Các nhà nghiên cứu Trung Quốc từ Đại học Bắc Kinh và Đại học Nhân dân đã thành công phát triển phương pháp sản xuất hàng loạt chất bán dẫn indium selenide chất lượng cao, được mệnh danh là chất bán dẫn vàng nhờ đặc tính hiệu suất vượt trội. Đột phá này, được công bố trên tạp chí Science, đại diện cho một bước tiến quan trọng hướng tới việc tạo ra các chip có thể vượt trội hơn công nghệ dựa trên silicon hiện tại.
Thành tựu này tập trung vào việc giải quyết thách thức sản xuất quan trọng từ lâu đã ngăn cản indium selenide vượt ra khỏi nghiên cứu phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật sáng tạo bao gồm việc nung nóng màng indium selenide vô định hình với indium rắn trong điều kiện kín, tạo ra giao diện lỏng giàu indium sản xuất tinh thể chất lượng cao với tỷ lệ nguyên tử 1:1 chính xác cần thiết cho hiệu suất tối ưu.
Chi phí và Tính sẵn có của Vật liệu:
- Giá indium: ~390 USD/kg (loại thương mại)
- Indium cấp bán dẫn: chi phí cao hơn 10 lần trở lên
- Độ phong phú: Tương tự như bạc nhưng phân tán hơn
- Phụ thuộc sản xuất: Chỉ là sản phẩm phụ từ khai thác kẽm
- Kích thước wafer đạt được: đường kính 5cm
 |
|---|
| Cận cảnh tấm wafer bán dẫn, minh họa cho tiến bộ công nghệ trong sản xuất chất bán dẫn |
Ưu thế hiệu suất so với Silicon
Indium selenide thể hiện sự vượt trội đáng kể so với silicon trong các chỉ số hiệu suất chính. Vật liệu này cung cấp độ linh động electron cao hơn 5-10 lần, hoạt động ở mức độ dày nguyên tử, có bandgap có thể điều chỉnh, thể hiện rò rỉ điện năng thấp hơn và cho phép tốc độ chuyển đổi nhanh hơn. Những đặc tính này khiến nó đặc biệt hấp dẫn cho các ứng dụng tốc độ cao trong trí tuệ nhân tạo, hệ thống lái xe tự động và thiết bị truyền thông tiên tiến.
Nhóm nghiên cứu đã thành công sản xuất wafer đường kính 5 cm và xây dựng mảng transistor quy mô lớn phù hợp cho tích hợp trực tiếp vào thiết bị chip. Thành tựu này đánh dấu lần đầu tiên có ai đó thành công tạo ra wafer 2 inch của indium selenide với mật độ khuyết tật đủ thấp cho các ứng dụng thương mại.
So sánh hiệu suất giữa Indium Selenide và Silicon:
- Độ linh động electron: Cao hơn silicon từ 5-10 lần
- Độ dày: Khả năng đạt độ dày ở mức nguyên tử
- Khoảng cách vùng cấm: Có thể điều chỉnh (so với cố định ở silicon)
- Rò rỉ công suất: Thấp hơn silicon
- Tốc độ chuyển mạch: Nhanh hơn silicon
Mối lo ngại về chi phí và sự khan hiếm
Bất chấp đột phá kỹ thuật, những thách thức đáng kể vẫn còn tồn tại liên quan đến khả năng thương mại hóa. Cả indium và selenium đều nằm trong số các nguyên tố ít phong phú nhất trên Trái Đất, với mức độ sẵn có tương tự như bạc nhưng đòi hỏi quy trình khai thác phức tạp hơn nhiều. Các vật liệu này phân tán cao trong tự nhiên, khiến hoạt động khai thác đặc biệt khó khăn và đắt đỏ.
Hiện tại, indium có giá khoảng 390 đô la Mỹ mỗi kilogram cho vật liệu tinh khiết thương mại, nhưng độ tinh khiết cấp độ chất bán dẫn có thể tăng giá lên mười lần hoặc hơn. Trữ lượng toàn cầu hạn chế có nghĩa là bất kỳ sự gia tăng đáng kể nào trong nhu cầu sẽ đẩy giá lên cao hơn đáng kể, vì sản xuất indium hoàn toàn phụ thuộc vào sản phẩm phụ của khai thác kẽm.
Cần lưu ý rằng đây là công nghệ để sản xuất vật liệu bán dẫn có hiệu suất rất cao, nhưng cũng có chi phí rất cao, một chi phí không thể giảm được, bởi vì cả indium và selenium đều nằm trong số các nguyên tố ít phong phú nhất trên Trái Đất.
Ứng dụng mục tiêu:
- Thiết bị truyền thông tần số cao
- Hệ thống radar quân sự
- Thiết bị xử lý AI
- Hệ thống lái xe tự động
- Thiết bị khoa học chuyên dụng
- Không phù hợp cho: CPU tiêu dùng, chip bộ nhớ, chất bán dẫn công suất
Phạm vi ứng dụng hạn chế
Chi phí cao và sự khan hiếm của vật liệu có thể sẽ hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng chuyên biệt, giá trị cao thay vì thiết bị điện tử tiêu dùng đại chúng. Các chuyên gia trong ngành cho rằng indium selenide sẽ tìm thấy thị trường ngách của mình trong hệ thống radar quân sự, thiết bị truyền thông tần số cao và các thiết bị khoa học chuyên biệt đòi hỏi khả năng xử lý tín hiệu tốc độ cao đặc biệt.
Công nghệ này không có khả năng thay thế silicon trong các ứng dụng chính như bộ xử lý máy tính, chip bộ nhớ hoặc chất bán dẫn nguồn, nơi mà cân nhắc chi phí vẫn là tối quan trọng. Thay vào đó, nó đại diện cho sự tiến bộ cho các ứng dụng cao cấp nơi hiệu suất biện minh cho mức giá cao cấp.
Đột phá này mở ra những khả năng mới cho phát triển chất bán dẫn thế hệ tiếp theo, mặc dù con đường đến việc áp dụng rộng rãi sẽ phụ thuộc nhiều vào việc tìm cách quản lý những thách thức chi phí vật liệu vốn có hoặc khám phá các ứng dụng thay thế nơi lợi ích hiệu suất vượt trội hơn các ràng buộc kinh tế.
Tham khảo: China develops new method to mass-produce high-quality semiconductors