Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc tạo các thành phần transistor bằng cách thay thế nguyên tử trong màng siêu mỏng

Bước tiến 0,7 nanomet hướng tới các công tắc điện tử nhỏ hơn

Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc đã tạo ra những thành phần chính của một transistor bên trong một màng mỏng duy nhất bằng cách thay thế một số nguyên tử được chọn, đạt khả năng kiểm soát dòng điện gần với giới hạn lý thuyết của transistor thông thường ở nhiệt độ phòng. Kỹ thuật này hoạt động trên các lớp dày khoảng 0,7 nanomet và có thể đơn giản hóa việc chế tạo các thiết bị điện tử cực nhỏ.

Nhóm nghiên cứu do Cho Moon-ho dẫn đầu, ông là giám đốc Trung tâm Chất rắn lượng tử Van der Waals thuộc Viện Khoa học Cơ bản và giáo sư xuất sắc tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang, bắt đầu với vật liệu tungsten diselenide. Bằng cách thay các nguyên tử selenium bằng oxygen, sulfur hoặc tellurium, nhóm đã tạo ra các vùng có khả năng cách điện, dẫn dòng điện hoặc hỗ trợ dòng điện đi vào chất bán dẫn.

Transistor tạo ra cần thay đổi điện áp cổng 61,3 millivolt để tăng dòng điện lên gấp mười lần, so với mức tối thiểu lý thuyết khoảng 60 millivolt ở nhiệt độ phòng. Dòng điện khi bật lớn hơn hơn 10 triệu lần so với khi tắt.

Các nhà nghiên cứu cũng chế tạo một mạch nhỏ gồm các transistor xếp chồng theo chiều dọc, có thể đảo tín hiệu điện ở mức 1 volt. Nhìn chung, những kết quả này kết nối khả năng kiểm soát chính xác từng lớp vật liệu với một mạch hoạt động được, trong khi việc mở rộng quy trình sang sản xuất chất bán dẫn vẫn là nhiệm vụ lớn tiếp theo.

Vì sao khó lắp ghép những vật liệu này

Transistor là một công tắc được điều khiển bằng điện. Thiết bị cần một kênh bán dẫn để dòng điện đi qua, một lớp cách điện cho phép cổng điều khiển kênh đó, cùng các điện cực kết nối thiết bị với phần còn lại của mạch. Mỗi bộ phận đảm nhiệm một chức năng khác nhau, vì vậy việc tạo ra các ranh giới hoạt động tốt giữa chúng là thiết yếu.

Các chất bán dẫn được gọi là hai chiều vẫn hữu ích ngay cả khi chỉ dày vài lớp nguyên tử. Tuy nhiên, bề mặt của chúng không dễ hình thành liên kết hóa học với các vật liệu khác. Điều này gây khó khăn cho việc phủ đều một lớp cách điện lên chúng. Việc gắn trực tiếp các điện cực kim loại cũng có thể làm hỏng bề mặt tiếp xúc hoặc tạo ra điện trở cản trở dòng điện.

Chuyển các màng được chế tạo riêng vào đúng vị trí rồi xếp chồng là một phương án khác, nhưng làm tăng số công đoạn sản xuất. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc tạo ra một số vật liệu cần thiết ngay bên trong màng ban đầu, giảm nhu cầu ghép các màng khác nhau lại với nhau.

Ba nguyên tử thay thế, ba chức năng khác nhau

Tungsten diselenide, viết tắt là WSe2, có một lớp nguyên tử tungsten nằm giữa các nguyên tử selenium ở phía trên và phía dưới. Các nhà nghiên cứu giữ nguyên tungsten, đồng thời thay thế có chọn lọc selenium. Việc thay đổi các nguyên tử xung quanh làm thay đổi đặc tính điện của từng vùng vật liệu đã xử lý.

