Dùng graphene, các nhà khoa học tạo ra con chip có tiến trình nhỏ nhất từ trước đến nay

Mỗi khi người ta cho rằng Định luật Moore đã đi tới giới hạn của mình, các nhà khoa học lại nỗ lực tìm ra một giải pháp mới để kéo dài sự sống của nó thêm lần nữa. Giờ đây các nỗ lực nghiên cứu khoa học vật liệu đang tìm cách đưa giới hạn của Định luật Moore lên một tầm cao mới.

Trong tài liệu mới được công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học tại Đại học Thanh Hoa ở Thượng Hải cho biết, họ đã tạo ra được cực GATE trên bóng bán dẫn bằng graphene với độ rộng chỉ 0,34 nanomet – tương đương bề rộng của một nguyên tử carbon.

Đối với bóng bán dẫn, cực Gate này là một thành phần rất quan trọng khi nó được dùng để điều khiển dòng điện ra vào 2 cực Source và cực Drain. Thậm chí chiều dài cực cổng này – hay khoảng cách giữa hai cực Source và cực Drain – đã từng được đặt tên cho tiến trình sản xuất chip – một thông số cho thấy con chip đó tiên tiến và cao cấp như thế nào.

Các thành phần cơ bản của bóng bán dẫn: Cực Gate (G), cực Source (S) và cực Drain (D)

Thế nhưng từ các tiến trình gần đây (dưới 14nm trở xuống), các con số này chỉ còn mang ý nghĩa tiếp thị và định danh khi tên gọi tiến trình không còn đại diện cho chiều dài cực GATE nữa. Đó là vì nếu thu nhỏ kích thước này ngang bằng tên gọi tiến trình của nó, các giới hạn về công nghệ vật liệu sẽ làm hỏng con chip đó.

Nhưng trên thực tế, nhiều nghiên cứu đã thu hẹp khoảng cách này xuống mức 1nm và thấp hơn nữa. Nhưng đây là lần đầu tiên khoảng cách này được thu hẹp tới con số 0,34nm – bằng với kích thước của một nguyên tử carbon – và đây có thể là biên giới cuối cùng của nó. Tác giả nghiên cứu Tian-Ling Ren cho biết: "Đây có thể là node cuối cùng của Định luật Moore."

Bóng bán dẫn graphene

Cho dù silicon là hợp chất phù hợp cho việc sản xuất chip, nhưng khi thu nhỏ chiều dài cực GATE xuống dưới 5nm, các electron có xu hướng bị rò rỉ qua các cực khác trên bóng bán dẫn. Nhưng vào năm 2016, sử dụng các ống nanocarbon với một vật liệu 2D có tên Molybden Di-Sulfide, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được một cực GATE có chiều dài 1nm. Dù có điện trở cao hơn silicon, nhưng điều này đã giúp Molybden Di-Sulfide đưa chiều dài cực GATE trên bóng bán dẫn tới một giới hạn mới.

Dựa trên nghiên cứu này, các nhà khoa học thuộc đại học Thanh Hoa Trung Quốc cũng chọn Molybden DiSulfide làm vật liệu cho kênh dẫn và cực GATE trên bóng bán dẫn. Nhưng thay vì dùng ống nanocarbon, các nhà nghiên cứu lại sử dụng tấm graphene với độ dày chỉ 1nm.

Thông qua phương pháp sản xuất được gọi là lắng đọng hơi hóa học, các nhà khoa học có thể kẹp một lớp graphene giữa hai lớp chất cách điện là oxit nhôm và silicon Di-oxit. Sau đó tấm vật liệu này được khắc để tạo hình giống như bậc thang và làm lộ ra phần cạnh của tấm graphene trong bức tường thẳng đứng của bậc thang. Phần lộ ra này hình thành nên cực GATE mỏng có kích thước chỉ bằng một nguyên tử carbon.

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu phủ them một lớp Oxit Hafnium để tạo thành một không gian nhỏ giữa cực GATE và kênh dẫn được làm từ một lớp Molybden Di-Sulfide. Sau đó, họ bổ sung them hai điện cực kim loại, ở trên và dưới tấm vật liệu trên, để tạo nên cực Source và cực Drain cho bóng bán dẫn mới.

Khó trở thành hiện thực trong tương lai gần

Dù đạt tới một khoảng cách gần như không tưởng trong thế giới bán dẫn – 0,34nm – nhưng công trình này chỉ là một proof-of-concept: một minh chứng cho giả thuyết của các nhà nghiên cứu.

Cách tiếp cận này chỉ phù hợp với việc sản xuất một số lượng rất nhỏ bóng bán dẫn trong phòng thí nghiệm chứ khó có thể sản xuất hang loạt để tạo thành các con chip cho smartphone hoặc laptop của bạn. Đó là còn chưa kể đến cách tiếp cận này hầu hết đều dùng các vật liệu đắt tiền cho việc sản xuất khiến việc mở rộng quy mô sản xuất vẫn là một thách thức khó vượt qua.

Hiện tại cho dù chưa thu hẹp được khoảng cách cực GATE trên bóng bán dẫn, công nghệ sản xuất chip trên silicon vẫn tiếp tục đạt được các bước tiến mới về hiệu năng và hiệu quả năng lượng. Trong khi các bóng bán dẫn theo thiết kế FinFET đã đi dần tới giới hạn cuối của mình, những công nghệ mới như chip với thiết kế Gate-All-Around (GAA) mới, hứa hẹn sẽ tiếp tục duy trì đà tăng về hiệu năng và hiệu quả của ĐỊnh luật Moore. Quan trọng hơn, các bước tiến công nghệ này đã ở trong tầm tay, với những sản phẩm mới sẽ có mặt trong vài năm tới.