Các nhà vật lí ở Mĩ vừa chế tạo ra transistor nhanh nhất từ trước đến nay, với tần số ngưỡng 100 GHz. Đội nghiên cứu nói dụng cụ trên có thể thu nhỏ và tối ưu hóa thêm nữa, cho nên nó có thể sớm qua mặt những dụng cụ truyền thống chế tạo từ silicon. Transistor trên có thể tìm thấy ứng dụng trong các hệ ghi ảnh và truyền thông vi sóng.

Giản đồ FET graphene của IBM: dụng cụ mọc trên một chất nền silicon carbide (khối màu đen) và bao gồm các điện cực phát và thu (bằng vàng), graphene (mạng lưới màu đen), lớp cách điện (màu xanh lá) và các điện cực cổng (bằng bạc). (Ảnh: Phaedon Avouris)

Phaedon Avouris, Yu-Ming Lin và các đồng nghiệp tại Trung tâm nghiên cứu TJ Watson của hãng IBM ở New York đã bắt đầu chế tạo transistor hiệu ứng trường (FET) của họ bằng cách làm nóng một bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp mặt gồm những nguyên tử carbon ở dạng graphene. Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng.

Bảo vệ graphene

Bước tiếp theo là khó nhất – cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên đội nghiên cứu đặt thêm một lớp poly-hydroxystrene 10 nm – một polymer dùng trong xử lí chất bán dẫn thương mại – để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxide bình thường được cho lắng lên, sau đó là một điện cực cổng kim loại.

Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa hiệu suất của dụng cụ, các nhà vật lí nói.

Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET silicon tốt nhất có cùng chiều dài cổng (những transistor này có tần số ngưỡng khoảng 40 GHz). Tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một transistor sẽ chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó. Dụng cụ mới đã phá kí lục trước đây của IBM là 26 GHz, công bố hồi tháng 1 năm 2009.

‘Tương thích công nghệ’

Không giống như đa số FET graphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này được chế tạo bằng những kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn. “Công trình của chúng tôi là minh chứng đầu tiên rằng những dụng cụ gốc graphene hiệu suất cao có thể được chế tạo trên một cỡ bánh xốp tương thích công nghệ”, Avouris nói.

Tuy nhiên, một thiếu sót của những dụng cụ graphene như thế là chúng không thể sử dụng trong các mạch kĩ thuật số, thí dụ các mạch dùng trong máy vi tính. Đây là vì graphene có khe năng lượng zero giữa các electron dẫn và electron hóa trị của nó – và chính “dải khe” này cho phép các chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ off sang on.

Thay vào đó, những transistor tần số cao như thế có thể dùng để khuếch đại tín hiệu vi sóng tương tự trong các ứng dụng ghi ảnh và truyền thông – bao gồm radar phân giải cao, ghi ảnh y khoa và ghi ảnh bảo mật.

Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cải thiện độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ. “Những transistor như thế sau này có thể vượt xa những dụng cụ truyền thống”, Avouis nói.

Đội nghiên cứu còn đang khảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có thể dùng trong những ứng dụng kĩ thuật số.

Kết quả công bố trên tờ Science.

Theo physicsworld.com