Oxygen tạo ra tungsten oxide, một chất cách điện. Sulfur tạo ra tungsten disulfide, một chất bán dẫn loại n. Tellurium tạo ra tungsten ditelluride, một á kim dẫn điện được dùng ở điểm nối giữa điện cực kim loại và chất bán dẫn.

• Tungsten diselenide chưa chuyển đổi tạo thành vùng bán dẫn loại p.
• Tungsten oxide cung cấp khả năng cách điện để cổng điều khiển.
• Tungsten disulfide tạo thành chất bán dẫn loại n dùng trong các thiết bị bổ trợ nhau.
• Tungsten ditelluride hỗ trợ điện tích di chuyển giữa điện cực và chất bán dẫn.

Thuật ngữ loại p và loại n mô tả cách điện tích di chuyển trong chất bán dẫn. Ở vật liệu loại n, electron mang dòng điện. Ở vật liệu loại p, dòng điện được mô tả thông qua sự di chuyển của các lỗ trống, tức những vị trí thiếu electron mang điện tích dương. Cả hai loại đều cần thiết cho mạch bổ trợ nhau mà nhóm nghiên cứu trình diễn.

Cách nhóm nghiên cứu chọn lớp và vị trí

Nhiệt độ và áp suất khí phản ứng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát độ sâu mà những biến đổi hóa học lan vào màng. Họ tận dụng các khe nhỏ giữa những lớp vật liệu làm rào cản hạn chế sự di chuyển của các nguyên tử phản ứng, qua đó giúp ngăn quá trình chuyển đổi lan sang lớp kế tiếp.

Mỗi bước được kiểm soát tương ứng với một lớp nguyên tử dày khoảng 0,7 nanomet. Một nanomet bằng một phần tỷ mét. Con số này mô tả độ dày của lớp vật liệu được chuyển đổi; phương pháp chế tạo cũng đòi hỏi kiểm soát vị trí chuyển đổi trên bề mặt.

Các mặt nạ trong quy trình xử lý chất bán dẫn cung cấp kiểu kiểm soát thứ hai. Giống như một lớp phủ được tạo hình chính xác, mặt nạ để lộ những vùng được chọn trong khi bảo vệ các vùng khác. Kết hợp mặt nạ với khả năng kiểm soát độ sâu phản ứng cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra những vật liệu khác nhau tại các vị trí và lớp đã chọn trong cùng một màng.

Giảm rào cản tại nơi dòng điện đi vào

Vùng tiếp xúc bằng tungsten ditelluride giải quyết một vấn đề khác với việc đóng ngắt transistor: đưa điện tích vào chất bán dẫn một cách hiệu quả. Ngay cả khi kênh phản ứng tốt với cổng, hiệu năng vẫn có thể kém nếu các kết nối điện khiến điện tích khó truyền qua.

Các nhà nghiên cứu đo được rào cản năng lượng 35,5 millielectronvolt tại điểm nối giữa điện cực và chất bán dẫn. Họ cho biết mức này bằng khoảng một phần ba rào cản khi gắn trực tiếp điện cực kim loại. Rào cản năng lượng là trở ngại mà hạt tải điện phải vượt qua khi đi qua ranh giới giữa các vật liệu.

Diễn đạt dưới dạng so sánh, rào cản giảm còn một phần ba tương đương mức giảm khoảng 67%. Mức cải thiện được đo liên quan đến sự truyền điện tích tại điểm tiếp xúc. Điện năng tiêu thụ của toàn bộ mạch còn phụ thuộc vào điện áp hoạt động, dòng rò và hoạt động đóng ngắt.

Đóng ngắt gần với giới hạn ở nhiệt độ phòng

Thông số 61,3 millivolt của transistor cho biết độ nhạy khi đóng ngắt theo sự thay đổi điện áp cổng. Các kỹ sư gọi đây là độ dốc dưới ngưỡng: mức thay đổi điện áp cổng cần thiết để dòng điện thay đổi gấp mười lần khi thiết bị chuyển sang trạng thái dẫn điện.

