Transistor graphene phá kỉ lục tốc độ

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa phát triển một phương pháp mới chế tạo các transistor từ graphene – một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Kĩ thuật này khắc phục được một trở ngại lớn mà những ai muốn dùng graphene thay thế silicon làm chất liệu được chọn trong các dụng cụ điện tử tương lai đang đối mặt. Nó còn được dùng để chế tạo các transistor graphene tốc độ cao nhất từ trước đến nay.

Graphene bán dẫn được nhiều người xem là chất liệu lí tưởng dùng cho các dụng cụ điện tử vì nó cực kì mỏng nhưng lại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao và có độ bền lớn. Tuy nhiên, thật không may, các kĩ thuật chế tạo mà ngành công nghiệp bán dẫn sử dụng hiện nay không thể áp dụng cho graphene vì chúng đưa các khiếm khuyết vào trong vật liệu, rốt cuộc làm hỏng mất hiệu suất của dụng cụ.

Xiangfeng Duan cùng các đồng nghiệp Đại học California tại Los Angeles vừa phát triển một kĩ thuật chế tạo mới sử dụng các dây nano tráng alumina làm cực phát trong transistor graphene. Nguồn cấp của dụng cụ và cực thu được chế tạo bằng một quá trình tự canh hàng sử dụng các dây nano làm “mặt nạ” – một quá trình còn giảm tối thiểu điện trở ở transistor, vì thế làm tăng thêm hiệu suất của nó.

Graphene gồm một tấm carbon phẳng sắp xếp theo một mạng hình tổ ong. Kể từ khi chất liệu này lần đầu tiên được tạo ra vào năm 2004, các tính chất điện tử và cơ học độc nhất vô nhị của nó đã gây bất ngờ cho các nhà nghiên cứu, họ đã nhìn thấy nó trong nhiều ứng dụng tiềm năng. Đặc biệt, nó có thể dùng để chế tạo các transistor cực nhanh vì các electron trong graphene hành xử giống như các hạt tương đối tính không có khối lượng nghỉ. Điều này có nghĩa là chúng băng vèo qua chất liệu này ở những tốc độ cực cao.

Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều thách thức phải vượt qua trước khi giâc mơ điện tử học toàn graphene trở thành hiện thực. Một trong những thách thức này là phát triển một kĩ thuật chế tạo mang lại những dụng cụ gần như không có khiếm khuyết, yêu cầu cho đến nay vẫn chưa đạt được.

Sơ đồ cấu tạo của dụng cụ cho thấy cực phát, cực gốc và cực thu. (Ảnh: X Duan)

Các phương pháp xử lí thông thường dùng để sản xuất các transistor hiệu ứng trường silicon oxide kim loại tiên tiến (MOSFET) sử dụng một cấu trúc cổng tự canh hàng để đảm bảo rìa của cực gốc, cực thu và cực phát được định vị chính xác. Kĩ thuật này tránh được bất kì sự chồng lấn nào giữa các điện cực, do đó làm giảm thiểu điện trở trong dụng cụ. (Điện trở cao là liều thuốc độc đối với các dụng cụ nano vì nó làm chúng hoạt động chậm đi) Kĩ thuật tương tự không hoạt động đối với graphene vì nó sẽ đưa những khiếm khuyết không thể tránh khỏi vào trong mạng tinh thể của chất.

Duan và các đồng nghiệp đã sử dụng một dây nano nhân-vỏ cobalt-silicide-alumina làm cổng trên cùng trong transistor graphene của họ. Cấu trúc nano điện môi này được chế tạo trong một bước tách biệt và sau đó đặt đơn giản lên trên một lớp đơn graphene. Theo Duan, một phương pháp như vậy không đưa bất kì khiếm khuyết đáng kể nào vào trong chất liệu.

Mặt nạ dây nano

Sau đó, các nhà nghiên cứu đặt một lớp mỏng platinum lên trên graphene – đặt ngang qua dây nano sao cho dây phân chia màng mỏng graphene thành hai vùng tách biệt. Hai vùng tách biệt này sau đó hình thành nên các cực gốc và cực thu tự canh chỉnh liền kề với cực phát dây nano. Trong phương pháp này, mặt nạ dây nano còn xác định chiều dài cực phát của dụng cụ, trong trường hợp này vào khoảng 140 nm.

Dụng cụ hoàn chỉnh có độ hỗ dẫn cao nhất từng được báo cáo đối với những dụng cụ như vậy, 1,27 mSµm^–1. Độ hỗ dẫn của một transistor xác định nó hoạt động hiệu quả như thế nào. Các phép đo vi sóng đối với transistor trên còn cho thấy chúng có tần số ngưỡng nội phá kỉ lục trong vùng 100-300 GHz, nhanh hơn khoảng hai lần so với các MOSFET silicon tốt nhất có cùng kích thước. Cuối cùng, độ linh động của các dụng cụ trên (cái xác định mức độ nhanh của các electron chuyển động trong chúng) vào khoảng 20.000 cm²/Vs – một giá trị tốt hơn khoảng hai bậc độ lớn so với các transistor silicon thương mại kích thước ngang ngửa.

“Việc chứng minh các transistor graphene với tần số ngưỡng có thể sánh với các transistor tốt nhất trên thị thường đánh dấu một bước phát triển cực kì quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu graphene”, Duan nói. “Điều này chứng minh rõ ràng tiềm năng hấp dẫn của các dụng cụ điện tử gốc graphene cho các mạch điện cao tần trong tương lai”.

Hiện nay, đội nghiên cứu có kế hoạch chế tạo ra các transistor có chiều dài cực phát nhỏ hơn để đẩy tần số ngưỡng lên cao hơn nữa – có lẽ lên tới 1 THz. “Chúng tôi cũng hi vọng tăng quy mô cho phương pháp để sản xuất hàng loạt các transistor graphene tốc độ cao trên những chất nền rộng, kể cả các chất nền dẻo”, Duan tiết lộ.

Công trình được công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: physicsworld.com