Vượt qua những rào cản của ngành bán dẫn
Theo tuyên bố chính thức được công bố trên trang web của Đại học Bắc Kinh, các nhà khoa học cho biết, đây là loại bóng bán dẫn nhanh và hiệu quả nhất từng được chế tạo. GS Bành Hải Lâm tin rằng, đột phá này đại diện cho một bước tiến mang tính cách mạng trong lĩnh vực bán dẫn.
Nếu những đổi mới dựa trên vật liệu truyền thống được coi là một con đường tắt, thì việc phát triển bóng bán dẫn từ vật liệu 2D giống như thay đổi hoàn toàn làn đường di chuyển.
Bóng bán dẫn 2D với tốc độ nhanh hơn 40% so với các chip silicon 3 nanomet tiên tiến (nguồn: iStock).
Nhóm nghiên cứu xoay quanh một loại bóng bán dẫn dựa trên bismuth, có khả năng vượt trội hơn so với các dòng chip thương mại tiên tiến nhất hiện nay của Intel (Hoa Kỳ), TSMC (Đài Loan, Trung Quốc), Samsung (Hàn Quốc) và Trung tâm Vi điện tử Liên đại học (Vương quốc Bỉ). Không giống như các bóng bán dẫn silicon truyền thống, vốn gặp khó khăn trong việc thu nhỏ kích thước và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, thiết kế mới này giúp giải quyết các giới hạn đó.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một bóng bán dẫn trường hiệu ứng cổng bao quanh (GAAFET) sử dụng vật liệu dựa trên bismuth. Đây là một bước tiến so với kiến trúc bóng bán dẫn vây (FinFET), vốn là tiêu chuẩn công nghiệp từ khi Intel thương mại hóa công nghệ này vào năm 2011.
Kỷ nguyên mới cho công nghệ chip
Các giới hạn của chip silicon ngày càng trở nên rõ ràng khi ngành công nghiệp bán dẫn nỗ lực thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn xuống dưới mức 3 nanomet. Thiết kế GAAFET loại bỏ phần “vây” trong FinFET, giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa cổng và kênh dẫn, cải thiện hiệu suất hoạt động.
Theo báo cáo của South China Morning Post, các nhà nghiên cứu so sánh sự thay đổi này với việc thay thế các tòa nhà chọc trời bằng những cây cầu kết nối, giúp các electron di chuyển dễ dàng hơn. Để tối ưu hóa hiệu suất hơn nữa, họ đã sử dụng vật liệu bán dẫn 2D, có độ dày nguyên tử đồng nhất và độ linh động điện tử cao hơn so với silicon. Trước đây, việc ứng dụng vật liệu 2D vào bóng bán dẫn gặp khó khăn về cấu trúc, nhưng nhóm nghiên cứu PKU đã khắc phục được vấn đề này.
Các nhà khoa học đã chế tạo thành công vật liệu mới từ bismuth, cụ thể là Bi2O2Se và Bi2SeO5, trong đó Bi2O2Se đóng vai trò là chất bán dẫn, còn Bi2SeO5 là vật liệu oxit có hằng số điện môi cao. Việc sử dụng những vật liệu này giúp giảm hao tổn năng lượng, hạ thấp yêu cầu về điện áp và nâng cao sức mạnh tính toán trong khi vẫn tiết kiệm năng lượng.
Thử nghiệm cho thấy, bóng bán dẫn này có thể hoạt động nhanh hơn 1,4 lần so với chip silicon tiên tiến nhất, đồng thời chỉ tiêu thụ 90% năng lượng so với các đối thủ. Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), xác nhận rằng giao diện Bi2O2Se/Bi2SeO5 có ít lỗi hơn và dòng điện chạy mượt hơn so với các vật liệu bán dẫn truyền thống.
GS Bành Hải Lâm chia sẻ, điều này giúp giảm hiện tượng tán xạ electron và hao hụt dòng điện, cho phép electron di chuyển gần như không có điện trở, tương tự như nước chảy qua một đường ống nhẵn mịn. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang làm việc để mở rộng quy mô sản xuất loại bóng bán dẫn này. Các nhà khoa học đã xây dựng thành công các đơn vị logic nhỏ, cho thấy mức tăng điện áp cao ngay cả khi hoạt động ở điện áp cực thấp. Công trình nghiên cứu này đã cho thấy, bóng bán dẫn GAAFET 2D có thể đạt hiệu suất và hiệu quả năng lượng tương đương với các bóng bán dẫn silicon thương mại, khiến nó trở thành một ứng viên tiềm năng cho thế hệ công nghệ bán dẫn tiếp theo.
TXB (theo Interesting Engineering)