Kiểm soát quá trình hình thành tinh thể bán dẫn 2D: Bước đột phá cho chip tương lai

Các nhà nghiên cứu vừa công bố một phương pháp có thể giải quyết rào cản lớn trong sản xuất chip thế hệ tiếp theo: kiểm soát chính xác vị trí mà tinh thể bán dẫn hai chiều (2D) bắt đầu hình thành.

Nghiên cứu mang tên "Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux" được công bố trên tạp chí Nature ngày 7/10, với sự tham gia của nhóm nhà khoa học đến từ KAIST và startup TDS Innovation (Hàn Quốc). Đây được xem là bước tiến quan trọng để đưa bán dẫn 2D từ phòng thí nghiệm ra sản xuất quy mô lớn.

Vì sao bán dẫn 2D lại quan trọng?

Vật liệu hai chiều thực chất không phải là "hai chiều" theo nghĩa hình học, mà chỉ dày đúng một lớp nguyên tử. Graphene — ví dụ nổi tiếng nhất — là một lớp carbon đơn nguyên tử, nhưng do thiếu vùng cấm (band gap) nội tại nên không phù hợp để chế tạo transistor chuyển mạch thông thường.

Trong khi đó, các đơn lớp dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMD) như molybdenum disulfide (MoS₂) lại sở hữu vùng cấm cần thiết. Chính vì vậy, chúng đang được nghiên cứu như vật liệu tiềm năng cho transistor và các linh kiện nano thế hệ mới.

Tuy nhiên, khi nuôi cấy trên wafer, tinh thể bán dẫn 2D thường bắt đầu hình thành ở những điểm ngẫu nhiên. Nhiều tinh thể mọc lên, gặp nhau và tạo ra các ranh giới làm suy giảm hiệu suất điện cũng như độ đồng nhất của linh kiện.

"Các sự kiện tạo mầm diễn ra một cách ngẫu nhiên tại những vị trí bất kỳ trong vùng nuôi cấy," nhóm nghiên cứu mô tả trong bài báo.

Giải pháp: Dùng oxy để "định hướng" tinh thể

Để mỗi vùng được tạo mẫu chỉ hình thành một tinh thể duy nhất, nhóm nghiên cứu phát triển quy trình mang tên tạo mầm đơn tâm qua dòng khắc (EF-SCN).

Cụ thể, oxy được giải phóng từ một lớp rào cản oxide sẽ tạo ra dòng khắc theo phương ngang. Dòng khắc này ức chế quá trình tạo mầm ở mọi vị trí, ngoại trừ tâm hình học của vùng được tạo mẫu.

Kết quả là tinh thể chỉ mọc lên đúng một điểm duy nhất — đúng nơi mà nhà sản xuất mong muốn.

Các nhà khoa học đã dùng quy trình này để chế tạo transistor hiệu ứng trường (FET), khối xây dựng cơ bản của chip hiện đại. Họ ghi nhận độ linh động hạt tải điện — thước đo mức độ dễ dàng di chuyển của điện tích trong vật liệu — cao hơn so với các transistor MoS₂ nuôi cấy chọn lọc trước đây.

Tỷ lệ thành công 99,3%

Trong một thử nghiệm riêng trên đế có kích thước 2 cm, quy trình tạo ra tinh thể đơn tại 397 trong tổng số 400 vị trí được tạo mẫu, tương đương tỷ lệ thành công 99,3%.

Con số này rất hứa hẹn cho khả năng mở rộng quy mô, dù vẫn chưa phải là minh chứng cho sản xuất chip thương mại.

Tác giả đồng thời của bài báo, Kibum Kang, hiện là đồng CEO của TDS Innovation — công ty phát triển thiết bị và vật liệu cho linh kiện bán dẫn 2D. Theo công ty, việc xếp chồng các linh kiện bán dẫn 2D lên chip silicon có thể đưa logic và bộ nhớ lại gần nhau hơn, từ đó tích hợp nhiều chức năng hơn trong cùng một diện tích và giảm thời gian lẫn năng lượng truyền dữ liệu.

Vật liệu bán dẫn 2D cũng đang được nghiên cứu cho CFET (transistor hiệu ứng trường bổ sung) — loại linh kiện xếp chồng transistor loại n và loại p theo chiều dọc thay vì đặt cạnh nhau. Kiểu xếp chồng 3D này từng được IBM và Intel giới thiệu.

"Dựa trên khả năng kiểm soát vị trí bắt đầu mọc tinh thể, chúng tôi sẽ tạo ra các tinh thể đơn 2D chất lượng cao một cách đồng nhất tại đúng vị trí mong muốn, và phát triển thành quy trình bán dẫn thế hệ tiếp theo giúp logic và bộ nhớ gần nhau hơn," Kang chia sẻ.

Khi nào chip bán dẫn 2D lên kệ?

Bài báo không nêu thời điểm cụ thể để bán dẫn 2D sản xuất theo cách này xuất hiện trên chip thương mại. Ông Jony Jung của TDS Innovation cho biết:

"Chúng tôi hướng tới mục tiêu cho phép sử dụng thương mại bán dẫn 2D vào khoảng năm 2030. Chúng tôi tin rằng nhu cầu ngày càng tăng từ AI — bao gồm AI vật lý (physical AI) và robot — có thể giúp đẩy nhanh quá trình ứng dụng, dù thời điểm sản xuất còn phụ thuộc vào các bước kiểm chứng tiếp theo."

Ý nghĩa với ngành bán dẫn toàn cầu

Bán dẫn 2D được xem là một trong những hướng đi tiềm năng để vượt qua giới hạn vật lý của quy trình sản xuất chip truyền thống, vốn ngày càng chật vật trước các nút tiến trình ngày càng nhỏ.

Việc kiểm soát được vị trí tạo mầm tinh thể là mắt xích còn thiếu để đưa công nghệ này từ kết quả nghiên cứu lẻ tẻ sang sản xuất có kiểm soát. Với sự tham gia của các đại gia công nghệ như TSMC, Intel và IBM trong cuộc đua chip thế hệ mới, đây là lĩnh vực mà Việt Nam — với định hướng phát triển công nghiệp bán dẫn trong thời gian tới — cần theo dõi sát sao để nắm bắt cơ hội hợp tác và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.

Dù còn nhiều bước kiểm chứng phía trước, kết quả 99,3% trên đế 2 cm cho thấy bán dẫn 2D đang tiến gần hơn bao giờ hết tới ngưỡng sản xuất công nghiệp.