Đề tài nghiên cứu về vật liệu bán dẫn và ứng dụng trong transistor lưỡng cực

Trong những năm gần đây, nhiều vật liệu khác nhau đã được tổng hợp và sử dụng để thực hiện vận chuyển điện tích lưỡng cực và các ứng dụng mới, nổi bật hơn hết là: transistor nhớ lưỡng cự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG MÃ MÔN: 604043 BÁO CÁO CUỐI KỲ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BÁN DẪN Đề tài NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC THÀNH VIÊN NHÓM Họ tên MSSV Lê Văn An 62000745 Lê Phúc Khang 62000093 Lưu Ngọc Phương Un 62000941 Tp Hồ Chí Minh, 11/2023 PHÂN CƠNG NHÓM Chương 1+2 1.1 Lê Văn An 1.2 2.1 2.2 2.3 Chương 2.4 Lê Phúc Khang 2.5 2.6 2.7 Chương 3 Lưu Ngọc Phương Uyên 3.1 3.2 Tổng hợp Word LỜI MỞ ĐẦU Transistor lưỡng cực loại transistor hai loại hạt tải mang điện tích dương (lỗ trống) điện tích âm (electron) di chuyển đồng thời kênh bán dẫn Các trạng thái chuyển mạch transistor lưỡng cực bao gồm trạng thái tắt chung (off - state) hai trạng thái bật (on – state) riêng biệt, trạng thái thúc đẩy lỗ trống trạng thái thúc đẩy electron Trong năm gần đây, nhiều vật liệu khác tổng hợp sử dụng để thực vận chuyển điện tích lưỡng cực ứng dụng mới, bật hết là: transistor nhớ lưỡng cực (ambipolar transistor), synap (synapse transistor), logic (logic transistor) phát quang (light-emitting transistor) đặc tính vận chuyển hạt tải hai chiều đặc biệt chúng Bài tiểu luận nêu lên tiến gần lĩnh vực transistor lưỡng cực, bao gồm nguyên tắc bản, sửa đổi giao diện, hệ thống vật liệu bán dẫn chọn, cấu trúc thiết bị, đặc tính lưỡng cực ứng dụng đầy hứa hẹn Những thách thức triển vọng tồn việc nghiên cứu transistor lưỡng cực điện tử quang điện tử Bài tiểu luận chúng em nêu bật vật liệu bán dẫn kết hợp với triển vọng transistor lưỡng cực có tác dụng thúc đẩy phát triển nhanh chóng lĩnh vực học thuật transistor lưỡng cực chiếu sáng, hiển thị, nhớ, tính tốn neuromorphic cho trí tuệ nhân tạo DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khái qt transistor ambipolar dựa vật liệu đa dạng ứng dụng tiềm chúng Hình 1.2 Khơng có điện áp cổng Hình 1.3 b: Điện áp cổng dương; c: Điện áp cổng âm Hình 1.4 d Căn chỉnh dải lượng cấu trúc MIS điện áp cổng (trái), điện áp cổng dương (giữa) điện áp cổng âm (phải) 10 Hình 2.1 Các kiến trúc phổ biến transistor ambipolar bao gồm thành phần đơn (trái), hỗn hợp (giữa) lớp kép (phải) 13 Hình 2.2 Quá trình điều chỉnh hành vi điện MoS2 2D kỹ thuật EDLT SE 15 Hình 2.3 Quá trình điều chỉnh hành vi điện vật liệu MoTe2 hai chiều (2D) kỹ thuật dual-top-gate, CD (contact doping), SCTD (strain-controlled tunneling diode) 19 Hình 2.4 Quá trình điều chỉnh hành vi điện vật liệu WSe2 hai chiều (2D) kỹ thuật dual-bottom-gate (ED technique), trình điều chỉnh hành vi điện vật liệu BP hai chiều (2D) với kim loại tiếp xúc khác 21 Hình 2.5 Ảnh hưởng độ kết tinh hình thái lớp vỏ Si lên bóng bán dẫn dựa dây nano Ge/Si 25 Mục lục PHÂN CƠNG NHĨM LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AMBIPOLAR TRANSISTOR 1.1 Giới Thiệu Về Ambipolar Transistor .6 1.2 Cấu trúc nguyên lý Ambipolar Transistor .8 1.2.1 Cấu trúc .8 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 10 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến Ambipolar Transistor 11 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN 13 2.1 Phân loại chất bán dẫn 13 2.2 Molybdenum Dichalcogenides (MoS2, MoTe2, and MoSe2) .14 2.3 Tungsten Dichalcogenides (WS2, WSe2, and WTe2) 19 2.4 Photpho đen (BP) 21 2.5 Vật liệu 