Bóng bán dẫn silicon được sử dụng để khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu là một thành phần quan trọng trong hầu hết các thiết bị điện tử, từ điện thoại thông minh đến ô tô. Nhưng công nghệ bán dẫn silicon bị hạn chế bởi một giới hạn vật lý cơ bản ngăn cản transistor hoạt động dưới một điện áp nhất định.

Giới hạn này được gọi là “sự chuyên chế Boltzmann”, nó cản trở hiệu quả năng lượng của máy tính và các thiết bị điện tử khác, đặc biệt là với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ trí tuệ nhân tạo đòi hỏi tốc độ tính toán nhanh hơn.

Trong nỗ lực khắc phục giới hạn cơ bản này của silicon, các nhà nghiên cứu MIT đã chế tạo một loại bóng bán dẫn ba chiều khác bằng cách sử dụng một bộ vật liệu bán dẫn siêu mỏng độc đáo.

Sản phẩm của họ với các dây nano thẳng đứng chỉ rộng vài nanomet, có thể mang lại hiệu suất tương đương với bóng bán dẫn silicon hiện đại trong khi vẫn hoạt động hiệu quả ở điện áp thấp hơn nhiều so với các thiết bị thông thường.

Bóng bán dẫn nano tận dụng đặc tính cơ học lượng tử để đồng thời đạt được hoạt động điện áp thấp và hiệu suất cao trong một khu vực chỉ vài nanomet vuông. Kích thước cực nhỏ của chúng sẽ cho phép nhiều bóng bán dẫn 3D này được đóng gói vào một chip máy tính, tạo ra thiết bị điện tử nhanh, mạnh mẽ và cũng tiết kiệm năng lượng hơn.

Trong các thiết bị điện tử, bóng bán dẫn silicon thường hoạt động như công tắc. Áp điện áp vào bóng bán dẫn khiến các electron di chuyển qua rào cản năng lượng từ bên này sang bên kia, chuyển bóng bán dẫn từ “tắt” sang “bật”. Bằng cách chuyển đổi, bóng bán dẫn biểu diễn các chữ số nhị phân để thực hiện tính toán.

Độ dốc chuyển mạch của bóng bán dẫn phản ánh độ sắc nét của quá trình chuyển đổi “tắt” sang “bật”. Độ dốc càng lớn thì điện áp cần thiết để bật bóng bán dẫn càng ít và hiệu suất năng lượng của nó càng cao.

Nhưng do cách electron di chuyển qua rào cản năng lượng nên nguyên lý Boltzmann đòi hỏi một điện áp tối thiểu nhất định để chuyển mạch bóng bán dẫn ở nhiệt độ phòng.

Để vượt qua giới hạn vật lý của silicon, các nhà nghiên cứu MIT đã sử dụng một bộ vật liệu bán dẫn khác gồm gallium antimonide và indium arsenide, kết hợp với thiết kế tận dụng một hiện tượng độc đáo trong cơ học lượng tử gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Đường hầm lượng tử là khả năng của electron xuyên qua rào cản. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các bóng bán dẫn đường hầm, tận dụng đặc tính này để  đẩy electron qua rào cản năng lượng.

Nhưng trong khi các bóng bán dẫn đường hầm có thể cho phép chuyển mạch dốc, chúng thường hoạt động với dòng điện thấp, cản trở hiệu suất của thiết bị điện tử. Dòng điện cao hơn cần thiết để tạo ra công tắc bóng bán dẫn mạnh mẽ cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Sử dụng các công cụ tại MIT.nano, cơ sở nghiên cứu nano hiện đại của MIT, các kỹ sư đã có thể kiểm soát cẩn thận hình dạng 3D của bóng bán dẫn, tạo ra các cấu trúc dị hướng nano thẳng đứng có đường kính chỉ 6 nanomet. Họ tin rằng đây là bóng bán dẫn 3D nhỏ nhất từng được báo cáo cho đến nay.

Kỹ thuật chính xác như vậy cho phép họ đạt được độ dốc chuyển mạch sắc nét và dòng điện cao cùng một lúc. Điều này có thể thực hiện được nhờ hiện tượng gọi là giới hạn lượng tử.

Sự giam cầm lượng tử xảy ra khi một electron bị giới hạn trong một không gian quá nhỏ đến mức nó không thể di chuyển xung quanh. Khi điều này xảy ra, khối lượng hiệu dụng của electron và các đặc tính của vật liệu thay đổi, cho phép electron xuyên qua rào cản mạnh hơn.

Vì bóng bán dẫn rất nhỏ nên các nhà nghiên cứu có thể thiết kế hiệu ứng giới hạn lượng tử mạnh đồng thời chế tạo ra một lớp rào cản cực mỏng. Việc chế tạo chính xác các thiết bị đủ nhỏ để thực hiện được điều này là một thách thức lớn.

Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm, độ sắc nét của độ dốc chuyển mạch thấp hơn giới hạn cơ bản có thể đạt được với các bóng bán dẫn silicon thông thường. Thiết bị của họ cũng hoạt động tốt hơn khoảng 20 lần so với các bóng bán dẫn đường hầm tương tự. Chi tiết tham khảo tại:

Yanjie Shao, Marco Pala, Hao Tang, Baoming Wang, Ju Li, David Esseni, Jesús A. del Alamo. Scaled vertical-nanowire heterojunction tunnelling transistors with extreme quantum confinement. Nature Electronics, 2024; DOI: 10.1038/s41928-024-01279-w