Trung Quốc tham vọng sản xuất chất bán dẫn bằng công nghệ in 3D

Công nghệ in ba chiều (3D) nổi lên trong những năm gần đây, từ việc thay thế sản xuất một số mặt hàng cho đến trở thành một quy trình sản xuất với số lượng ứng dụng ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp.

Sự thành công của một quy trình in 3D phụ thuộc phần lớn vào chất lượng liên kết giữa các lớp hoặc các hạt trong vật liệu, ảnh hưởng đến các đặc tính cấu trúc của sản phẩm. Tuy nhiên, những hạn chế kỹ thuật là thách thức khi đưa công nghệ in 3D vào sử dụng để sản xuất chất bán dẫn.

Điển hình là khi in các hạt nano bán dẫn là sử dụng chất kết dính polyme, nhưng phương pháp này có thể làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết cũng như các đặc tính then chốt quyết định hiệu suất của sản phẩm.

Để vượt qua trở ngại, các nhà nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc) đã bổ sung vật liệu mới vào quá trình in 3D tạo ra chất bán dẫn đầu tiên trên thế giới bằng công nghệ này.

Các nhà nghiên cứu cho biết, công trình này là cách tiếp cận phổ quát đầu tiên đối với chất bán dẫn in 3D và các vật liệu chức năng vô cơ khác có độ phân giải ở cấp độ nano, một quá trình có thể mở đường cho những tiến bộ mới trong sản xuất thiết bị bán dẫn.

Nghiên cứu do phó giáo sư Zhang Hao và các giáo sư Li Jinghong, Lin Linhan và Sun Hongbo – tất cả đều đến từ Đại học Thanh Hoa – đồng chủ trì – đã được công bố trên tạp chí Science vào ngày 28.9.

Các nhà nghiên cứu đã có thể đạt được khả năng in trực tiếp mà không cần sử dụng chất kết dính hoặc khuôn polyme, một phương pháp mà họ cho biết đã tạo ra chất bán dẫn có độ tinh khiết cao và vẫn giữ được các đặc tính điện từ vốn có.

Phương pháp mới được đặt tên là “Pin 3D” – liên quan đến việc hình thành các tinh thể nano bán dẫn lơ lửng trong một loại mực keo được thiết kế đặc biệt. Nhóm nghiên cứu đã thêm một “chất keo” phân tử vào mực mà khi kích hoạt bằng tia laser. Điều này giúp hình thành các liên kết ổn định giữa các tinh thể nano, tạo ra các cấu trúc 3D chắc chắn.

Các nhà nghiên cứu cho biết, do tính linh hoạt của công thức mực, phương pháp này có thể được sử dụng để tạo ra nhiều loại chất bán dẫn, kim loại và oxit bán dẫn, thậm chí có thể tạo ra các cấu trúc hỗn hợp và không đồng nhất.

“Phương pháp này cho phép in 3D có độ phân giải cao mà không làm thay đổi chất lượng vốn có của tinh thể bán dẫn”, Marc S. Lavine, biên tập viên của Science cho hay.

Các vật liệu được in bằng công nghệ Pin 3D có hàm lượng tinh khiết cao, với tỷ lệ khối lượng thành phần vô cơ lớn hơn 90%. So với các vật liệu được sản xuất thông qua các phương pháp truyền thống sử dụng mẫu in hoặc chất kết dính, khó có thể vượt quá 50% thành phần khối lượng vô cơ.

Pin 3D có thể đạt được độ phân giải in 150 nanomet, nghĩa là nó có thể in các cấu trúc ba chiều phức tạp, chính xác, chẳng hạn như khuôn mặt người, bông hoa hay thậm chí là Tháp Eiffel.

So với các kỹ thuật sản xuất mạch tích hợp truyền thống là hai chiều, Pin 3D có thể tạo trực tiếp các cấu trúc ba chiều mà không cần xếp chồng các lớp. “Phương pháp của chúng tôi có tiềm năng trở thành một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí hơn để chế tạo các thiết bị bán dẫn có cấu trúc 3D”, tác giả nghiên cứu Zhang Hao nói với SCMP hôm 29.10.

Zhang cho biết, công nghệ này không nhằm mục đích thay thế việc sản xuất mạch tích hợp hiện tại mà là để bổ sung cho nó, đặc biệt đối với các thiết bị yêu cầu cấu trúc 3D. “Mặc dù nó không thể được sử dụng để sản xuất chip tốt như các quy trình thông thường, nhưng nó có tiềm năng lớn trong việc xử lý chip có kích thước vài trăm, thậm chí hàng chục nanomet”, Zhang nói thêm.

Do độ chính xác cao, Pin 3D cũng có thể được sử dụng để in chấm lượng tử, thành phần nhỏ nhất của công nghệ nano có thể tìm thấy trong màn hình TV LED, tấm pin mặt trời và ứng dụng y tế.

Theo các nhà nghiên cứu, bằng cách in các chấm lượng tử được sắp xếp với các đặc tính quang học khác nhau, một mảng pixel có thể được hình thành để đạt được màn hình độ phân giải cao ba chiều.

Trong phần trình bày trực quan, nhóm nghiên cứu đã in 3D một mảng pixel hình rồng trong các tinh thể bán dẫn màu đỏ và xanh lam, phát sáng màu hồng khi được chiếu sáng cùng nhau.

Các nhà nghiên cứu cho biết, do các cấu trúc được in chứa cả thành phần vô cơ và keo hữu cơ nên các cấu trúc được in bằng Pin 3D có thể bền hơn các vật liệu vô cơ nguyên chất.

“Các cấu trúc được in bảo tồn các đặc tính nội tại được mã hóa trong các tinh thể nano và cũng thể hiện các chức năng bổ sung bắt nguồn từ hình học 3D của chúng”, Zhang cho biết.

Mục tiêu trong tương lai của nhóm nghiên cứu bao gồm tinh chỉnh độ tinh khiết của các thành phần vô cơ đến gần 100% nhất có thể và cải tiến công nghệ quang học để nâng cao độ chính xác, tốc độ in và các đặc tính khác.