2D khác .22 2.6 Vật liệu 1D 24 2.7 Organic-Inorganic Hybrid Material 25 2.7.1 Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Materials (OIHPMs) .25 2.7.2 Organic–Inorganic Bilayer .26 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG, KẾT LUẬN VÀ THÁCH THỨC 28 3.1 Thách thức 28 3.2 Kết luận 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ AMBIPOLAR TRANSISTOR 1.1 Giới Thiệu Về Ambipolar Transistor Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật mạng lưới máy tính cơng nghệ thơng tin, trí tuệ nhân tạo (AI), đề cập đến vấn đề trí tuệ thể hệ thống điện tử sản xuất nhân tạo dùng Internet vạn vật (IoT) kết nối vật thể vật lý thông thường với hệ thống không gian mạng Điều thu hút nhiều ý cộng đồng học thuật công nghiệp Để thực chức phức tạp chúng, nhiều thành phần điện tử bắt buộc phải hoạt động khối hệ thống chức Transistor tảng, thành phần quan trọng thiết bị sản phẩm điện tử đại.[1] Kể từ năm 1950, transistor thay ống chân không sản xuất hàng loạt mạch tích hợp vi xử lý Transistor có ưu điểm như: chi phí thấp, linh hoạt độ tin cậy Điều tạo cuốc cách mạng hóa ngành điện tử, làm cho thiết bị điện tử nhỏ hơn, rẻ hiệu nhiều.[2–9] Theo đặc tính chuyển mạch (switching characteristic) hạt tải điện chiếm ưu chất bán dẫn, tính phân cực transistor phân loại là: • Đơn cực (loại p lỗ trống chi phối loại n electron chi phối) • Lưỡng cực (lỗ trống electron đóng góp tương đương nhau) Transistor lưỡng cực có khả tích hợp hiệu suất điện p n-type vào thiết bị Từ nhận nhiều quan tâm thảo luận nhà nghiên cứu từ lĩnh vực khác hóa học hữu khoa học thiết bị.[10] Tuy nhiên, nay, phần lớn transistor thể vận chuyển điện tích đơn cực theo lý thuyết, chất bán dẫn có khả di chuyển lỗ trống electron theo vật lý chất bán dẫn Để mục đích chế tạo transistor lưỡng cực hiệu suất cao với độ linh động tải điện lớn tỷ lệ bật/tắt cao điện áp ngưỡng thấp, vật liệu bán dẫn phải thích hợp với khoảng cách độ rộng vùng cấm (bangap) tương đối nhỏ, đặc tính bề mặt phẳng không vết xước, gãy nứt bề mặt, điện cực phải tiếp xúc với rào cản tiếp điện tích Trong năm qua, nhiều loại vật liệu bán dẫn bao gồm phân tử nhỏ hữu cơ,[11] polyme liên hợp,[12] vật liệu 2D,[13] vật liệu hybrid hữu - vô cơ[14] sử dụng để thực vận chuyển điện tích lưỡng cực ứng dụng Transistor lưỡng cực vận chuyển hai loại hạt tải điện đồng làm cho việc chế tạo đảo CMOS (bổ sung kim loại – oxit - bán dẫn) đơn giản chế độ đơn cực riêng biệt kiểm sốt chúng Ngoài việc chế tạo transistor phát quang lưỡng cực tích hợp đặc tính chuyển mạch (tính chất transistor) khả phát sáng (tính chất diode phát quang) vào thiết bị đơn vị hiệu hơn.[10,15] Hơn nữa, cách thêm hai lớp khác (cổng điện môi hầm), transistor ambipolar sử dụng nhớ flash biết đến với khả hiển thị cửa sổ nhớ lớn nhiều nhờ dịch chuyển ngưỡng điện áp hai chiều dựa chế “trapping/detrapping”.[16] Lấy cảm hứng từ tương đồng chảy chất dẫn truyền thần kinh khe synap hoạt động vận chuyển bẫy hạt tải điện, transistor lưỡng cực có tiềm lớn cho việc mơ synap nhân tạo tính tốn neuromorphic trí tuệ nhân tạo.[17] Tóm lại, đánh giá cung cấp tổng quan toàn diện transistor lưỡng cực, bao gồm cấu trúc bản, nguyên tắc hoạt động, vật liệu bán dẫn, đặc tính giao diện tiếp điểm điện cực, kiến trúc thiết bị, hiệu suất lưỡng cực ứng dụng tương lai Các vật liệu bán dẫn lựa chọn để làm transistor lưỡng cực thảo luận so sánh, bao gồm: vật liệu hữu cơ, vật liệu 2D vật liệu hybrid vô cơhữu Tập trung vào ứng dụng đầy transistor lưỡng cực: nhớ flash lưỡng cực, transistor synap nhân tạo, thiết bị logic transistor phát quang Các thách thức triển vọng phát triển ứng dụng tương lai transistor lưỡng cực điện tử in nói đến Hình 1.1 Sơ đồ khái quát transistor ambipolar dựa vật liệu đa dạng ứng dụng tiềm chúng 1.2 Cấu trúc nguyên lý Ambipolar Transistor 1.2.1 Cấu trúc Các transistor ambipolar cho phép vận chuyển đồng thời electron lỗ trống tích lũy chúng bán dẫn.