Computer hiện lập trình software: Semiconductor mới cho phép “viết lại” tính chất điện tử bằng ánh sáng

Một FPGA có thể được lập trình lại sau khi rời nhà máy, nhưng thứ được thay đổi chủ yếu là cách các transistor và đường tín hiệu đã có được kết nối với nhau. Bản thân vật liệu bán dẫn trong transistor — loại hạt tải, mức doping hay cách nó phản ứng với ánh sáng — phần lớn vẫn được quyết định trong quá trình chế tạo.

Một nhóm tại Princeton University đang thử đẩy khái niệm “programmable” xuống thấp hơn một tầng. Thay vì chỉ viết lại logic chạy trên chip, họ tạo một semiconductor hai chiều mà tính chất điện tử có thể được ghi, xóa và ghi lại bằng ánh sáng.

Hệ vật liệu kết hợp monolayer WS₂ hoặc WSe₂ với một lớp molecule azobenzene nhạy sáng. Khi chiếu tia UV-A khoảng 365 nm, azobenzene đổi hình, tạo ra một dipole điện ngay sát semiconductor và làm mật độ electron hoặc hole bên dưới thay đổi. Chiếu ánh sáng xanh khoảng 450 nm đưa molecule trở lại trạng thái ban đầu và đảo ngược hiệu ứng.

Trong paper đăng trên Science Advances, nhóm đã mở rộng cơ chế này từ những flake siêu nhỏ sang film cỡ centimet, tạo mảng 60 transistor và “viết” các pattern quang học với feature nhỏ tới khoảng 70 µm. Đây chưa phải một processor có thể đổi chức năng bằng cách chiếu đèn lên chip, nhưng nó chứng minh một điều khác thường: một thuộc tính vốn thường bị khóa sau fabrication có thể trở thành biến số điều khiển được sau khi vật liệu đã được tạo ra.

Software có thể đổi mỗi ngày; semiconductor thường không như vậy

Điện tử hiện đại đã có nhiều cấp độ reconfigurability. CPU chạy chương trình khác nhau. FPGA thay đổi routing và logic bằng các bit cấu hình. Memory lưu và xóa điện tích hoặc trạng thái vật lý theo lệnh.

Nhưng ở cấp vật liệu, một transistor silicon đã được tạo với channel, gate oxide và vùng doping cụ thể thì những đặc tính nền tảng đó không thường xuyên được “viết lại” trong lúc vận hành. Gate voltage có thể tạm thời kéo electron vào hoặc ra khỏi channel, nhưng cấu trúc vật liệu và profile chức năng của thiết bị vẫn được quyết định phần lớn lúc thiết kế.

Nhóm của Saien Xie và Jaehoon Ji muốn làm một loại vật liệu nằm giữa hai thế giới: nó vẫn là semiconductor, nhưng có thêm một lớp phân tử đóng vai trò như bộ nhớ cấu hình quang học.

Điểm then chốt là chọn semiconductor đủ mỏng để một lớp molecule bên trên có thể ảnh hưởng tới gần như toàn bộ channel. WS₂ và WSe₂ thuộc nhóm transition-metal dichalcogenide hai chiều. Ở dạng monolayer, chúng chỉ dày ở cấp nguyên tử, nên điện trường và dipole tại interface có thể thay đổi mật độ hạt tải trên toàn lớp hiệu quả hơn nhiều so với một khối semiconductor dày.

Azobenzene hoạt động như một gate không cần dây

Lớp nằm trên semiconductor là một dẫn xuất azobenzene, dày khoảng 1,6 nm trong quy trình của nhóm. Azobenzene có một đặc tính đã được biết rõ trong quang hóa: cấu trúc của nó có thể chuyển qua lại giữa hai dạng hình học khi hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng khác nhau.

Ở trạng thái trans, molecule tương đối đối xứng và gần như không tạo dipole ròng theo cách mà hệ này khai thác. Khi chiếu UV-A khoảng 365 nm, liên kết N=N thay đổi cấu hình và molecule chuyển sang dạng cis bị bẻ cong. Trạng thái cis có dipole điện hữu hạn.

Dipole nằm ngay sát lớp WS₂ hoặc WSe₂ và tác động lên charge carrier giống một gate điện tĩnh. Với WS₂ n-type, trạng thái cis làm tăng electron. Với WSe₂ p-type, nó làm giảm mật độ hole. Paper ước tính mức modulation hạt tải ở cỡ vài × 10¹² cm⁻², với giá trị điển hình khoảng 2,5 × 10¹² cm⁻² trên nền tảng mà nhóm trình diễn.

