MỸ – Một lớp phủ bề mặt đơn giản có thể giúp việc chế tạo các bộ phận của bóng bán dẫn trở nên dễ dàng hơn với ít nguy cơ bị hư hại hơn.
Bên trong các chip máy tính là hàng tỷ bóng bán dẫn (transistor) siêu nhỏ được làm từ silicon. Tuy nhiên, vật liệu này đang dần chạm đến các giới hạn vật lý của nó. Trong nỗ lực chế tạo các thiết bị nhỏ hơn và hiệu năng cao hơn, các nhà nghiên cứu đang khám phá cách chế tạo bóng bán dẫn bằng các vật liệu khác song song với silicon, bao gồm một nhóm vật liệu siêu mỏng được gọi là dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMD – transition metal dichalcogenides). Một trong những vật liệu TMD hàng đầu là molybden disulfide. Nó chỉ dày bằng ba lớp nguyên tử: một lớp molybden được kẹp giữa hai lớp lưu huỳnh. (*) Transition metal dichalcogenides: là một nhóm vật liệu cấu trúc nano hai chiều (2D), có độ dày siêu mỏng ở cấp độ nguyên tử, tương tự như graphene nhưng sở hữu những đặc tính điện và quang học khác biệt.
Để chế tạo bóng bán dẫn kết hợp giữa vật liệu silicon và TMD, các nhà sản xuất sẽ cần bóc tách các nguyên tử chỉ từ lớp lưu huỳnh trên cùng mà không làm ảnh hưởng đến các lớp bên dưới. Phương pháp tiêu chuẩn hiện nay để loại bỏ lớp trên cùng bằng plasma, trạng thái thứ tư của vật chất cấu tạo nên mặt trời và các ngôi sao.
Khi vật liệu TMD tiếp xúc với plasma trong các điều kiện thích hợp, một số hạt của plasma sẽ bắn phá bề mặt vật liệu TMD và đánh bật một số nguyên tử ra khỏi cấu trúc. Tuy nhiên, ranh giới giữa việc bắn phá đủ mạnh để loại bỏ lớp nguyên tử lưu huỳnh trên cùng và bắn phá quá mạnh làm hỏng lớp molybden bên dưới là vô cùng mong manh. Biên độ sai số hạn hẹp này khiến việc hoàn thiện quy trình trở thành một vấn đề lớn, sao cho toàn bộ các nguyên tử ở lớp trên cùng được loại bỏ sạch mà không gây ra bất kỳ tổn hại nào cho các lớp bên dưới. Các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm vật lý Plasma Princeton (Princeton plasma physics laboratory) đã sử dụng các mô phỏng máy tính để chứng minh rằng việc xử lý sơ bộ molybden disulfide bằng oxy hoặc fluor sẽ giúp dễ dàng tránh tác động đến các nguyên tử ở phía dưới lớp bề mặt. Kết quả nghiên đã được công bố trên tạp chí Journal of Physical Chemistry Letters.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng năng lượng cần thiết để đánh bật một nguyên tử lưu huỳnh giảm từ 30 electron volt (eV) trên bề mặt chưa xử lý xuống còn 10 eV khi bề mặt được phủ fluor, và khoảng 14 eV khi được phủ oxy. Ngưỡng năng lượng thấp hơn này có ý nghĩa rất quan trọng vì các ion plasma không mang mức năng lượng giống nhau, luôn có một sự phân tán nhất định. Trên một bề mặt không được xử lý, khoảng cách giữa mức năng lượng để loại bỏ lưu huỳnh và mức làm hỏng lớp molybden bên dưới là rất hẹp, khiến một số ion chắc chắn sẽ rơi vào vùng bị ảnh hưởng. Việc đẩy ngưỡng bóc tách lưu huỳnh xuống 10 hoặc 14 eV giúp nới rộng khoảng cách đó, mang lại cho các nhà sản xuất một dải năng lượng vận hành khả thi, nơi lớp trên cùng được bóc tách hoàn toàn và phần còn lại của vật liệu vẫn nguyên vẹn.
Thay vì chỉ dựa vào lực tác động vật lý thuần túy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một giải pháp hỗ trợ hóa học: Khi một ion lao vào bề mặt được phủ oxy, hai nguyên tử oxy và một nguyên tử lưu huỳnh gần đó sẽ kết hợp với nhau thành lưu huỳnh dioxide, một phân tử khí bền vững có thể tự bay hơi đi. Fluor cũng hoạt động theo cách tương tự để tạo ra các hợp chất lưu huỳnh – fluor.
Ông Yury Polyachenko, tác giả chính của nghiên cứu, nói rằng: “Nhóm nghiên cứu không trực tiếp bẻ gãy các liên kết. Nhóm đang tạo ra một số sản phẩm trung gian, như lưu huỳnh dioxide. Sản phẩm trung gian này dễ bóc tách hơn.”
Ông Polyachenko nói thêm: “Bước tiếp theo là xác định mức độ tổn hại mà quy trình này có thể gây ra, chứ không chỉ xem nó có gây tổn hại hay không. Sau đó, nhóm muốn kiểm tra xem liệu phương pháp tương tự có hoạt động đối với các vật liệu liên quan hay không, như việc thay thế molybden bằng tungsten, hoặc lưu huỳnh bằng selenium, để tìm hiểu xem ý tưởng này có thể được áp dụng rộng rãi đến mức nào”.
Để xem các tin bài khác về “Bóng bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
