Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề của luận án

CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU

1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề của luận án

1.3.1. Sơ lược các định hướng nghiên cứu ngoài nước

Dây nano bán dẫn đã trở thành một đối tượng đặc biệt được đầu tư nghiên cứu chuyên sâu trong một thập kỷ trở lại đây, xem tài liệu tổng quan [105] cũng như các trích dẫn từ đây. Tính chất vật lý của nó đủ để đáp ứng một mạng lưới rộng lớn các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực nghiên cứu vi điện tử hiện đại, bao gồm từ thiết bị logic trong các mạch tích hợp quy mô rất lớn đến các cảm biến và thiết bị thu năng lượng.

Từ góc độ nghiên cứu cơ bản, thách thức của việc liên tục giảm kích cỡ các thiết bị vi điện tử để đáp ứng các mục tiêu công nghiệp ngày càng tăng, chẳng hạn như theo quy luật Moore [105] cũng như việc tìm kiếm sự đa dạng hóa các loại vật liệu mới-lạ của ngành công nghiệp vi điện tử phục vụ cho các ứng dụng chuyên biệt hơn nữa (so với của Moore), thí dụ các hệ vi cơ, các sensor sinh học và trong các thiết bị nano năng lượng - pin mặt trời thế hệ mới, sản xuất và lưu trữ hydro, pin năng lượng ... đã thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu trong các dây nano bán dẫn trong một thập kỷ gần đây.

Còn từ góc độ triển khai công nghiệp, cuộc canh tranh khốc liệt cho thị phần trị giá 304 tỷ đô la Mỹ trên thị trường bán dẫn toàn cầu đã thúc đẩy sự phát triển của khu vực nghiên cứu - triển khai (R &D) các dây nano bán dẫn, tạo nên sự phát triển vượt bậc của các kỹ thuật chế tạo mới, các quy trình mới, các vật liệu mới và cả các tiến bộ và sáng tạo trong thiết kế các dây nano bán dẫn (xem chi tiết tại tổng quan [105]).

Đường kính có kích thước nano và tỉ lệ chiều dài/kích thước tiết diện ngang cũng như tỷ lệ bề mặt/thể tích rất cao của các dây nano là nền tảng cho mối quan hệ thuộc tính - phụ thuộc - kích thước hấp dẫn khởi nguồn từ các hiệu ứng giam hãm lượng tử, hiệu ứng giao diện và giảm bậc tự do cơ học.

Các dây nano cung cấp một số lợi thế hơn hẳn so với vật liệu phẳng thông thường trong các ứng dụng transitor hiệu ứng trường (field-effect transistor -FET) [105] gồm (i) dây nano cung cấp một tùy chọn trong kiến trúc loại cực cổng bao bọc kín xung quanh (gate- all-around -GAA), cho phép kiểm soát các hạt tải điện trong kênh dẫn của FET hiệu quả hơn rất nhiều. Bằng cách này giảm thiểu được hiệu ứng đoản kênh gây ra do hiệu ứng hạ rào thế hưởng ứng từ drain do cống gây ra rào (drain induced barrier lowering - DIBL)

38

(ii) Hơn nữa việc sử dụng kiến trúc đa cổng (multigate), chẳng hạn kiến trúc GAA, tạo điều kiện cho sự thiết kế các thiết bị có kênh dẫn ngắn hơn nhiều và qua đó cho phép tăng mật độ linh kiện trên một chip. (iii) Ngoài ra, việc chế tạo dây nano của hàng loạt các loại vật liệu khác nhau đã được tiến hành thành công, trong khi với các vật liệu đó vẫn chưa thể sản xuất ở dạng trên đế phẳng (wafer).

Một loạt các lộ trình định hướng cho việc sản xuất các dây nano bán dẫn đã mở ra từ thành quả của những tiến bộ trong kỹ thuật chế tạo dây nano bắt đầu từ vài năm cuối của thập kỷ vừa qua. Một cách tổng quan các lộ trình chế tạo dây nano thường được phân loại vào một trong hai mô hình: mô hình chế tạo từ dưới lên (bottom-up) hoặc từ trên xuống top-down. Mô hình từ dưới lên có thể được định nghĩa là quy trình mà ở đó các cấu trúc được ghép từ từng thành phần cấu thành của nó thêm dần theo thời gian. Còn mô hình chế tạo từ trên xuống thường sử dụng các công nghệ ăn mòn, khắc-chạm để đẽo gọt các cấu trúc từ một mảng lớn của vật liệu trong xu hướng bớt dần theo thời gian [105].

