Mạch graphene tích hợp đầu tiên

Mạch tích hợp graphene

Ảnh chụp mạch điện tích hợp graphene cho thấy những cuộn cảm, đó là hai cấu trúc lớn hình vuông ở góc trên bên trái và bên phải. Transistor hiệu ứng trường là cấu trúc nhỏ xíu tại dấu thập nằm chỗ giữa bức ảnh. (Ảnh: P Avouris)

Các nhà nghiên cứu IBM vừa chế tạo ra mạch graphene tich hợp đầu tiên trong đó toàn bộ những bộ phận mạch điện đều được tích hợp trên một con chip nhỏ gọn. Mạch điện mới trên là một bước tiến quan trọng nữa hướng đến nền điện tử học gốc graphene và những ứng dụng tiềm năng, trong đó có sự truyền thông không dây và máy khuếch đại.

Bất chấp nhiều tiến bộ trong những năm gần đây và thực tế các nhà khoa học đã chế tạo được một số dụng cụ gốc graphene hiệu năng cao, việc tích hợp transitor graphene với những bộ phận khác trên một con chip vẫn còn là một thách thức. Đây chủ yếu là vì graphene bám dính tốt cho lắm đối với kim loại và các oxide truyền thống dùng trong các quá trình chế tạo chất bán dẫn và vì không có những kĩ thuật đáng tin cậy và hàng loạt để sản xuất những mạch điện như thế.

Cuộn cảm tích hợp

Phaedon Avouris cùng các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu T J Watson của IBM ở Yorktown Heights, New York, có lẽ đã vượt qua trở ngại này với mạch tích hợp mới của họ gồm một transistor graphene và một cặp cuộn cảm gắn khít trên một miếng bánh xốp silicon carbide (SiC). Quá trình chế tạo cỡ bánh xốp mà đội phát triển tương thích với các phương pháp chế tạo chất bán dẫn thông thường và có thể dùng để sản xuất mạch điện với năng suất cao.

Các nhà nghiên cứu tổng hợp graphene của họ bằng cách bóc nhiệt silicon ra khỏi bánh xốp SiC để tạo ra những lớp graphene đồng đều trên bề mặt SiC cách điện. Sau đó, họ vạch rảnh transistor bằng kĩ thuật in khắc chùm electron, loại graphene ra khỏi những vùng rảnh bằng plasma oxygen. Các cuộn cảm được vạch bằng kĩ thuật in khắc chùm electron và tạo ra bằng cách cho lắng kim loại nhôm dày micron lên trên bánh xốp. Cuối cùng, một lớp silicon dioxide dày 120 nm, lắng bằng sự bay hơi chùm electron, được dùng để tách lí các vòng cảm ứng ra khỏi các mối nối kim loại bên dưới.

Mạch điện hoạt động như “mạch trộn tần” lên tới 10 GHz, theo lời thành viên đội Yuming Lin. Như tên gọi cho thấy, mạch trộn tần tạo ra tín hiệu ra với tần số trộn lẫn và là thành phần cơ bản của nhiều hệ thống truyền thông điện tử. Trong dụng cụ của họ, các nhà nghiên cứu áp dụng hai tín hiệu cao tần vào cực cổng và cực máng của mạch graphene. Transistor graphene bị điều biến bởi cả hai tín hiệu và tạo ra một dòng điện máng chứa những tần số đã trộn lẫn.

Truyền thông không dây

Mạch điện trên có thể dùng cho truyền thông không dây. Bằng cách tối ưu hóa hiệu suất của transistor graphene, nó còn có thể dùng làm mạch khuếch đại.

Nghiên cứu trên còn có thể áp dụng cho những loại chất liệu graphene khác, bao gồm cả những màng mỏng graphene lắng hơi hóa học (CVD) tạo ra trên những màng mỏng kim loại. Quan trọng nhất là nó có thể dùng trên silicon và những chất bán dẫn khác để tạo ra những mạch lai với những chức năng mới.

Đội nghiên cứu hiện đang bận rộn tìm cách cải tiến hiệu suất của các transistor trên bằng cách tối ưu hóa cấu trúc dụng cụ, chất lượng graphene, và điện môi cực cổng. “Chúng tôi cũng đang phát triển những mạch điện graphene phức tạp cho những dụng cụ phức tạp hơn nữa”, Lin nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí 332 1294.

Nguồn: physicsworld.com