[18,19] Một transistor ambipolar thường xây dựng từ: điện cực cổng, lớp cách điện, lớp bán dẫn hai điện cực nguồn (source) – máng (drain) (Hình 1.2) Hình.1.2: Khơng có điện áp cổng Ba phần tạo thành kiến trúc kim loại - cách điện - bán dẫn MIS (M- Metal;I- Insulator;S- Semiconductor) có khả thúc đẩy lỗ trống electron tích lũy giao diện cách điện lớp bán dẫn thông qua việc áp vào điện áp cổng cụ thể Các điện cực source - drain bổ sung tiếp xúc với giao diện lớp hoạt động chi phối trình tiêm hạt tải điện cần thiết cho trình tích lũy Các lỗ electron tiêm vào chuyển dịch dựa điện áp khác áp dụng ba điểm Do đó, lượng cực tính chất mang điện vùng tích lũy khác điện áp cổng với độ biến đổi cực tính đa dạng (điện áp cổng dương cho tích lũy electron điện áp cổng âm cho tích lũy lỗ trống ), điều cuối dẫn đến khác biệt điện dẫn transistor (Hình 1.3 b, c) Hình 1.3 b: Điện áp cổng dương; c: Điện áp cổng âm Về mặt uốn dẹp dải liên kết MIS (Hình 1.4 d), transistor có khả tích lũy hai loại chất mang (tuân theo điện trường ngoại vi áp dụng điện cực cổng) trạng thái lý tưởng theo hiệu ứng trường điện Tuy nhiên, đa số lớn transistor hiển thị hiệu điện chiều (chỉ p- n-type) Trên thực tế, đặc trưng bẫy điện tích (residual charge trap) dư khuyết tật hốc lớp bán dẫn giao diện lớp cách điện lớp bán dẫn bắt giữ chất mang thiểu số từ cản trở trình tích lũy chúng Ngồi ra, băng thơng (bandwidth) khác vùng dẫn vùng hóa trị valence tạo khả vận chuyển khác hai chất mang điện làm cho khả tích lũy hạt không đồng Cả hai lý làm cho trình lưu trữ electron lỗ trống trở nên khó khăn transistor thơng thường Các nhà nghiên cứu gọi điều kiện điều kiện đảo ngược mạnh (strong inversion condition) tìm số phương pháp để giải khó khăn đạt vận chuyển lưỡng cực.[20] Hình 1.4 d Căn chỉnh dải lượng cấu trúc MIS điện áp cổng (trái), điện áp cổng dương (giữa) điện áp cổng âm (phải) 1.2.2 Nguyên lý hoạt động Mặc dù có số lượng electron lỗ trống khác tồn bán dẫn, electron lỗ trống đóng góp vào dịng chảy kênh transistor hoạt động chế độ ambipolar Cho đến nay, nhà khoa học đưa số lý thuyết để giải thích nguyên tắc hoạt động transistor ambipolar Hầu hết chúng dựa mô tả Pao-Sah (chủ yếu sử dụng transistor unipolar) xấp xỉ kênh tốt nghiệp Tuy nhiên, mơ hình bỏ qua q trình tái tụ hợp vận chuyển điện tử đặc tính liên hệ, hai trình trình quan trọng hiệu suất ambipolar Sau đó, mơ hình sửa đổi đưa riêng Paasch et al Schmechel et al Lần lượt Paasch et al xem xét liên hệ trình tái tụ hợp sử dụng mô số học 2D cho kiến trúc mơ hình lớp nhất, từ thành công việc hiểu transistor ambipolar hai lớp trước Trong đó, Schmechel et al đề xuất mơ hình mạch tương đương bao gồm mạng nối tiếp điện trở tụ thu phương trình giống Shockley dựa giả định (xác suất tái tụ hợp lớn vận chuyển điện tử), cuối dẫn đến phù hợp tốt với kết thực nghiệm Đối với transistor ambipolar, hai loại vận chuyển điện tích tích lũy đồng thời cần hai ngưỡng ngưỡng khác (Vth,n cho electron Vth,p cho lỗ) Dựa giả định đề cập, thu ba chế độ hoạt động khác (hoạt động chế độ tích tụ electron) liệt kê sau: 10 Bảng 2.1: Khả di động, tỷ lệ on/off số bóng bán dẫn lưỡng cực dựa vật liệu 2D 2.6 Vật liệu 1D Nhờ khả điều khiển tốc độ độ dẫn lượng tử hóa nên vật liệu 1D nhận nhiều ý việc sản xuất FET Ví dụ: dây nano, dải nano, nano, Ngồi dây nano cịn có ưu điểm có hiệu suất điện dễ kiểm sốt nhờ có kênh vận chuyển độc lập (kênh lõi kênh vỏ) Đối với vật liệu 1D, độ kết tinh, hình thái độ dày vỏ ba yếu tố để điều chỉnh “ambipolar behaviors Đã có chứng minh độ kết tinh hình thái lớp vỏ Si quan trọng bóng bán dẫn sở dây nano có lõi Ge vỏ Si [62] Khi sử dụng Si vô định hình (a-Si), bóng bán dẫn thể thuộc loại p mạnh lõi Ge chiếm ưu trình vận chuyển Cịn 24 sử dụng tinh thể Si (c-Si), bóng bán dẫn thuộc loại n mạnh vận chuyển điện tích sơ cấp xác định lớp vỏ Si Vật liệu 1D không phù hợp để nghiên cứu vận chuyển điện tích mà cịn vật liệu tiềm cho mạch quang điện tử tích hợp phức tạp hiệu suất điện tính chất vật lý loại vật liệu cần mạch quang điện Hình 2.5 Ảnh hưởng độ kết tinh hình thái lớp vỏ Si lên bóng bán dẫn dựa dây nano Ge/Si 2.7 Organic-Inorganic Hybrid Material 2.7.1 Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Materials (OIHPMs) Vật liệu perovskite lai vô cơ-hữu theo đuổi mạnh mẽ có hiều ứng dụng tiềm nhiều lĩnh vực pin mặt trời, cảm biến, bóng bán dẫn, Chúng kết hợp giữ khả xử lí tốt vật liệu hữu khả 25 vận chuyển vật liệu vô CH3NH3PbI3 Formamidinium chì iodide (FAPbI3) vật liệu tiêu biểu (OIHPMs) + Nếu CH3NH3PbI3 chất bán dẫn, độ linh động lỗ rống thiết bị tăng lên 3,55 cm2 V-1 s-1 Nếu đưa MnO3 vào lớp đệm số lên đến 7,47 cm2 V-1 s-1 [63] Ngồi ra, halogenua chì ngày ý cịn dễ dàng tổng hợp từ thành phần phổ biến halogenua amin hữu halogenua chì + FAPbI3 vật liệu nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực pin mặt trời tách sóng quang khả hấp thụ dãi sáng đỏ.[64,65] Tuy nhiên, nhược điểm vật liệu cấu trúc pha α khơng ổn định chuyển đổi thành cấu trúc pha δ ổn định (pha lục giác màu vàng) nên gây ảnh hưởng xấu đến hiệu suất điện tử quang học Tóm lại, OIHPMs loại vật liệu thích hợp để chế tạo bóng bán dẫn lưỡng cực với số vượt trội độ linh động Đây loại vật liệu đầy hứa hẹn tương lai việc ứng dụng vào thiết bị điện tử 2.7.2 Organic–Inorganic Bilayer Nhược điểm vật liệu bán dẫn thành phần vận chuyển điện tử lỗ trống hầu hết thời gian khơng cân tốt Ví dụ , chất bán dẫn hữu vận chuyển đồng thời lỗ trống điện tử Tuy nhiên, hầu hết chất bán dẫn hữu cơ, vận chuyển điện tử so với vận chuyển lỗ trống Ngược lại, hầu hết chất bán dẫn vơ thể đặc tính loại n có độ linh động điện tử cao Do đó, lớp kép hữu vơ phương pháp kết hợp ưu điểm vật liệu hữu vô để tạo khả vận chuyển vượt trội cho điện tử lỗ trống VD: ZnO, In2O3, SnO2 kết hợp với vật liệu hữu loại p Việc lựa chọn vật liệu hữu cần có độ kết tinh tốt độ linh động lỗ trống cao Do pentacene vật liệu phù hợp ưu tiên lưa chọn Khi kết hợp, độ linh động điện tử lỗ trống tăng lên đáng kể chúng lại không cân thông số điện tử lớn nhiều so với lỗ trống Độ linh động điện tử lỗ trống cân tốt đạt thành công cách sử dụng kết hợp hợp lý oxit ki loại loại n hệ thống lai bán dẫn hữu loại p Ví dụ: Oxit indi-gali-kẽm vơ định hình (a-IGZOs) chất bán dẫn loại 26 n có độ linh động lớn ứng dụng rộng rãi bóng bán dẫn độ tin cậy tính đồng cao Khi a-IGZOs sử dụng vào bóng bán dẫn độ linh động điện tử lỗ trống cân ổn định mơi trường lâu dài.