Giá trị càng nhỏ thì một điều chỉnh điện áp càng nhỏ có thể tạo ra thay đổi dòng điện càng lớn. So với giới hạn xấp xỉ 60 millivolt ở nhiệt độ phòng đối với hoạt động của transistor thông thường, giá trị đo được chỉ cao hơn 1,3 millivolt, tức khoảng 2,2% so với mốc này.

Tỷ lệ giữa dòng điện ở trạng thái bật và tắt vượt quá 10 triệu trên một. Chỉ số này cho biết thiết bị phân biệt trạng thái dẫn điện và không dẫn điện mạnh đến mức nào. Dòng điện thấp ở trạng thái tắt rất quan trọng vì điện rò qua các transistor không hoạt động gây lãng phí năng lượng.

Rào cản tiếp xúc, phản ứng đóng ngắt và tỷ lệ dòng điện mô tả ba khía cạnh liên quan trong hiệu năng thiết bị. Tiếp xúc giúp điện tích đi vào, cổng điều tiết dòng điện đi qua, còn chênh lệch giữa dòng điện bật và tắt cho thấy transistor hoạt động như một công tắc hiệu quả ra sao.

Lớp cách điện giúp cổng kiểm soát sát hơn

Vùng tungsten oxide tạo thành lớp cách điện. Lớp này phải cách ly điện giữa cổng và kênh, đồng thời cho phép điện trường của cổng điều khiển dòng điện. Việc tạo lớp cách điện bằng cách chuyển đổi một phần vật liệu ban đầu giúp giải quyết khó khăn trong việc phủ đồng đều lên chất bán dẫn hai chiều.

Nhóm nghiên cứu cho biết lớp cách điện đáp ứng mục tiêu của Lộ trình Quốc tế về Thiết bị và Hệ thống (International Roadmap for Devices and Systems), với độ dày oxide tương đương không quá 1 nanomet. Độ dày oxide tương đương, thường viết tắt là EOT, biểu thị hiệu năng điện của chất cách điện dưới dạng độ dày của lớp silicon dioxide tham chiếu có cùng điện dung.

Do đó, EOT mô tả đặc tính điện chứ không đơn thuần là độ dày vật lý của vật liệu. Các nhà nghiên cứu được dẫn lời cho biết EOT dưới 1 nanomet; các mô tả số liệu được công bố cũng nêu mức 0,3 đến 0,4 nanomet và xấp xỉ 1 nanomet. Những mô tả này chưa thống nhất về giá trị chính xác, nhưng đều xếp lớp cách điện ở mức bằng hoặc nằm trong mục tiêu của lộ trình nêu trên.

Mạch xếp chồng hoạt động ở mức 1 volt

Các nhà nghiên cứu không chỉ thử nghiệm một transistor đơn lẻ mà còn xếp chồng theo chiều dọc một transistor loại p và một transistor loại n để tạo thành bộ đảo bổ trợ nhau. Bộ đảo là một mạch số cơ bản: đầu vào mức cao tạo ra đầu ra mức thấp, còn đầu vào mức thấp tạo ra đầu ra mức cao.

Mạch đảo tín hiệu ở điện áp hoạt động 1 volt. Để chế tạo mạch, các loại chất bán dẫn khác nhau phải phối hợp với nhau, qua đó kết nối phương pháp chuyển đổi vật liệu với một chức năng cơ bản trong điện tử số.

Cấu trúc theo chiều dọc cũng gắn thí nghiệm với kế hoạch của nhóm về các mạch tích hợp ba chiều. Sắp xếp thiết bị chồng lên nhau mở ra hướng đưa thêm nhiều mạch điện vào cùng một diện tích bề mặt, với điều kiện có thể kiểm soát vật liệu và quy trình trong toàn bộ cấu trúc nhiều lớp.

