Chất bán dẫn nền kim cương có bước tiến mới

(PCWorldVN) Nếu thay silicon bằng kim cương, chất bán dẫn sẽ có những đặc tính ưu việt hơn rất nhiều. Vấn đề là kim cương còn quá khó điều khiển, chế tác. Nhưng khó không phải là không thể.

• TP.HCM có chọn phát triển bán dẫn và năng lượng tái tạo?
• Thị trường chất bán dẫn tăng chậm
• IBM chuyển nhượng mảng chip bán dẫn cho GlobalFoudries
• Công nghệ bán dẫn hướng tới tương lai
• TAAN: Cần nhẫn Kim Cương để nâng cấp vũ khí

Kim cương làm chất bán dẫn liệu có tiềm năng hay không? Đây là trường hợp mà một số công ty nghiên cứu chất bán dẫn như AKHAN Semiconductor đang muốn tận dụng những đặc tính của loại đá quý này. Vừa rồi, AKHAN mới công bố chúng ta đang tiến vào "Kỷ nguyên kim cương" của chất bán dẫn.

Tại sao? Vì đặc tính dẫn nhiệt ưu việt của kim cương so với các đặc tính tương tự của silicon. Nhưng không may là những thiết bị dựa trên kim cương lại cực kỳ khó chế tác, nhất là khi đề cập đến việc sản xuất chất bán dẫn loại n-type.

Ảnh quang học của một mảng diode trên tấm kim cương tinh thể đơn.

Đến nay, trong quá trình nghiên cứu của Đại học Wisconsin-Madison phối hợp với Đại học Texas ở Arlington, Mỹ, các nhà khoa học vừa mới phát triển một phiên pháp mới để kích những tinh thể đơn của kim cương. Điều này giúp tận dụng được đầy đủ đặc tính của kim cương.

Đến nay, các kỹ thuật kích kim cương thường chỉ là phủ tinh thể với chất boron và nung kim cương ở nhiệt độ đến 1450⁰ C. Vấn đề là cuối quy trình cần phải tẩy chất boron ra khỏi kim cương. Hơn nữa, phương pháp này chỉ hiệu quả với kim cương có chứa nhiều tinh thể gắn liền với nhau, còn loại kim cương đa hình dáng, cấu trúc thì những cấu trúc tinh thể này lại không thực sự phù hợp để làm chất liệu bán dẫn so với kim cương chỉ có một cấu trúc tinh thể, đơn cấu trúc. Do vậy, nếu muốn kích kim cương có cấu trúc đơn thì phải tiêm các nguyên tử boron (Bo) vào tinh thể khi chúng phát triển. Tuy nhiên, cách làm này cần đến sóng mircowave cực mạnh để phá vỡ được tinh thể kim cương.

Nhưng trong một nghiên cứu được đăng trên tờ tạp chí chuyên ngành vật lý ứng dụng Journal of Applied Physics, nhóm nghiên cứu của hai trường đại học nêu trên tìm ra được cách khác để kích kim cương đơn tinh thể bằng boron ở nhiệt độ thấp hơn trước đây. Chất xúc tác quan trọng trong phát hiện mới này là silicon. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu họ kết hợp một kim cương đơn tinh thể với một ít silicon đã được kích với boron, sau đó nung lên ở nhiệt độ 800 độ C thì nguyên tử boron có thể di chuyển từ silicon và tự bám vào kim cương.

Boron di chuyển như vậy là vì khi được nung lên, các nguyên tử carbon của kim cương bắt đầu tự lấp các khoảng trống nguyên tử trong cấu trúc của chúng. Khi nguyên tử carbon di chuyển, chúng để lại khoảng trống trong cấu trúc kim cương, để các nguyên tử boron lấp vào.

Có lẽ tính năng chính của phương pháp này là nó cho phép kích có chọn lọc, giúp các nhà nghiên cứu có thể có được khả năng điều khiển nguyên liệu ở mức cao hơn khi chế tạo thiết bị, tạo ra một kim cương với một tập đặc tính cụ thể bằng cách kết hợp silicon vào một điểm đặc biệt nào đó trên tinh thể kim cương.

Trong khi phương pháp này nhắm đến kỹ thuật kích p-type, giúp kim cương có đặc tính sạch tích cực thì phương pháp trên không giúp gì được cho kỹ thuật kích n-type, vì kỹ thuật n-type cần thêm một quy trình xử lý khác.

Nếu các nhà nghiên cứu dự định chế tạo transistor dựa trên kim cương thì họ cần phải giải quyết được những trục trặc trong kỹ thuật n-type. Nhưng trong khi đó, họ đang tập trung phát triển một loại thiết bị đơn giản hơn, sử dụng chất bán dẫn kim cương đơn bằng kỹ thuật p-type.