Phát hiện mới về chất bán dẫn 2D giúp thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng hơn

Với yêu cầu thu nhỏ các thiết bị điện tử, một xu hướng nổi tiếng là định luật Moore, mô tả cách số lượng thành phần trong mạch tích hợp của máy tính tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Xu hướng này có thể xảy ra nhờ kích thước ngày càng giảm của các bóng bán dẫn, một số bóng bán dẫn nhỏ đến mức hàng triệu bóng bán dẫn có thể được nhét vào một con chip có kích thước bằng móng tay. Nhưng khi xu hướng này tiếp tục, các kỹ sư đang bắt đầu vật lộn với những hạn chế về vật liệu vốn có của công nghệ thiết bị dựa trên silicon.

“Do hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, thu nhỏ bóng bán dẫn làm từ silicon quá nhỏ sẽ dẫn đến các tác động rất khó kiểm soát của thiết bị,” trợ lý giáo sư Ang Yee Sin của SUTD, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. “Chúng ta hiện đang tìm kiếm các vật liệu mới vượt ra ngoài‘ kỷ nguyên silicon ’và chất bán dẫn 2D là một ứng cử viên đầy hứa hẹn.”

Chất bán dẫn 2D là vật liệu chỉ dày vài nguyên tử. Do kích thước nano của chúng, những vật liệu như vậy là ứng cử viên nặng ký thay thế silicon trong nhiệm vụ phát triển các thiết bị điện tử nhỏ gọn. Tuy nhiên, nhiều chất bán dẫn 2D hiện có bị cản trở bởi điện trở cao khi chúng tiếp xúc với kim loại.

Ang giải thích: “Khi hình thành sự tiếp xúc giữa kim loại và chất bán dẫn, thường sẽ có cái mà chúng ta gọi là rào cản Schottky. "Để buộc dòng điện đi qua lớp chắn này, bạn cần phải đặt một hiệu điện thế mạnh, gây lãng phí điện và tạo ra nhiệt thải."

Điều này khơi gợi sự quan tâm của nhóm đến các tiếp điểm Ohmic hoặc các tiếp điểm bán dẫn kim loại không có rào cản Schottky. Trong nghiên cứu của họ, Ang và các cộng sự từ Đại học Nam Kinh, Đại học Quốc gia Singapore và Đại học Chiết Giang đã chỉ ra rằng một họ chất bán dẫn 2D được phát hiện gần đây, cụ thể là MoSi2N4 và WSi2N4, tạo thành các tiếp điểm Ohmic với các kim loại titan, scandium và niken, thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thiết bị bán dẫn.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu mới không bị ghim mức Fermi (FLP), một vấn đề hạn chế nghiêm trọng tiềm năng ứng dụng của các chất bán dẫn 2D khác.

Để giảm thiểu FLP, các kỹ sư thường sử dụng các phương pháp như định vị rất nhẹ nhàng và từ từ kim loại lên trên chất bán dẫn 2D, tạo ra một lớp đệm giữa kim loại và chất bán dẫn hoặc sử dụng kim loại 2D làm vật liệu tiếp xúc với chất bán dẫn 2D. Mặc dù các phương pháp này là khả thi, nhưng chúng vẫn chưa thực tế và không tương thích với việc chế tạo hàng loạt bằng các kỹ thuật công nghiệp chính thống hiện nay.

Thật ngạc nhiên, nhóm của Ang đã chỉ ra rằng MoSi2N4 và WSi2N4 được bảo vệ tự nhiên khỏi FLP do lớp ngoài Si-N trơ giúp bảo vệ lớp bán dẫn bên dưới khỏi các khiếm khuyết và tương tác vật liệu tại giao diện tiếp xúc.

Do tính năng bảo vệ này, rào cản Schottky được ‘bỏ ghim’ và có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều yêu cầu ứng dụng. Sự cải tiến về hiệu suất này giúp đưa chất bán dẫn 2D vào hoạt động thay thế cho công nghệ dựa trên silicon, với những công ty lớn như Samsung đã bày tỏ sự quan tâm đến thiết bị điện tử bán dẫn 2D.

Ang hy vọng rằng công trình của họ sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu khác thăm dò thêm các thành viên của họ chất bán dẫn 2D mới được phát hiện để tìm ra những đặc tính thú vị, thậm chí cả những chất có ứng dụng ngoài điện tử.