Cho, giám đốc trung tâm IBS kiêm giáo sư xuất sắc tại POSTECH, mô tả mối liên hệ giữa kỹ thuật vật liệu và chế tạo thiết bị như sau:

Nghiên cứu này kết hợp một kỹ thuật cơ bản của khoa học vật liệu là thao tác vật liệu ở cấp độ nguyên tử với công nghệ bán dẫn hiện đại,

Công bố nghiên cứu và hướng tới các tấm wafer lớn hơn

Bài báo nghiên cứu có tiêu đề Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions. MOSFET là tên gọi của một họ transistor được sử dụng rộng rãi, điều khiển bằng cổng cách điện. Chalcogen là họ nguyên tố hóa học gồm oxygen, sulfur, selenium và tellurium, những nguyên tố đóng vai trò trung tâm trong các phép thay thế.

Thông báo và ngày công bố được mô tả như sau:

• Ngày 15 tháng 10 năm 2026: Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin và Truyền thông được cho là đã công bố nghiên cứu về transistor mô-đun.
• Ngày 16 tháng 10 năm 2026, lúc 3 giờ sáng theo giờ chuẩn Hàn Quốc: Bộ ấn định thời điểm công bố trên tạp chí Science. Các mô tả khác ghi ngày thông báo công khai là 16 tháng 10.

Giai đoạn tiếp theo là áp dụng phương pháp này cho các chất bán dẫn hai chiều khác và mở rộng quy trình trên các tấm wafer, tức những đế rộng dùng để sản xuất đồng thời nhiều thiết bị bán dẫn. Để ứng dụng trong công nghiệp, cần thay thế nguyên tử đồng đều và có thể tái lập trên các bề mặt đó. Chưa có lịch trình triển khai sản xuất được công bố.

Mục tiêu thực tiễn của nhóm là cụ thể: tạo ra vật liệu hữu ích ngay tại chỗ thay vì liên tục chuyển và ghép các màng riêng biệt. Ở quy mô lớn hơn, cách làm này có thể giảm độ phức tạp của quá trình lắp ghép, đồng thời duy trì khả năng kiểm soát sát của cổng và cải thiện tiếp xúc như đã đo được trong các thiết bị thử nghiệm.

Kim Seong-su, giám đốc Văn phòng Chính sách Nghiên cứu và Phát triển của Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin và Truyền thông, cho biết chính phủ sẽ tiếp tục hỗ trợ nghiên cứu cơ bản và nền tảng để các công nghệ nguyên bản có thể góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh công nghiệp của Hàn Quốc. Công việc tiếp theo của các nhà nghiên cứu sẽ tập trung vào mở rộng diện tích xử lý, nghiên cứu thêm vật liệu và chế tạo mạch tích hợp xếp chồng.

Điểm chính

• Nhóm nghiên cứu Hàn Quốc tạo ra các thành phần chính của transistor bằng cách thay thế có chọn lọc các nguyên tử selenium trong tungsten diselenide.
• Nhiệt độ, áp suất khí và mặt nạ kiểm soát quá trình chuyển đổi trong các lớp dày khoảng 0,7 nanomet và tại những vị trí bề mặt được chọn.
• Rào cản năng lượng tại điểm tiếp xúc giảm còn 35,5 millielectronvolt, bằng khoảng một phần ba giá trị khi tiếp xúc trực tiếp với kim loại.
• Thay đổi điện áp cổng 61,3 millivolt làm dòng điện tăng gấp mười lần, gần với giới hạn xấp xỉ 60 millivolt ở nhiệt độ phòng.
• Tỷ lệ dòng điện giữa trạng thái bật và tắt vượt quá 10 triệu trên một.
• Bộ đảo bổ trợ nhau xếp chồng theo chiều dọc đã đảo tín hiệu ở mức 1 volt.
• Quy trình đồng đều trên các tấm wafer bán dẫn là yêu cầu tiếp theo để ứng dụng trong công nghiệp.