[66] Tóm lại, bóng bán dẫn lưỡng cực hai lớp hữu vơ tận dụng tối đa hiệu suất điện vượt trội thành phần tiếp xúc dị thể p-n 27 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG, KẾT LUẬN VÀ THÁCH THỨC 3.1 Thách thức Các nghiên cứu gần bóng bán dẫn lưỡng cực đạt tiến đáng kể khía cạnh nguyên tắc hoạt động, vật liệu, cấu trúc phương pháp chế tạo, ứng dụng Tuy nhiên, số thách thức cần giải quyết, bao gồm: Đối với vật liệu bán dẫn hữu cơ: ✓ Mối quan hệ cấu trúc hóa học đặc tính điện chưa hiểu đầy đủ ✓ Cần cải thiện hiệu suất lưỡng cực thực tế so với dự đoán lý thuyết ✓ Cần phát triển kỹ thuật xây dựng phân tử để thiết kế cấu trúc phân tử hợp lý Cần phát triển vật liệu bán dẫn lưỡng cực vô định hình có đặc tính vận ✓ chuyển chất mang đẳng hướng Cần cải thiện độ ổn định hoạt động mơi trường xung quanh bóng ✓ bán dẫn lưỡng cực hữu Cần phát triển phương pháp chế tạo nhiệt độ thấp sử dụng dung môi thân ✓ thiện với mơi trường • Đối với vật liệu bán dẫn vô hữu cơ-vô cơ: ✓ Cần cải thiện độ linh động điện tử lỗ trống ✓ Cần phát triển vật liệu có độ ổn định cao môi trường lâu dài ✓ Cần phát triển phương pháp chế tạo đơn giản hiệu • Đối với cấu trúc phương pháp chế tạo: Cần phát triển cấu trúc phương pháp chế tạo để cải thiện hiệu suất ✓ độ tin cậy bóng bán dẫn lưỡng cực • Đối với ứng dụng: 28 Cần nghiên cứu thêm ứng dụng bóng bán dẫn lưỡng cực ✓ • Thử thách hội cho bóng bán dẫn hai chiều Vật liệu bán dẫn hai chiều (2D) mang lại đặc điểm hứa hẹn cho bóng bán dẫn hai cực khả vận chuyển điện tích vượt trội tỷ lệ bật/tắt cao Tuy nhiên, số trở ngại cản trở trình chuyển đổi bóng bán dẫn hai chiều dựa vật liệu 2D từ nghiên cứu sang ứng dụng thực tế: Kỹ thuật điều biến: Các bóng bán dẫn hai cực thường dựa vào kỹ thuật điều biến phức tạp, chẳng hạn điện trở lớp kép, làm tăng độ phức tạp q trình sản xuất khó tích hợp Việc phát triển phương pháp điều biến đơn giản, chẳng hạn doping hóa học ủ bầu khơng khí đặc biệt, điều cần thiết để đạt trạng thái hai cực vật liệu 2D Sản xuất quy mô lớn: Hầu hết vật liệu 2D sản xuất phương pháp bóc tách học, có liên quan đến hạn chế q trình chuyển giao phức tạp, chi phí cao hạn chế việc sản xuất màng lớn Việc khám phá kỹ thuật sản xuất quy mô lớn chi phí thấp, chẳng hạn CVD, MBE paste điện tử, điều cần thiết để sản xuất màng vật liệu 2D phù hợp với bóng bán dẫn hai cực Bóng bán dẫn hai cực linh hoạt: Bóng bán dẫn hai cực linh hoạt có tiềm lớn chưa nghiên cứu nhiều Việc phát triển phương pháp sản xuất đơn giản hiệu để xếp chồng cấu trúc dị nguyên vdW bóng bán dẫn hai cực điều cần thiết để tạo thiết bị linh hoạt Vật liệu 2D hữu hữu cơ-vơ mới: Ngồi hệ vật liệu 2D vô truyền thống, chẳng hạn TMD BP, vật liệu 2D hữu hữu cơ-vô mới, chẳng hạn COF, CP perovskite, mang lại hội đầy hứa hẹn cho bóng bán dẫn hai cực Hệ vật liệu hiệu suất thiết bị: Đạt sản xuất quy mơ lớn, đơn giản, chi phí thấp, tích hợp cao, linh hoạt ổn định đa dạng hệ vật liệu điều cần thiết cho phát triển bóng bán dẫn hai chiều dựa vật liệu 2D 29 • Cơ hội thách thức cho bóng bán dẫn hỗn hợp hữu cơ-vơ pha trộn (OIHPM) bóng bán dẫn lớp kép hữu cơ-vô (OIDL) OIHPM OIDL transistor thể đặc tính hứa hẹn cho bóng bán dẫn hai cực cấu trúc phân tử độc đáo kết hợp vật liệu điều chỉnh chúng Tuy nhiên, thách thức: Tăng cường độ di động: Độ di động điện tích OIHPM OIDL transistor cần cải thiện Tăng cường độ ổn định môi trường: Độ ổn định môi trường vật liệu thiết bị cần tăng cường Các nỗ lực tương lai nên tập trung vào: • Thiết kế cấu trúc phân tử: Thiết kế cẩn thận cấu trúc phân tử để cải thiện độ di động độ ổn định mơi trường • Kết hợp vật liệu: Khám phá kết hợp vật liệu cấu trúc thiết bị khác để tăng cường độ di động điện tích Thử