Trung Quốc công bố bóng bán dẫn nhanh nhất thế giới

Một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) tuyên bố đã chế tạo thành công bóng bán dẫn nhanh nhất và hiệu quả nhất từng được biết đến — và điều đáng chú ý là công nghệ này hoàn toàn không sử dụng silicon, vật liệu vốn được xem là nền tảng của điện tử hiện đại trong suốt hơn nửa thế kỷ qua.

Thiết kế bóng bán dẫn hoàn toàn mới, sử dụng vật liệu hai chiều (2D) là bismuth oxyselenide và bismuth selenite oxide để thay thế cho silicon. Theo các công bố khoa học trên tạp chí Nature Materials, loại bóng bán dẫn này không chỉ vận hành nhanh hơn 40% so với các chip silicon tiên tiến nhất hiện nay mà còn tiêu thụ chưa tới 10% điện năng so với mức tiêu chuẩn. Những con số ấn tượng này gợi mở khả năng thay đổi cục diện trong lĩnh vực vi điện tử, đồng thời, đặt ra những câu hỏi căn bản về hướng phát triển của toàn bộ ngành công nghiệp.

Trong suốt nhiều thập kỷ, tiến bộ trong thiết kế chip chủ yếu xoay quanh việc thu nhỏ bóng bán dẫn silicon, giúp tăng mật độ transistor, nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã chọn cách tái cấu trúc hoàn toàn transistor. Bằng việc chuyển sang kiến trúc GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor), trong đó kênh dẫn được bao bọc hoàn toàn bởi cổng điều khiển, các nhà khoa học đã đạt được khả năng kiểm soát dòng điện vượt trội. 

Thiết kế của bóng bán dẫn 2D trông giống như một loạt các cầu nối đan xen. Nguồn ảnh: Đại học Bắc Kinh.

Chìa khóa cho đột phá này chính là lớp vật liệu bán dẫn 2D siêu mỏng - cụ thể là bismuth oxyselenide. Ở cấp độ nguyên tử, vật liệu này cho phép electron di chuyển cực nhanh mà không bị tán xạ mạnh như trong silicon. Nhờ hằng số điện môi cao, bismuth còn giúp kiểm soát dòng điện hiệu quả hơn, giảm tổn thất năng lượng và hạn chế hiện tượng quá nhiệt. Điều này giúp nâng hiệu suất, cải thiện độ bền và độ ổn định của thiết bị.

Đặc tính giao diện giữa các lớp vật liệu cũng là yếu tố quan trọng. Giao diện mượt mà giữa bismuth oxyselenide và bismuth selenite oxide giảm thiểu các khuyết tật điện tử - vốn là nguyên nhân gây rò điện và lỗi logic trong các vi mạch. Đây là những yếu tố cho thấy công nghệ mới có tiềm năng không chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm mà còn có khả năng bước ra thế giới thực.

Dẫu còn nhiều ẩn số, bóng bán dẫn bismuth của Đại học Bắc Kinh đã gióng lên một hồi chuông mới cho ngành công nghiệp vi điện tử toàn cầu. Đột phá này không những làm lu mờ các kỷ lục hiệu năng trước đó, mà còn thách thức giả định lâu nay rằng silicon sẽ mãi là vật liệu trung tâm trong ngành bán dẫn.

Nguồn: Zmescience