Phát triển thành công vật liệu lượng tử thay thế dây đồng trong chip

Trong các bộ vi xử lý hiện đại, hàng tỷ bóng bán dẫn được kết nối với nhau bằng những đường dây siêu nhỏ gọi là interconnect (liên kết điện). Các đường dẫn này đóng vai trò như hệ thần kinh của con chip, cho phép các bóng bán dẫn truyền tín hiệu và trao đổi dữ liệu.

Các interconnect siêu nhỏ kết nối bóng bán dẫn trong chip được làm bằng đồng đang gặp phải những giới hạn.

Trong hơn hai thập kỷ qua, đồng vẫn là vật liệu tiêu chuẩn để chế tạo các đường dẫn này nhờ khả năng dẫn điện rất cao. Thực tế, ngành bán dẫn đã chuyển từ nhôm sang đồng từ cuối những năm 1990, với IBM là công ty tiên phong vào năm 1997.

Tuy nhiên, khi kích thước chip ngày càng thu nhỏ xuống quy mô nano, đồng bắt đầu bộc lộ điểm yếu. Các electron di chuyển trong dây đồng liên tục va chạm với bề mặt khi dây trở nên quá mỏng, khiến điện trở tăng lên và hiệu suất dẫn điện giảm đáng kể.

Điều này đang trở thành rào cản lớn đối với việc tiếp tục thu nhỏ chip theo xu hướng của ngành bán dẫn.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tại Cornell đã chuyển sang sử dụng niobi arsenide (NbAs) – một loại bán kim topo thuộc nhóm vật liệu lượng tử. Khác với đồng, các electron trên bề mặt NbAs có khả năng di chuyển rất nhanh và gần như không bị tán xạ.

Đá niobi, một loại khoáng chất được sử dụng trong luyện kim. Ảnh: IE.

Theo GS Judy Cha, tác giả chính của nghiên cứu, chính đặc điểm này tạo nên sự khác biệt: "Các electron di chuyển trên bề mặt vật liệu có tốc độ rất cao và không bị tán xạ dễ dàng như các electron bên trong vật liệu."

Điều thú vị là khi dây nano càng mỏng, ảnh hưởng của lớp bề mặt càng lớn, giúp khả năng dẫn điện không giảm mà ngược lại còn được cải thiện.

Để tạo ra các dây nano siêu nhỏ này, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật gọi là thermomechanical nanomolding. Quy trình bắt đầu bằng việc ép khối vật liệu NbAs vào một khuôn làm từ oxit nhôm có cấu trúc nhiều lỗ siêu nhỏ dưới nhiệt độ cao.

Sau khi loại bỏ khuôn, các nhà khoa học thu được những dây nano đơn tinh thể có chất lượng rất cao và có thể chuyển trực tiếp lên các tấm wafer silicon. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác đường kính dây xuống chỉ khoảng 10 nanomet.

Tính chất điện của dây nano NbAs 4 đầu cực vượt trội so với đồng và các kim loại khác.

Một ưu điểm quan trọng khác là NbAs vẫn giữ được độ ổn định ở nhiệt độ phòng. Đây là lợi thế lớn bởi nhiều vật liệu lượng tử khác thường rất dễ bị oxy hóa hoặc chỉ hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt.

Niobi arsenide không chỉ giúp giảm điện trở mà còn có thể cải thiện hiệu suất và giảm mức tiêu thụ điện năng của các vi xử lý thế hệ tiếp theo, mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp chip trong kỷ nguyên hậu silicon.

Hoàn thiện quy trình sản xuất chip bán dẫn tại Việt Nam.

Tuệ Minh