thách hội cho nhớ hai cực Bộ nhớ hai cực nghiên cứu rộng rãi cho ứng dụng tiềm chúng cửa sổ nhớ lớn, lưu trữ đa cấp, tốc độ chuyển đổi nhanh, độ lệch kích hoạt thấp khả giữ bền bỉ tốt Tuy nhiên, số thách thức: Hiệu suất điện tử: • Tốc độ chuyển đổi: Nâng cao tốc độ chuyển đổi đòi hỏi phải cải thiện độ di động điện tử lỗ, phụ thuộc vào cấu trúc, tính chất tiếp xúc giao diện bán dẫn • Tiêu thụ lượng: Giảm tiêu thụ lượng liên quan đến việc sử dụng điện mơi chặn mỏng có số điện mơi cao vật liệu bán dẫn để giảm biên độ kích hoạt 30 • Khả giữ bền bỉ: Đạt khả giữ liệu lâu dài chu kỳ ghi-xóa đáng tin cậy địi hỏi vật liệu bán dẫn hai cực ổn định khơng khí, điện mơi xuyên thủng phù hợp cổng thiết ➢ Các thách thức nhà nghiên cứu giới tích cực giải Với nỗ lực khơng ngừng, bóng bán dẫn lưỡng cực hứa hẹn trở thành công nghệ quan trọng tương lai, với nhiều ứng dụng lĩnh vực điện tử, quang điện, cảm biến, y sinh 3.2 Kết luận Transistor lưỡng cực • Thay đổi dẫn điện tuyến tính đối xứng: Vấn đề thách thức việc học tập hiệu làm để đạt thay đổi dẫn điện tuyến tính đối xứng kênh loạt xung điện liên tiếp Tối ưu hóa thiết kế transistor (cấu trúc, vật liệu, nồng độ, v.v.) thông số xung (chiều rộng xung, điện áp kích thích, v.v.) dẫn đến điều chỉnh dẫn điện tuyến tính • Tính quán vi cấu trúc: Các vi cấu trúc không quán màng bán dẫn chế tạo dẫn đến không quán hiệu suất thiết bị chu kỳ thử nghiệm Các kỹ thuật chế tạo vật liệu ổn định cần khám phá để giải vấn đề • Tỷ lệ bật/tắt lớn: Tỷ lệ bật/tắt lớn cần thiết cho transistor lưỡng cực để đảm bảo mức dẫn điện phân biệt ngăn ngừa việc đọc sai biến động dẫn điện • Mức độ phức tạp tiêu thụ điện tích hợp: Việc tích hợp thiết bị synap để mô chức thần kinh phức tạp nhận dạng hình ảnh làm tăng độ phức tạp sản xuất tiêu thụ điện Nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc cải thiện khả xếp chồng tích hợp, hiệu lượng hệ thống điện tử thần kinh 31 ❖ Transistor CMOS lưỡng cực • Tính di động lỗ electron cân bằng: Tính di động lớn cân điện áp bật đối xứng lỗ electron, với dòng điện tắt tương đối nhỏ (tỷ lệ bật/tắt lớn), điều cần thiết để transistor lưỡng cực đạt hiệu suất tốt hơn, bao gồm tiêu thụ lượng thấp, độ lợi cao khả miễn nhiễm nhiễu • Vận chuyển điện tích unipolar chọn lọc: Vận hành chế độ unipolar vận chuyển điện tích unipolar chọn lọc với điều kiện thuận lợi nêu thách thức đáng kể Các chiến lược intercalation lớp tiêm hạt mang, sử dụng SAM doping hóa học đề xuất, phương pháp hiệu tìm kiếm ❖ Transistor phát sáng lưỡng cực (LETs) • Hiểu biết chuyển động hạt mang tái hợp exciton: Mặc dù vật liệu cấu trúc liên tục phát triển cho thiết bị phát sáng hiệu suất cao, nguyên tắc chuyển động hạt mang, tái hợp exciton phát xạ ánh sáng bán dẫn chưa hiểu đầy đủ Cần có hiểu biết sâu sắc chế • Cải thiện tổng thể hiệu suất LET: Hầu hết nghiên cứu LET lưỡng cực tập trung vào đặc tính riêng lẻ, khiến việc đạt tính khả thi thương mại ứng dụng hình, chiếu sáng trạng thái rắn laser hữu điều khiển điện trở khó khăn Cải thiện tổng thể phẩm chất LET khác thuận lợi cho ứng dụng thực tế so với OLED thông thường Kết hợp nhiều phương pháp báo cáo để tăng hiệu suất giải vấn đề Các phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp hiệu cần nghiên cứu thêm • Các đặc tính phát sáng cho hình ma trận hoạt động: Mặc dù LET lưỡng cực nói chung có hiệu suất phát sáng cao so với đối tác unipolar, đặc tính phát sáng chúng khơng phù hợp cho hình ma trận hoạt động phụ thuộc vào độ mạnh phát sáng yếu tố ngồi dịng thoát Các