ứng suất nội tại, nhóm nghiên cứu đã sử dụng dung dịch nhẹ gọi là ligand–isopropyl alcohol (IPA) để gây ra hiện tượng khắc tại các vị trí cụ thể trong tinh thể, tạo ra các lỗ hình vuông đồng nhất trong vật liệu.
Sau khi tạo lỗ, nhóm nhà nghiên cứu lấp đầy các khoang này bằng những loại perovskite 2D khác với các thành phần hóa học khác nhau. Điều đó tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai vùng bán dẫn khác nhau với độ chính xác tới từng nguyên tử.
Dựa trên nền tảng đó, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các đơn vị giống pixel (điểm ảnh) có thể điều chỉnh màu phát xạ và độ sáng. Kết quả là tạo ra tấm wafer tinh thể đơn chứa một “bức tranh ghép” gồm các vật liệu perovskite khác nhau, mỗi loại có đặc tính phát quang riêng.
Theo Tân Hoa Xã, mức độ kiểm soát và thiết kế chính xác như vậy được xem là “một bước then chốt” hướng tới việc tạo ra các thiết bị quang-điện tử thu nhỏ, hiệu quả cao, như màn hình hiển thị và đèn LED.
Wafer là tấm vật liệu bán dẫn rất mỏng, thường làm từ silicon, được dùng làm nền để chế tạo chip. Trong quá trình sản xuất, các mạch điện tử siêu nhỏ sẽ được khắc và tạo lớp trực tiếp lên bề mặt wafer, sau đó wafer được cắt thành nhiều chip riêng lẻ để lắp vào các sản phẩm như chip nhớ, chip xử lý hay chip AI (trí tuệ nhân tạo). Một wafer có thể tạo ra hàng trăm hoặc hàng nghìn chip, tùy kích thước và độ phức tạp của từng loại.