Phát triển thành công vật liệu lượng tử mới phá kỷ lục dẫn điện. Độ linh động đạt 7,15 triệu cm²/Vs

Theo bài nghiên cứu của tạp chí khoa học Sciencedirect các nhà khoa học đã phát triển thành công một loại vật liệu lượng tử mới. Vật liệu này được tạo ra bằng cách phủ một lớp germani (Ge) ngoại bám chịu nén có độ dày nano lên đế silicon. Kết quả cho thấy nó đạt độ linh động của lỗ trống (hole mobility) lên tới 7,15 triệu cm²/Vs, phá vỡ mọi kỷ lục trước đây của chất bán dẫn nhóm IV về tốc độ vận chuyển điện tích.

Giải thích:

Độ linh động của lỗ trống (Hole Mobility) là một thông số quan trọng để đánh giá khả năng dẫn điện của vật liệu bán dẫn. Nó mô tả tốc độ di chuyển của các “lỗ trống” những vị trí thiếu electron mang điện tích dương, dưới tác dụng của điện trường. Chỉ số càng cao thì điện tích di chuyển càng nhanh, vật liệu dẫn điện càng tốt, từ đó giúp chip chạy nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Vật liệu mới: Germani chịu nén (cs-Ge)​

Germani chịu nén (Compressively Strained Germanium – cs-Ge) là vật liệu germani được xử lý để tạo ra một dạng “ứng suất nén” ở cấp độ nguyên tử, thay đổi cấu trúc tinh thể nhằm cải thiện đặc tính điện học. Nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư Maksym Myronov, trưởng nhóm nghiên cứu bán dẫn thuộc Khoa Vật lý, Đại học Warwick, dẫn đầu.

Bằng cách tạo ra một lớp germani chịu nén siêu mỏng trên bề mặt wafer silicon, họ đã phát triển một loại vật liệu lượng tử mới gọi là germani chịu nén trên nền silicon (cs-GoS).
Nhờ việc điều chỉnh chính xác mức độ ứng suất trong lớp germani, nhóm nghiên cứu tạo ra một cấu trúc tinh thể cực kỳ tinh khiết, cho phép điện tích di chuyển gần như không gặp cản trở. Theo Phó giáo sư Myronov, vật liệu này kết hợp được độ linh động hàng đầu thế giới với khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp, mang ý nghĩa quan trọng với công nghệ vi mạch.
Kết quả thử nghiệm cho thấy vật liệu đạt độ linh động lỗ trống 7,15 triệu cm²/Vs – mức chưa từng có với bất kỳ vật liệu bán dẫn nhóm IV nào. Điều này hứa hẹn mang đến các thế hệ chip nhanh hơn, mát hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Mở ra hướng phát triển chip tốc độ cao và thiết bị lượng tử​

Độ linh động đạt 7,15 × 10⁶ cm²/V·s ở mật độ 1,7 × 10¹¹ cm⁻², đây là giá trị cao nhất từng ghi nhận trên các vật liệu bán dẫn nhóm IV. Thành tựu này vượt xa nhiều hệ vật liệu III-V trước đây và mở ra khả năng lỗ trống trong cs-Ge có thể vượt qua cả điện tử trong GaAs về hiệu suất dẫn điện nếu các tạp chất nền và khuyết tật sợi được triệt tiêu thêm.

Không chỉ đạt kỷ lục, việc đo trên Hall-bar có cổng điều khiển (thay vì phương pháp Van der Pauw truyền thống) còn chứng minh vật liệu cs-GoS phù hợp với chế tạo vi mạch thực tế: từ khắc lithography, phủ điện môi, tạo tiếp xúc Ohmic đến điều khiển điện trường tĩnh. Điều này làm cho cs-Ge trở thành nền tảng cực kỳ hứa hẹn cho các thiết bị lượng tử dựa trên spin, cũng như các chip điện tử truyền thống cần tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp.
Tiến sĩ Sergei Studenikin, nhà nghiên cứu cấp cao tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada, đánh giá rằng phát minh này đã thiết lập một tiêu chuẩn mới về vận chuyển điện tích cho chất bán dẫn nhóm IV , vốn là lõi của ngành công nghiệp điện tử toàn cầu.

Ông cho biết nghiên cứu mở ra cơ hội phát triển các thiết bị điện tử tốc độ cao, tiết kiệm năng lượng và hoàn toàn tương thích với công nghệ silicon hiện nay, đồng thời thúc đẩy các tiến bộ trong thiết bị lượng tử.