Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi Vật liệu bán dẫn hứa hẹn thay đổi ngành công nghiệp điện tử ThS Trương Đình Dũng Trường Cao đẳng Kỹ thuật thông tin Silicon chất bán dẫn phổ biến khơng tối ưu việc dẫn nhiệt Đó lý gây vấn đề nhiệt phải đầu tư hệ thống làm mát tốn thiết kế máy tính Gần đây, nhóm nghiên cứu GS Jungwoo Shin (Đại học Houston, Hoa Kỳ) rằng, arsenide boron hình khối khắc phục hạn chế silicon vật liệu bán dẫn* Cấu trúc bán dẫn arsenide boron có độ dẫn nhiệt tính di động cao cho electron lỗ trống tích điện dương Theo nhà nghiên cứu, vật liệu bán dẫn tốt tìm thấy, có khả làm thay đổi ngành công nghiệp điện tử tương lai Hạn chế silicon Silic (Si) hay gọi silicon (nguyên tố phổ biến thứ hai trái đất sau oxy) vật liệu bán dẫn sử dụng phổ biến ngành công nghiệp điện tử Ở dạng tinh khiết, silicon chìa khóa nhiều cơng nghệ đại, từ vi mạch đến pin mặt trời vai trò quan trọng thiết bị điện tử ngày như: cảm biến nhiệt độ điều hịa khơng khí, CPU máy tính, chuyển đổi tín hiệu điện thoại, tivi (hình 1) Có nhiều người lầm tưởng silicon silicone Tuy nhiên, chúng khác nhau: silicon chất tự nhiên có tính bán dẫn, silicone polymer tổng hợp làm từ silicon, oxygen nguyên tố hóa học khác, thường sử dụng nhiều carbon hydrogen Silicon chất bán dẫn lý tưởng cho việc dẫn điện, chiếm vị vô quan trọng ngành công nghiệp điện tử đại với cấu tạo hồn hảo Ngược lại, silicone thường chất lỏng chất dẻo tương tự cao su nên cách điện tốt Trong tự nhiên, silicon thường tìm thấy dạng hợp chất với oxy, nhôm magiê Để thu silicon tinh khiết phải trải qua trình chiết xuất từ hợp chất chúng Silicon sử dụng thiết bị bán dẫn dạng mạch tích hợp địi hỏi có cấu trúc đơn tinh thể độ tinh khiết siêu cao “99,999999999%”, tinh chế nhiều trình xử lý khác sau khai thác Silicon dạng tinh khiết xem nhân tố quan trọng để tạo linh kiện hoàn chỉnh diode, transistor, loại thẻ nhớ, ổ cứng SSD, HDD Các linh kiện thông qua phối hợp, lắp ghép liên kết với tạo nên bảng mạch điện tử có * Nghiên cứu cơng bố Tạp chí Science, số 377(6604), xuất ngày 21/07/2022 54 Số 10 năm 2022 Hình Một số ứng dụng silicon Mạng tinh thể silicon có cấu trúc lập phương giống cấu trúc tinh thể kim cương, nguyên tử Si liên kết với nguyên tử Si gần nhất, xem cấu trúc tương đối ổn định Tuy nhiên, đặc tính silicon chất bán dẫn chưa thể đạt đến lý tưởng hoàn toàn Silicon dẫn nhiệt khơng tốt lắm, ví dụ máy tính ln cần tới hệ thống làm mát tốn kém, xảy tượng nhiệt Hơn nữa, silicon cho phép electron chạy qua cấu trúc cách dễ dàng, lại hỗ trợ thiếu vắng electron, gọi lỗ trống Các lỗ trống electron kim loại mạng tinh thể bán dẫn di chuyển qua mạng tinh thể electron, tác động tương Khoa học Cơng nghệ Nước ngồi tự hạt tích điện dương Chúng đóng vai trò quan trọng việc vận hành linh kiện bán dẫn Những điểm yếu làm giảm hiệu tổng thể vật liệu bán dẫn silicon Hành trình khám phá cấu trúc bán dẫn Gần đây, nhóm nghiên cứu GS Jungwoo Shin (Đại học Houston, Hoa Kỳ) phát rằng, vật liệu bán dẫn cấu trúc arsenide boron (c-BAs) hoạt động tốt nhiều so với silicon Tính đến thời điểm tại, chất bán dẫn tốt tìm thấy Phát hướng cho chất bán dẫn, cách mạng hóa ngành cơng nghiệp bán dẫn tương lai Vào năm 2018, thí nghiệm cho thấy, cấu trúc c-BAs - tinh thể phát triển từ hai nguyên