Nhóm nghiên cứu của Trung Quốc công bố tìm ra vật liệu bán dẫn mới

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc mới đây đã công bố một kỹ thuật mới để sản xuất hàng loạt wafer (đĩa bán dẫn) vật liệu hai chiều (2D), mở đường cho các thiết bị điện tử hiệu năng cao sử dụng vật liệu kế nhiệm silicon, theo thông tin từ tờ South China Morning Post.

Khi chip bán dẫn tiếp tục phát triển, kích thước bóng bán dẫn đang tiến dần tới những giới hạn vật lý của công nghệ dựa trên silicon. Việc tìm kiếm các vật liệu bán dẫn thế hệ tiếp theo có thể mang lại hiệu năng vượt trội đã trở thành ưu tiên trên phạm vi toàn cầu.

Trong số các ứng viên, các vật liệu hai chiều (2D) như molybdenum disulfide (MoS₂) với cấu trúc mỏng ở cấp độ nguyên tử được xem là những ứng cử viên sáng giá nhờ độ linh động điện tích cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp.

Tuy nhiên, một trong những rào cản cốt lõi đối với việc thương mại hóa là khó khăn trong việc sản xuất chúng đồng đều trên diện tích lớn và đạt chất lượng cao.

BƯỚC ĐỘT PHÁ TRONG CHẾ TẠO ĐĨA BÁN DẪN

Tờ South China Morning Post cho biết, một nhóm nghiên cứu do bà Wang Jinlan tại Đại học Đông Nam (Nam Kinh, Trung Quốc) dẫn đầu đã công bố một bước đột phá quan trọng gần đây.

Nhóm này đã giới thiệu một kỹ thuật phát triển tinh thể mới và chế tạo thành công wafer MoS₂ đơn tinh thể đường kính 6 inch (khoảng 15cm), mở ra con đường sản xuất hàng loạt chất bán dẫn 2D.

Trong phòng thí nghiệm, tinh thể MoS₂ thường được tạo ra bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), trong đó nguyên liệu ở dạng khí được đưa vào một buồng phản ứng và hấp phụ lên bề mặt nền để hình thành lớp màng mỏng hoặc tinh thể.

Tuy nhiên, các mẫu tạo ra trong phòng thí nghiệm thường quá nhỏ và thiếu đồng nhất, không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học chuyển sang phương pháp lắng đọng hơi hóa học kim loại - hữu cơ (MOCVD), sử dụng các tiền chất kim loại–hữu cơ và đã cho phép phát triển màng 8 inch.

Tuy vậy, tinh thể tạo ra theo cách này thường còn nhiều lỗi. Không những thế, quá trình phân hủy các hợp chất kim loại - hữu cơ tạo ra tạp chất carbon làm ô nhiễm mạng tinh thể.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục phát hiện ra một bước cụ thể trong quá trình kết tinh. Đây là bước “nút thắt cổ chai” khi đòi hỏi mức năng lượng cao, làm hạn chế cả tốc độ tăng trưởng lẫn chất lượng tinh thể cuối cùng.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc đưa oxy vào phản ứng có thể bỏ qua bước cần nhiều năng lượng này, tạo ra một “lối đi vòng” giúp giảm đáng kể năng lượng.

Phương pháp mới này được đặt tên là “oxy-MOCVD”. Sử dụng phương pháp này trên chất nền sapphire, nhóm đã phát triển thành công một màng MoS₂ đơn tinh thể đồng nhất đường kính 6 inch.

Các thí nghiệm thêm cho thấy phương pháp đưa oxy vào có tốc độ nhanh hơn trên 100 lần so với phương pháp MOCVD truyền thống và các màng thu được không chứa tạp chất carbon.

Các thử nghiệm điện hóa bổ sung cũng xác nhận những lợi thế của cách tiếp cận này.

TRUNG QUỐC LIÊN TỤC GHI NHẬN BƯỚC TIẾN KHOA HỌC

Các mảng transistor hiệu ứng trường được chế tạo từ tinh thể MoS₂ oxy-MOCVD 6 inch cho thấy độ linh động điện tử tối đa cao hơn hơn 10 lần so với các transistor sản xuất bằng phương pháp truyền thống.

Theo bài báo của nhóm nghiên cứu, “cách tiếp cận này đã thu hẹp khoảng cách giữa chất lượng CVD ở quy mô phòng thí nghiệm và khả năng mở rộng của MOCVD ở quy mô công nghiệp”, qua đó giải quyết thách thức then chốt về tăng trưởng đồng đều trên diện tích lớn để sản xuất hàng loạt chất bán dẫn 2D.

Trong thông tin bổ sung được đăng trên Science không lâu sau báo cáo trên, một nhóm từ Đại học Khoa học và công nghệ Bắc Kinh đã đưa ra một kỹ thuật mới cho phép quan sát quá trình tăng trưởng tinh thể MoS₂ theo thời gian thực dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Phương pháp này được kỳ vọng sẽ giúp tiếp tục giảm các lỗi trên bề mặt tinh thể.

Các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã đóng góp đáng kể vào việc khám phá nhiều loại vật liệu bán dẫn 2D có tiềm năng thay thế silicon.

Trước đó vào năm 2023, một nhóm từ Đại học Bắc Kinh đã trình diễn sản xuất hàng loạt wafer MoS₂ có đường kính từ 2 – 12 inch bằng kỹ thuật xếp chồng nền.

Vào tháng 7/2025, nhóm này tiếp tục đề xuất một chiến lược mới để tăng trưởng wafer indium selenide (In₂Se₃) đơn pha đường kính 2 inch.

Cũng trong tháng đó, một nhóm từ Đại học Phúc Đán đã phát triển bộ vi xử lý kiến trúc RISC-V 32 bit đầu tiên trên thế giới, mang tên Wuji, hoàn toàn dựa trên vật liệu bán dẫn 2D.

Bộ xử lý này thực thi các lệnh chuẩn 32 bit bằng cách sử dụng 5.900 transistor MoS₂.