Một hệ thống vi điện tử lớn thường dựa trên nền tảng tích hợp rất nhiều thiết bị với nhau, trong đó mỗi thiết bị và thành phần của chúng lại phải được phân giải riêng. Yêu cầu cho tính năng định địa chỉ chính xác này đưa ra đòi hỏi đáng kể về cách thức chế tạo, đặc biệt nó liên quan đến cách thức định nghĩa, vị trí và mật độ của thiết bị, và thường được coi là thế mạnh của quy trình chế tạo từ trên xuống với. Tuy nhiên, trong vài năm gần đây, những tiến bộ trong quá trình chế tạo từ dưới lên đã mở ra khả năng của một sự kết hợp giữa các quy trình từ dưới lên với các quy trình từ trên xuống để sử dụng được thế mạnh của cả hai mô hình này. Đặc biệt áp dụng trong việc sử dụng các dây nano bán dẫn để chế tạo các thiết bị bán dẫn hiệu ứng trường (field-effect transistor -FET) thế hệ mới [105].

Một lợi điểm quan trong của quy trình nuôi dây nano từ dưới lên so với việc xử lý từ trên xuống là các dây nano được nuôi bằng phương pháp từ dưới lên có thể được pha tạp ngay tại chỗ (in-situ) trong quá trình nuôi tinh thể bằng cách kết hợp tiền chất pha tạp (dopant precursors) ngay trong quá trình tổng hợp dây nano. Do đó, khi nuôi từ dưới lên dây nano có thể đòi hỏi các kỹ thuật phá hủy như cấy ion để tạo ra các hạt tải điện bổ sung.

Do các quá trình này này có thể phá vỡ trật tự nguyên tử trong vùng nuôi tinh thể bán dẫn và đi kèm với nó là đòi hỏi các bước ủ nhiệt tiếp theo để khôi phục lại trật tự tinh thể.

Ngoài ra cơ chế nuôi dây nano loại hơi-lỏng-rắn (vapor−liquid−solid VLS), còn có một loạt các quy trình khác để sản xuất chế tạo các dây nano từ dưới lên bao gồm gắn kết theo phương (oriented attachment), chùm epitaxy pha hơi kim loại hữu cơ (metal organic vapor phase epitaxy - MOVPE), epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE), khuôn

39

mềm, nuôi cấy một chiều đinh hướng bởi khuyết tật (dislocation driven unidirectional growth) và sử đổi thói quen tinh thể (crystal habit modification) [105].

Tiếp sau việc phát hiện và kiểm soát các kỹ thuật nuôi cấy các dây nano đơn tinh thể với chất lượng cao và việc nuôi cấy và dóng hàng (alignment) các mảng (array) dây nano đơn tinh thể trên một tấm nền lớn đặc biệt hữu dụng cho các ứng dụng nano năng lượng. Các quan tâm nghiên cứu lớn của thế giới gần đây đang tập trung cho việc phát triển các dây nano bán dẫn dị chất. Cấu trúc dây nano dị chất (xem tổng quan) [52] là cấu trúc được hình thành từ các vật liệu khác nhau và có độ tinh khiết cao trên hoặc trong cùng một dây nano theo các phương khác nhau: xuyên tâm - đồng trục (tức là dạng vỏ lõi) hoặc dọc trục (tức là dạng siêu mạng). Với kỳ vọng ở đây là sự tương tác giữa các thành phần thấp chiều, dị chất và với mặt giao diện (interface) của chúng có thể còn làm tăng cường hơn nữa các đặc tính điện tử, quang tử, từ, và nhiệt hoặc thậm chí không thể đạt được với cấu trúc phẳng và/hoặc dây đơn tinh thể.

1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay các trung tâm (TT)/phòng thí nghiệm (PTN) chuyên biệt về mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc và vật liệu – có tên gọi chung là Khoa học vật liệu tính toán (KHVLTT) đã được thành lập tại hầu hết các Trường đại học lớn nhỏ khắp thế giới kết nối các NC đa ngành (lý, hóa, KHVL, CNTT). Bộ Năng lượng Mỹ còn lập cả 1 mạng (network) về KHVLTT để điều phối hoạt động nghiên cứu và phát triển (R&D) này, EU cũng có mạng (Psi-K network) để phối hợp hoạt động KHVLTT, châu Á có Hiệp Hội KHVLTT (ACCMS).