tố tương đối phổ biến boron asen (hình 2) có tính chất dẫn nhiệt gấp 10 lần so với silicon, sau kim cương cấu trúc boron nitride làm giàu đồng vị Hình Cấu trúc tinh thể arsenide boron Việc phân tích tính linh động electron lỗ trống cấu trúc c-BAs thách thức lớn tinh thể mà nhóm nghiên cứu thực thí nghiệm mức độ nhỏ Ngồi ra, chúng bị lẫn tạp chất làm phân tán electron lỗ trống Song với phương pháp thăm dị tinh thể xung động laser, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, electron lỗ trống có tính linh động cao vị trí mạng tinh thể với tạp chất Độ linh động electron lỗ trống đo đơn vị cm2/Vs Silicon có độ linh động electron 1.400 cm2/Vs độ linh động lỗ trống 450 cm2/Vs nhiệt độ phòng Ngược lại, theo phát mới, c-BAs có độ linh động 1.600 cm2/Vs electron lỗ trống chuyển động nhiệt độ phịng Ngồi ra, nhóm nghiên cứu rằng, độ linh động electron c-BAs lên tới 3.000 cm2/Vs Sự đột phá electron nóng có khả bảo toàn lượng, tạo xung laser vốn sử dụng để kích thích hạt mang điện tích lâu so với chúng hầu hết vật liệu khác Các electron nóng cịn gọi “hạt tải điện nóng”, electron đạt mức động cao sau gia tốc điện trường mạnh vùng có cường độ điện trường cao chất bán dẫn Do có động cao, electron vượt rào cản cần thiết để phá vỡ cấu trúc có (hình 3) Hình Dịng điện chất bán dẫn Thách thức tìm cách để tạo vật liệu với số lượng sử dụng Các phương pháp sản xuất tạo vật liệu khơng đồng chủ yếu quy mơ phịng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu phải tìm cách kiểm tra phần nhỏ cục vật liệu đủ đồng để đạt liệu đáng tin cậy Tuy nhiên, nhà nghiên cứu cho rằng, vật liệu chế tạo theo cách thực tế kinh tế, nguyên tố boron, asen kỹ thuật chế tạo tinh thể không đắt đỏ Đánh giá nghiên cứu mình, GS Jungwoo Shin cộng cho biết, nhiệt điểm hạn chế lớn nhiều thiết bị điện tử Cacbua silicon (SiC) sử dụng để thay silicon cho thiết bị điện tử công suất lớn ngành công nghiệp ôtô điện bao gồm Tesla, có độ dẫn nhiệt cao gấp lần so với silicon tính linh động electron thấp Tuy nhiên, tưởng tượng arsenide boron đạt được, với độ dẫn nhiệt cao gấp 10 lần tính linh động electron cao nhiều so với silicon Đây yếu tố làm thay đổi ngành công nghiệp điện tử ? TÀI LIỆU THAM KHẢO Jungwoo Shin, et al (2022), “High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”, Science, 377(6604), pp.437-440, DOI: 10.1126/science abn4290 https://www.greencarcongress.com/2022/07/20220724-mit.html 3.bhttps://phys.org/news/2022-07-high-carrier-mobility-cubic-boron.html 4.bhttps:// www materialstoday.com/electronic-properties/news/electrons -and-holes-cubic-boron-arsenide/ https://www.sciencedaily.com/releases/2022/07/220721141459.htm Số 10 năm 2022 55 ... rằng, vật liệu bán dẫn cấu trúc arsenide boron (c-BAs) hoạt động tốt nhiều so với silicon Tính đến thời điểm tại, chất bán dẫn tốt tìm thấy Phát hướng cho chất bán dẫn, cách mạng hóa ngành công nghiệp. .. hạn chế lớn nhiều thiết bị điện tử Cacbua silicon (SiC) sử dụng để thay silicon cho thiết bị điện tử công suất lớn ngành công nghiệp ôtô điện bao gồm Tesla, có độ dẫn nhiệt cao gấp lần so với... tự hạt tích điện dương Chúng đóng vai trị quan trọng việc vận hành linh kiện bán dẫn Những điểm yếu làm giảm hiệu tổng thể vật liệu bán dẫn silicon Hành trình khám phá cấu trúc bán dẫn Gần đây,