cấu trúc thiết bị 32 LET thẳng đứng có cổng điện giải cung cấp tính hứa hẹn để xây dựng LET hiệu suất cao ❖ Tầm nhìn tương lai • Transistor lưỡng cực dựa polymer hữu vật liệu 2D: Transistor lưỡng cực dựa polymer hữu vật liệu 2D với tính di động tỷ lệ bật/tắt cao dự kiến Nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc đạt kết hợp hiệu suất điện cao, chế tạo dễ dàng chi phí thấp, điện áp hoạt động thấp (tiêu thụ điện thấp) độ linh hoạt transistor lưỡng cực cho ứng dụng thực tế • Transistor synap lưỡng cực cho khả thay đổi linh hoạt khả dẻo dai synap 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Muccini, Nat Mater 2006, 5, 605 [2] P Heremans, A K Tripathi, A de Jamblinne de Meux, E C Smits, B Hou, G Pourtois, G H Gelinck, Adv Mater 2016, 28, 4266 [3] X Guo, Y Xu, S Ogier, T N Ng, M Caironi, A Perinot, L Li, J Zhao, W Tang, R A Sporea, A Nejim, J Carrabina, P Cain, F Yan, IEEE Trans Electron Devices 2017, 64, 1906 [4] X Ren, F Yang, X Gao, S Cheng, X Zhang, H Dong, W Hu, Adv Energy Mater 2018, 8, 1801003 [5] Y Zhao, K Xu, F Pan, C Zhou, F Zhou, Y Chai, Adv Funct Mater 2017, 27, 1603484 [6] H Sirringhaus, Adv Mater 2014, 26, 1319 [7] L Dou, Y Liu, Z Hong, G Li, Y Yang, Chem Rev 2015, 115, 12633 [8] H Dong, X Fu, J Liu, Z Wang, W Hu, Adv Mater 2013, 25, 6158 [9] Y Olivier, D Niedzialek, V Lemaur, W Pisula, K Mullen, U Koldemir, J R Reynolds, R Lazzaroni, J Cornil, D Beljonne, Adv Mater 2014, 26, 2119 [10] S Z Bisri, C Piliego, J Gao, M A Loi, Adv Mater 2014, 26, 1176 [11] H Hwang, D Khim, J.-M Yun, E Jung, S.-Y Jang, Y H Jang, Y.-Y Noh, D.-Y Kim, Adv Funct Mater 2015, 25, 1146 [12] Z Ni, H Wang, Q Zhao, J Zhang, Z Wei, H Dong, W Hu, Adv Mater 2019, 31, 1806010 [13] B W Baugher, H O Churchill, Y Yang, P Jarillo-Herrero, Nat Nanotechnol 2014, 9, 262 [14] F Li, C Ma, H Wang, W Hu, W Yu, A D Sheikh, T Wu, 34 Nat Commun 2015, 6, 8238 [15] Y Zhao, Y Guo, Y Liu, Adv Mater 2013, 25, 5372 [16] H C Chang, C Lu, C L Liu, W C Chen, Adv Mater 2015, 27, 27 [17] H Tian, Q Guo, Y Xie, H Zhao, C Li, J J Cha, F Xia, H Wang, Adv Mater 2016, 28, 4991 [18] H Pfleiderer, W Kusian, Solid-State Electron 1986, 29, 317 [19] C van Berkel, M J Powell, Appl Phys Lett 1987, 51, 1094 [20] T Yasuda, T Goto, K Fujita, T Tsutsui, Appl Phys Lett 2004, 85, 2098 [21] E J Meijer, D M de Leeuw, S Setayesh, E van Veenendaal, B H Huisman, P W Blom, J C Hummelen, U Scherf, J Kadam, T M Klapwijk, Nat Mater 2003, 2, 678 [22] H C Pao, C T Sah, Solid-State Electron 1966, 9, 927 [23] G Paasch, T Lindner, C Rost-Bietsch, S Karg, W Riess, S Scheinert, J Appl Phys 2005, 98, 084505 [24] R Schmechel, M Ahles, H von Seggern, J Appl Phys 2005, 98, 084511 [25] C Zhu, Z Zhao, H Chen, L Zheng, X Li, J Chen, Y Sun, F Liu, Y Guo, Y Liu, J Am Chem Soc 2017, 139, 17735 [26] S.-S Cheng, P.-Y Huang, M Ramesh, H.-C Chang, L.-M Chen, C.-M Yeh, C.L Fung, M.-C Wu, C.-C Liu, C Kim, H.-C Lin, M.-C Chen, C.-W Chu, Adv Funct Mater 2014, 24, 2057 [27] K F Mak, C Lee, J Hone, J Shan, T F Heinz, Phys Rev Lett 2010, 105, 136805 [28] H Liu, P D Ye, IEEE Electron Device Lett 2012, 33, 546 [29] B Radisavljevic, A Radenovic, J Brivio, V Giacometti, A Kis, Nat 35 Nanotechnol 2011, 6, 147 [30] Y J Zhang, J T Ye, Y Yomogida, T Takenobu, Y Iwasa, Nano Lett 2013, 13, 3023 [31] W Bao, X Cai, D Kim, K Sridhara, M S Fuhrer, Appl Phys Lett 2013, 102, 042104 [32] Y Zhang, J Ye, Y Matsuhashi, Y Iwasa, Nano Lett 2012, 12, 1136 [33] J T Ye, Y J Zhang, R Akashi, M S Bahramy, R Arita, Y Iwasa, Science 2012, 338, 1193 [34] M M Perera, M.