Kĩ thuật mới sản xuất hàng loạt các hợp chất bán dẫn

Các hợp chất bán dẫn như gallium arsenide (GaAs) có thể mang đến một cuộc cách mạng trong ngành quang học và điện tử học, cùng với triển vọng của các tấm pin mặt trời hiệu quả cao và một thế hệ mới các linh kiện. Vấn đề trở ngại là ở chỗ các dụng cụ chế tạo từ những chất liệu này thường khó sản xuất và bản chất tuyệt vời của chúng khiến chúng dễ bị hỏng. Nhưng nay một nhóm nhà người tại Mĩ và Hàn Quốc vừa thiết kế ra một kĩ thuật lắp ráp mới, mà theo họ cho biết có thể sản xuất những chất liệu này hàng loạt và tích hợp chúng vào các dụng cụ tương đối dễ dàng. Họ chứng minh kĩ thuật của mình bằng cách chế tạo một số linh kiện điện tử thô sơ.

Với silicon vẫn là chất liệu thống trị trong nhiều ngành công nghiệp công nghệ cao, các hợp chất bán dẫn có thể giữ lợi thế lớn cho những ứng dụng nhất định. Đây là nhờ sự linh động cao của các electron bên trong các chất liệu trên và dải khe trực tiếp của chúng, khiến chúng đặc biệt hiệu quả ở việc thao tác với ánh sáng. Nhưng vấn đề mà ngành công nghiệp hợp chất bán dẫn đang đối mặt là chúng phải cạnh tranh với một thị trường bị thống trị bởi silicon với nền tảng công nghệ đã có sẵn của nó không tương thích với các hợp chất bán dẫn.

Ảnh quang học của một lượng lớn tế bào mặt trời GaAd chế tạo bằng kĩ thuật in mô tả trong bài. Ảnh: John Rogers

John Rogers, làm việc cùng các đồng nghiệp tại trường đại học Illinois ở Urbana-Champaign và một công ti có liên quan, đưa ra một phương pháp sản xuất bằng cách điều chỉnh kĩ thuật in nhanh mà họ đã phát triển trong vài năm vừa qua. Họ bắt đầu bằng việc nuôi cấy những chồng gồm nhiều lớp gallium arsenide và nhôm gallium arsenide, sau đó họ “tách” ra từng lớp một bằng một con tem gốc silicon. Các lớp được gỡ ra dễ dàng do lực van der Waals, lực trên mặt con tem mạnh hơn lực giữa các lớp hợp chất bán dẫn. Sau đó, các nhà nghiên cứu dán những lớp rời này lên các vị trí mục tiêu trên một bánh xốp silicon.

Để chứng minh tính chính xác và bền vững của kĩ thuật của mình, đội của Rogers đã chế tạo ba linh kiện đã biết: transistor hiệu ứng trường với các cổng lô gic; dụng cụ ghi ảnh hồng ngoại gần (NIR), và các mô-đun quang điện. Các nhà khoa học sử dụng NIR để chứng tỏ toàn bộ chi tiết của các dụng cụ.

Nhóm nghiên cứu dự định phát triển kĩ thuật của họ bằng cách phát triển những linh kiện phức tạp hơn, như các bộ dò cho pin mặt trời. Tiện lợi của các chất dải khe trực tiếp như thế này là các photon đến có thể dễ dàng phóng thích các electron, sau đó các electron có thể được thu gom thành dòng điện. Trong các tế bào mặt trời gốc silicon, dải khe là gián tiếp nên các cặp electron-lỗ trống sẽ chỉ hình thành nếu có sẵn một dao động mạng gọi là phonon – với mômen thích hợp.

“Cơ hội lớn nhất của chúng tôi là các tế bào mặt trời, nơi các hợp chất bán dẫn chưa gặp phải sự cạnh tranh từ trước đến nay”, Rogers nói. Ông còn tin rằng có một cơ hội hấp dẫn trogn những ứng dụng quang điện tử khác, thí dụ như các bộ chuyển mạch hiệu quả cao.

Chris Phillips, một nhà nghiên cứu chất bán dẫn tại trường Imperial College London cho biết ông hoan nghênh loại phương pháp thực tiễn như thế này đối với nghiên cứu hợp chất bán dẫn. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng vẫn có những thách thức thực tiễn phải xử lí về bản chất “mong manh” của những chất liệu này. “Với các chất bán dẫn truyền thống, tác dụng là ở sâu bên trong tinh thể. Trong những lớp chất mỏng manh này, các lớp có thể dễ dàng bị trật khớp, dẫn tới sự tái kết hợp electron-lỗ trống và làm suy giảm hiệu suất một cách gay gắt”, ông nói. Theo Phillips, cơ hội lớn nhất cho các hợp chất bán dẫn sẽ là với các dụng cụ lai, nơi những chất liệu mới có thể tích hợp vào mạch điện gốc silicon.

Nghiên cứu này công bố trên tờ Nature.

Theo physicsworld.com