Mỗi khi mọi người nghĩ rằng Định luật Moore đã đến giới hạn, các nhà khoa học lại cố gắng tìm ra giải pháp mới để kéo dài tuổi thọ của nó trở lại. Giờ đây, các nỗ lực nghiên cứu khoa học vật liệu đang tìm cách đưa các giới hạn của Định luật Moore lên một tầm cao mới.
Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học tại Đại học Thanh Hoa, Thượng Hải cho biết họ đã tạo ra cực GATE trên một bóng bán dẫn graphene với chiều rộng chỉ 0,34 nanomet – tương đương với chiều rộng của một nguyên tử carbon.
Đối với Transistor thì cực Gate này là một linh kiện rất quan trọng khi nó dùng để điều khiển dòng điện ra vào các đầu Nguồn và Đầu ra. Ngay cả chiều dài cổng này – hoặc khoảng cách giữa các đầu nối Nguồn và Đầu cuối – đã được đặt tên cho quy trình sản xuất chip – một số liệu cho thấy mức độ tiên tiến và cao cấp của chip.
Các thành phần cơ bản của bóng bán dẫn: Cổng kết nối (G), Đầu cuối nguồn (S) và Đầu cuối xả (D).
Nhưng từ các quy trình gần đây hơn (dưới 14nm trở xuống), những con số này chỉ có ý nghĩa tiếp thị và nhận dạng khi tên quy trình không còn đại diện cho chiều dài cực GATE. Đó là bởi vì nếu thu nhỏ đến kích thước này tương đương với tên quy trình của nó, những hạn chế của công nghệ vật liệu sẽ làm hỏng con chip đó.
Nhưng trên thực tế, nhiều nghiên cứu đã thu hẹp khoảng cách này xuống còn 1nm và thấp hơn. Nhưng đây là lần đầu tiên khoảng cách này được thu hẹp xuống còn 0,34nm – bằng kích thước của một nguyên tử cacbon – và đây có thể là biên giới cuối cùng của nó. Tác giả nghiên cứu Tian-Ling Ren cho biết: “Đây có thể là điểm nút cuối cùng của Định luật Moore.
Bóng bán dẫn Graphene
Mặc dù silicon là một hợp chất thích hợp để sản xuất chip, nhưng khi chiều dài đầu cuối GATE giảm xuống dưới 5nm, các điện tử có xu hướng bị rò rỉ qua các đầu cuối khác trên bóng bán dẫn. Nhưng vào năm 2016, bằng cách sử dụng các ống nano carbon với vật liệu 2D được gọi là Molybdenum Di-Sulfide, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cực GATE dài 1nm. Mặc dù có điện trở cao hơn silicon, nhưng điều này đã giúp Molypden Di-Sulfide đưa chiều dài cực GATE trên bóng bán dẫn lên một giới hạn mới.
Dựa trên nghiên cứu này, các nhà khoa học từ Đại học Thanh Hoa, Trung Quốc cũng đã chọn Molybdenum DiSulfide làm vật liệu cho kênh dẫn và điện cực GATE trên transistor. Nhưng thay vì các ống nano carbon, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tấm graphene với độ dày chỉ 1nm.
Thông qua một phương pháp sản xuất được gọi là lắng đọng hơi hóa học, các nhà khoa học đã có thể kẹp một lớp graphene giữa hai lớp chất cách điện, nhôm oxit và silicon Di-oxit. Sau đó, tấm này được khắc để tạo ra hình dạng giống như bậc thang và để lộ mép của tấm graphene trong bức tường thẳng đứng của bậc thang. Phần lộ ra này tạo thành một cực GATE mỏng có kích thước bằng một nguyên tử cacbon.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã thêm một lớp Hafnium Oxide để tạo thành một khoảng trống nhỏ giữa điện cực GATE và kênh làm bằng một lớp Molypdenum Di-Sulfide. Sau đó, họ thêm hai điện cực kim loại nữa, ở trên và dưới tấm trên cùng, để tạo thành cực Nguồn và Đầu cuối cho bóng bán dẫn mới.
Khó thành hiện thực trong tương lai gần
Mặc dù đạt đến một khoảng cách gần như không thể tưởng tượng được trong thế giới bán dẫn – 0,34nm – công trình này chỉ là một bằng chứng về khái niệm: bằng chứng cho giả thuyết của các nhà nghiên cứu.
Cách làm này chỉ phù hợp để sản xuất một số lượng rất nhỏ bóng bán dẫn trong phòng thí nghiệm, nhưng rất khó sản xuất hàng loạt để tạo thành chip cho điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay của bạn. Chưa kể cách tiếp cận này, hầu hết sử dụng nguyên liệu đắt tiền để sản xuất, khiến việc mở rộng quy mô sản xuất trở thành một thách thức khó vượt qua.
Mặc dù khoảng cách GATE trên bóng bán dẫn vẫn chưa được thu hẹp, công nghệ chip dựa trên silicon vẫn tiếp tục đạt được những bước tiến mới về hiệu suất và hiệu quả năng lượng. Trong khi các bóng bán dẫn do FinFET thiết kế đã dần đạt đến giới hạn, các công nghệ mới như chip với thiết kế Gate-All-Around (GAA) mới, hứa hẹn sẽ tiếp tục duy trì đà hiệu quả. Sức mạnh và hiệu quả của Định luật Moore. Quan trọng hơn, những tiến bộ công nghệ này đã nằm trong tầm tay, với những sản phẩm mới sẽ ra mắt trong vài năm tới.
Tham khảo Singularityhub
Tổng hợp: Công Nghệ Chính Nhân