Tại Việt Nam lĩnh hội các xu thế trên các TT/PTN về mô hình hóa mô phỏng vật liệu (hay KHVLTT) cũng được thành lập trong vài năm gần đây tại các TT nghiên cúu lớn trong cả nước như ĐHBK HN, ĐHQG HN, Viện Vật lý (VAST), Viện Hạt nhân, ĐHQG HCM, ĐHBK HCM, ĐHSP HCM. Tp. HCM còn lập riêng một Viện KH&CN Tính toán (ICST). Cùng với đó là các cụm máy chủ tính toán (cluster server) được đầu tư rất mạnh ở các trường, viện. Các đề tài (ĐT) theo định hướng TTVL của Quỹ Nafosted cũng liên tục được tài trợ và chiếm một tỷ lệ ổn định, và đại đa số đều thành công với các công bố quốc tế có chất lượng.

Nói chung các nhóm NC trong nước theo định hướng KHVLTT có thể sơ bộ chia thành hai định hướng chính: (1) hướng tính toán số dựa trên các mô hình và (2) hướng tính toán mô phỏng. Trong đó cụ thể theo hướng thứ nhất gồm: (i) tại Viện Vật lý, Viện KH&CN Việt nam – VASP nhóm của GS Nguyễn Văn Liễn, nhóm GS Đoàn Nhật Quang,

40

nhóm GS Nguyễn Ái Việt, nhóm PGS Hoàng Anh Tuấn, PGS Trần Minh Tiến (ii) tại ĐHBK HN nhóm của PGS Nguyễn Huyền Tụng, PGS Lê Tuấn (iii) ĐHQG HN nhóm GS Nguyễn Quang Báu, GS Trần Công Phong (iv) ĐHSP HN nhóm GS Vũ Văn Hùng, (v) phía Nam có nhóm PGS Lê Văn Hoàng (ĐHSP HCM), PGS Nguyễn Quốc Khánh (ĐHQG HCM). Hướng thứ hai là hướng mô phỏng dựa chủ yếu trên hai kỹ thuật mô phỏng là mô phỏng động lực học phân tử (Molecular dynamics – MD) và mô phỏng Monter Carlo (MC), bao gồm (i) tại ĐHQG HN nhóm GS Bạch Thành Công, nhóm PGS Hoàng Nam Nhật, nhóm PGS Nguyễn Anh Tuấn (ii) ĐHBK HN nhóm PGS Phạm Khắc Hùng, nhóm PGS Vũ Ngọc Tước (là nhóm NC của luận án này), nhóm TS Đỗ Vân Nam, TS Đào Xuân Việt (iii) Viện Vật lý PGS Trịnh Xuân Hoàng, TS Nguyễn Huy Việt, TS Ngô Văn Thanh.

Theo hướng này trong nước đã hình thành các nhóm NC tập trung về mô phỏng vật liệu như nhóm của GS. V.V. Hoàng (Trường ĐHBK HCM), PGS. P.K. Hùng (ĐHBK HN) có số lượng công bố quốc tế và số thành viên NC cao và ổn định. Tuy nhiên cần nhấn mạnh khác biệt lớn nhất giữa các NC mô phỏng trong và ngoài nước là NC trong nước có rất ít sự hợp tác hoặc tương tác giữa các nhóm, các đề tài (ĐT) NC mô phỏng lý thuyết với các nhóm/ĐT chế tạo/thực nghiệm và có rất ít nhóm/ĐT làm cả mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm (duy nhất chỉ có PGS Hoàng Nam Nhật). Trong khi đó các NC ở nước ngoài có sự

tương tác chặt chẽ giữa NC mô hình hóa và mô phỏng với chế tạo/thực nghiệm. Mô phỏng - “TN ảo” đi trước dẫn dắt thực nghiệm và thực nghiệm đặt yêu cầu cho mô phỏng nên các kết quả liên kết chặt chẽ với nhau trong một dây chuyền R&D và thường tìm được ứng dụng rất nhanh.