Bán dẫn thế hệ mới ra đời từ nhu cầu vượt qua giới hạn của công nghệ dựa trên electron. Trong hơn nửa thế kỷ qua, công nghệ bán dẫn dựa trên electron đã phát triển mạnh mẽ, đưa ra đời hàng tỷ transistor trong mỗi vi mạch.
Tuy nhiên, khi kích thước transistor thu nhỏ đến mức nanomet, electron bắt đầu bộc lộ giới hạn: tốc độ lan truyền chậm hơn photon, tổn hao năng lượng lớn, và khó giảm nhiễu khi tích hợp dày đặc. Đây chính là lý do ngành công nghiệp bán dẫn cần một hướng đi khác, nơi hạt mang thông tin không chỉ là electron truyền thống mà có thể là một dạng lai giữa điện và quang.
Xem thêm:
Máy tính quang Analog có thể giúp AI tiết kiệm hàng tỷ kWh mỗi năm?
Biến nhiệt cơ thể thành điện: công nghệ pin mới đầy hứa hẹn
Bước ngoặt tìm dấu vết sự sống trên Sao Hỏa
Khái niệm exciton trong bán dẫn thế hệ mới
Exciton là một trạng thái liên kết của electron và lỗ trống trong tinh thể bán dẫn. Khi một photon có năng lượng đủ lớn chiếu vào lớp bán dẫn 2D như WSe₂, electron sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại lỗ trống mang điện dương. Electron và lỗ trống hút nhau bằng lực Coulomb và tạo thành exciton. Hiện tượng này quan trọng vì exciton có khả năng truyền năng lượng và thông tin mà không cần dòng điện tự do như electron.
Trong bài toán quang phổ bán dẫn, sự hình thành và lan truyền của exciton có thể được mô tả bởi phương trình động học cụm lượng tử (Quantum Dynamic Cluster Expansion – QDCE).
Hiện tượng vận chuyển exciton và sự khác biệt với electron
Trong các nghiên cứu gần đây, đặc biệt với cấu trúc Nanoengineered Optoexcitonic Switch (NEO), exciton cho thấy khả năng vận chuyển định hướng vượt trội. Thực nghiệm quang phổ huỳnh quang không gian – thời gian cho thấy exciton trong NEO có vận tốc trôi cao hơn 390% so với mẫu dựa trên biến dạng.
Khác với electron vốn chịu tán xạ điện trở và sinh nhiệt Joule, exciton truyền đi chủ yếu dưới dạng năng lượng liên kết, ít tiêu hao và có thể định hướng bằng thiết kế quang học nano. Hiện tượng này chứng minh rằng exciton không chỉ tồn tại thoáng qua mà còn có thể trở thành hạt tải chính trong vi mạch bán dẫn thế hệ mới.
Việc exciton có thể thay thế electron mang ba ý nghĩa quan trọng. Thứ nhất, tốc độ xử lý có thể tiến gần tốc độ của photon, giúp giảm đáng kể độ trễ trong truyền dữ liệu. Thứ hai, tiêu thụ năng lượng giảm vì exciton không gây tổn hao Joule lớn như electron. Thứ ba, exciton kết hợp trực tiếp với ánh sáng, mở ra khả năng chế tạo các mạch lai điện – quang mà không cần chuyển đổi tín hiệu nhiều tầng như trong hệ thống truyền thông hiện nay.
Trong nghiên cứu, chỉ số On–Off ratio được dùng để đánh giá khả năng chuyển mạch excitonic. Với thiết bị NEO, giá trị này đạt khoảng 8 dB, đủ chứng minh khả năng đóng – mở tín hiệu có kiểm soát trong vi mạch.
Các thí nghiệm với NEO chứng minh rằng exciton có thể được dẫn hướng và duy trì vận chuyển xa hơn nhiều so với trước đây. Purcell enhancement từ cấu trúc nano cũng giúp tăng cường độ phát quang, làm rõ hơn đường truyền exciton. Những kết quả này xác nhận rằng exciton có thể trở thành hạt tải hiệu quả, mở đường cho bán dẫn thế hệ mới.
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu cơ bản. Một số thách thức còn tồn tại gồm độ ổn định của exciton ở nhiệt độ phòng, khả năng chế tạo hàng loạt và tích hợp vào quy trình CMOS hiện tại. Các nhà nghiên cứu tin rằng khi giải quyết được các rào cản này, excitonic devices sẽ góp phần thay đổi ngành công nghiệp bán dẫn, đặc biệt trong các ứng dụng siêu máy tính, trung tâm dữ liệu AI và truyền thông quang tốc độ cao.
Bán dẫn thế hệ mới với exciton thay thế electron trong vi mạch không còn là ý tưởng lý thuyết, mà đã được chứng minh bằng thực nghiệm qua cấu trúc NEO. Hiện tượng exciton vận chuyển định hướng, tốc độ cao và ít tiêu hao năng lượng mở ra triển vọng vượt qua giới hạn của công nghệ CMOS truyền thống. Dù còn chặng đường dài trước khi thương mại hóa, những kết quả này khẳng định exciton sẽ là nền tảng quan trọng trong kỷ nguyên bán dẫn thế hệ mới.
Nguồn: ACS Nano