Trong một bước đột phá mang tính lịch sử, các nhà khoa học Trung Quốc đã chế tạo thành công tấm bán dẫn indium selenide (InSe) hai chiều (2D) đầu tiên trên thế giới trên tấm wafer hoàn chỉnh, vượt trội so với silicon và mở đường cho các con chip thế hệ tiếp theo.

Được mệnh danh là “chất bán dẫn vàng”, InSe từ lâu đã thu hút các nhà nghiên cứu với sự kết hợp lý tưởng của các thuộc tính, bao gồm độ linh động điện tử cao, khoảng trống dải năng lượng phù hợp và cấu trúc cực mỏng. Tuy nhiên, việc sản xuất nó ở quy mô lớn luôn là một thách thức, cho đến tận bây giờ.

Một nhóm các nhà nghiên cứu do giáo sư Liu Kaihui của Đại học Bắc Kinh dẫn đầu đã tìm ra lời giải bằng cách sử dụng một chiến lược tăng trưởng mới gọi là “rắn-lỏng-rắn” (solid–liquid–solid). Phương pháp này mang lại chất lượng tinh thể và độ tinh khiết pha chưa từng có trên toàn bộ tấm wafer 2 inch. Nghiên cứu báo cáo rằng các bóng bán dẫn dựa trên InSe vượt trội hơn silicon ở nhiều mặt, cho thấy độ linh động điện tử lên tới 287 cm²/V·s và độ dốc dưới ngưỡng cực thấp ở nhiệt độ phòng. Với chiều dài cổng dưới 10 nm, các thiết bị này có độ rò rỉ tối thiểu, tỷ lệ bật/tắt cao và truyền tải đạn đạo hiệu quả, thậm chí còn vượt qua các tiêu chuẩn về sản phẩm năng lượng-độ trễ của lộ trình IRDS năm 2037.

Đạt được sự phát triển của InSe ở quy mô wafer (trên tấm wafer hoàn chỉnh) không hề dễ dàng. Vật liệu này vốn rất khó xử lý do sự chênh lệch áp suất hơi lớn giữa indium và selen cùng xu hướng tạo ra nhiều pha ổn định khác nhau. Những vấn đề này từ lâu đã gây cản trở các nỗ lực tổng hợp ở quy mô lớn, thường chỉ tạo ra các mảnh rất nhỏ.

Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp chuyển đổi “rắn-lỏng-rắn”. Họ bắt đầu bằng cách phún xạ một màng mỏng InSe vô định hình lên bề mặt sapphire. Sau đó, tấm wafer được phủ một lớp indium có nhiệt độ nóng chảy thấp và bịt kín trong một khoang thạch anh. Quá trình làm nóng đến khoảng 550°C đã kích hoạt một phản ứng được kiểm soát cẩn thận, cho phép indium tạo ra một môi trường cục bộ giàu indium, thúc đẩy quá trình kết tinh đồng nhất tại bề mặt tiếp xúc. Kết quả là tạo ra một tấm wafer InSe 2 inch với độ đồng đều về độ dày, độ tinh khiết pha và cấu trúc tinh thể vượt trội, một bước tiến đầu tiên trong ngành.

Sử dụng các tấm wafer này, nhóm đã chế tạo các mảng bóng bán dẫn hiệu suất cao. Các thiết bị này không chỉ hoạt động tốt mà còn vượt trội. Chúng thể hiện độ linh động điện tử vượt xa các chất bán dẫn 2D hiện tại, cùng với hành vi chuyển mạch gần với giới hạn Boltzmann. Các bóng bán dẫn cũng cho thấy hiệu suất mạnh mẽ ở các nút mở rộng sâu, với việc giảm sự giảm rào cản do nguồn-dẫn (DIBL) và sản phẩm năng lượng-độ trễ tốt hơn các mục tiêu của Lộ trình Quốc tế về Thiết bị và Hệ thống (IRDS) cho năm 2037. “Công trình này là một bước tiến lớn trong việc phát triển tinh thể”, các nhà đánh giá của tạp chí Science đã nhận định, nhấn mạnh tầm quan trọng toàn cầu của thành tựu này.

Việc duy trì tỷ lệ nguyên tử indium và selen hoàn hảo 1:1 trong quá trình phát triển là một nút thắt lớn trong quá trình tổng hợp InSe 2D. Phương pháp của nhóm đã giải quyết hiệu quả vấn đề này, mở đường không chỉ cho InSe mà còn có tiềm năng cho một nhóm chất bán dẫn 2D rộng hơn, bao gồm các chalcogenide khác có pha không ổn định. Điều khiến bước đột phá này vô cùng ý nghĩa là khả năng tương thích của nó với các quy trình CMOS hiện có, có thể đẩy nhanh quá trình tích hợp vào thực tế. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm hiểu việc tích hợp dị thể với các vật liệu 2D khác để xây dựng các con chip đa chức năng, xếp chồng theo chiều dọc.

P.T.T (NASTIS), theo https://interestingengineering.com, 9/2025