-W Lin, H.-J Chuang, B P Chamlagain, C Wang, X Tan, M M.-C Cheng, D Tománek, Z Zhou, ACS Nano 2013, 7, 4449 [35] E Ponomarev, I Gutierrez-Lezama, N Ubrig, A F Morpurgo, Nano Lett 2015, 15, 8289 [36] D Costanzo, S Jo, H Berger, A F Morpurgo, Nat Nanotechnol 2016, 11, 339 [37] K Jin, W Hu, B Zhu, D Kim, J Yuan, Y Sun, T Xiang, M S Fuhrer, I Takeuchi, R L Greene, Sci Rep 2016, 6, 26642 [38] Z J Li, B F Gao, J L Zhao, X M Xie, M H Jiang, Supercond Sci Technol 2014, 27, 015004 [39] C Jang, S Adam, J H Chen, E D Williams, S Das Sarma, M S Fuhrer, Phys Rev Lett 2008, 101, 146805 [40] J H Choi, H K Jang, J E Jin, J M Shin, D H Kim, G T Kim, Appl Phys Lett 2016, 109, 183102 [41] Q H Wang, K Kalantar-Zadeh, A Kis, J N Coleman, M S Strano, Nat Nanotechnol 2012, 7, 699 36 [42] Y F Lin, Y Xu, S T Wang, S L Li, M Yamamoto, A Aparecido-Ferreira, W Li, H Sun, S Nakaharai, W B Jian, K Ueno, K Tsukagoshi, Adv Mater 2014, 26, 3263 [43] Y Ma, Y Dai, M Guo, C Niu, J Lu, B Huang, Phys Chem Chem Phys 2011, 13, 15546 [44] S Nakaharai, M Yamamoto, K Ueno, Y.-F Lin, S.-L Li, K Tsukagoshi, ACS Nano 2015, 9, 5976 [45] S Fathipour, N Ma, W S Hwang, V Protasenko, S Vishwanath, H G Xing, H Xu, D Jena, J Appenzeller, A Seabaugh, Appl Phys Lett 2014, 105, 192101 [46] W Luo, M Zhu, G Peng, X Zheng, F Miao, S Bai, X.-A Zhang, S Qin, Adv Funct Mater 2018, 28, 1704539 [47] D Qu, X Liu, M Huang, C Lee, F Ahmed, H Kim, R S Ruoff, J Hone, W J Yoo, Adv Mater 2017, 29, 1606433 [48] S Jo, N Ubrig, H Berger, A B Kuzmenko, A F Morpurgo, Nano Lett 2014, 14, 2019 [49] W S Hwang, M Remskar, R Yan, V Protasenko, K Tahy, S D Chae, P Zhao, A Konar, H Xing, A Seabaugh, D Jena, Appl Phys Lett 2012, 101, 013107 [50] D Braga, I Gutierrez Lezama, H Berger, A F Morpurgo, Nano Lett 2012, 12, 5218 [51] A Prakash, J Appenzeller, ACS Nano 2017, 11, 1626 [52] M Yoshida, T Iizuka, Y Saito, M Onga, R Suzuki, Y Zhang, Y Iwasa, S Shimizu, Nano Lett 2016, 16, 2061 [53] D Li, X Wang, Y Chen, S Zhu, F Gong, G Wu, C Meng, L Liu, L Wang, T Lin, S Sun, H Shen, X Wang, W Hu, J Wang, J Sun, X Meng, J Chu, Nanotechnology 2018, 29, 105202 37 [54] Y Li, K Zhang, F Wang, Y Feng, Y Li, Y Han, D Tang, B Zhang, ACS Appl Mater Interfaces 2017, 9, 36009 [55] H Fang, S Chuang, T C Chang, K Takei, T Takahashi, A Javey, Nano Lett 2012, 12, 3788 [56] S Das, J Appenzeller, Appl Phys Lett 2013, 103, 103501 [57] Z Wang, Q Li, Y Chen, B Cui, Y Li, F Besenbacher, M Dong, NPG Asia Mater 2018, 10, 703 [58] P R Pudasaini, A Oyedele, C Zhang, M G Stanford, N Cross, A T Wong, A N Hoffman, K Xiao, G Duscher, D G Mandrus, T Z Ward, P D Rack, Nano Res 2018, 11, 722 [59] M Nakano, Y Wang, Y Kashiwabara, H Matsuoka, Y Iwasa, Nano Lett 2017, 17, 5595 [60] E Zhang, R Chen, C Huang, J Yu, K Zhang, W Wang, S Liu, J Ling, X Wan, H Z Lu, F Xiu, Nano Lett 2017, 17, 878 [61] Y Zhao, J Qiao, Z Yu, P Yu, K Xu, S P Lau, W Zhou, Z Liu, X Wang, W Ji, Y Chai, Adv Mater 2017, 29, 1604230 [62] Y Zhao, J T Smith, J Appenzeller, C Yang, Nano Lett 2011, 11, 1406 [63] L Tang, Y Peng, Z Zhou, Y Wu, J Xu, J Li, Y Du, L Huang, H Cai, J Ni, J Zhang, Appl Phys A 2018, 124, 624 [64] G E Eperon, S D Stranks, C Menelaou, M B Johnston, L M Herz, H J Snaith, Energy Environ Sci 2014, 7, 982 [65] Q Han, S.-H Bae, P Sun, Y.-T Hsieh, Y M Yang, Y S Rim, H Zhao, Q Chen, W Shi, G Li, Y Yang, Adv Mater 2016, 28, 2253 [66] M Li, J Wang, X Cai, F Liu, X Li, L Wang, L Liao, C Jiang, Adv Electron Mater 2018, 4, 1800211 38