Ánh sáng xanh khoảng 450 nm làm điều ngược lại: cis-Azo quay về trans-Azo, dipole giảm và semiconductor trở lại gần trạng thái điện tử ban đầu.

Vì vậy ánh sáng không trực tiếp “biến WS₂ thành một vật liệu khác”. Crystal lattice của semiconductor không bị viết lại theo kiểu phase-change memory. Thứ được lập trình là môi trường điện tĩnh tại interface, và môi trường đó thay đổi mật độ hạt tải, threshold voltage, độ dẫn và tín hiệu quang học của lớp 2D bên dưới.

Một màu để ghi, một màu để xóa

Trong điều kiện tối ưu của paper, UV-A 365 nm với irradiance khoảng 1,7 mW/cm² đưa azobenzene sang trạng thái cis trong khoảng 3 phút. Dòng điện của transistor WS₂/Azo tăng dần theo thời gian chiếu và đạt khoảng hai lần mức ban đầu khi quá trình gần bão hòa.

Sau đó, ánh sáng 450 nm ở khoảng 5 mW/cm² đưa hệ trở lại trans trong khoảng 5 phút. Dòng điện giảm dần về baseline.

Đây không chỉ là công tắc 0 hoặc 1. Nếu dừng illumination giữa chừng, một phần molecule đã chuyển cấu hình trong khi phần còn lại chưa chuyển. Nhờ đó conductivity có thể được đặt ở nhiều mức trung gian tùy dose ánh sáng.

Khả năng analog này là một trong những điểm làm khái niệm “program material” thú vị hơn một photoswitch thông thường. Về nguyên tắc, cùng một vùng semiconductor có thể được điều chỉnh tới nhiều trạng thái khác nhau mà không phải chế tạo thêm gate electrode cục bộ cho từng mức.

Tuy nhiên, tốc độ hiện tại cũng đặt nghiên cứu vào đúng bối cảnh: vài phút cho một lần ghi hoặc xóa chậm hơn transistor logic hàng tỷ lần. Platform này chưa cạnh tranh với CMOS gate cho phép tính tốc độ cao. Những ứng dụng phù hợp hơn trong giai đoạn đầu có thể là cấu hình hiếm khi thay đổi, sensor thích nghi, optoelectronics hoặc phần cứng analog nơi trạng thái chỉ cần được cập nhật theo chu kỳ dài hơn.

Điểm mới lớn nằm ở việc làm được trên diện tích lớn

Photo-programmable semiconductor dựa trên molecule nhạy sáng không phải ý tưởng xuất hiện lần đầu ở paper này. Các nghiên cứu trước đã cho thấy azobenzene có thể điều chỉnh doping của MoS₂ và các vật liệu 2D khác.

Vấn đề là phần lớn demo trước dùng những flake exfoliation rất nhỏ và một vài transistor đơn lẻ. Điều đó đủ chứng minh vật lý nhưng chưa trả lời câu hỏi quan trọng với electronics: liệu hiệu ứng có đồng đều trên hàng chục device hay trên film đủ lớn để chế tạo mạch hay không?

Nhóm Princeton tăng scale bằng cách tạo monolayer WS₂ và WSe₂ bằng metal-organic chemical vapor deposition, sau đó phủ azobenzene bằng solution processing. Paper cho thấy film trên substrate sapphire 2 inch và các vùng hybrid có độ đồng đều ở cấp centimet. Princeton sau đó giới thiệu một mẫu semiconductor đồng đều khoảng một inch vuông.

Để kiểm tra điện tử, nhóm chế tạo một ma trận 60 field-effect transistor dựa trên WSe₂/Azo, trải trên vùng rộng khoảng 1 cm. Threshold voltage trung bình chuyển từ khoảng −8,6 V ở trạng thái trans sang khoảng −34,2 V ở trạng thái cis.

Sự dịch chuyển xảy ra trên toàn array, cho thấy ánh sáng không chỉ thay đổi một flake may mắn trong microscope mà có thể điều khiển một tập device tương đối lớn theo cùng một hướng.

Ánh sáng còn có thể “vẽ” vùng có tính chất điện tử khác nhau

Nếu chiếu UV lên toàn sample, toàn film được lập trình gần như cùng một trạng thái. Nhưng ánh sáng có thể được chiếu theo pattern.

Nhóm đặt photomask trên vật liệu và chỉ cho UV tới những vùng được chọn. Azobenzene bên dưới vùng mở chuyển sang cis; những vùng bị che vẫn ở trans. Kết quả là một film semiconductor có các khu vực mang mật độ charge carrier và phản ứng photoluminescence khác nhau dù vật liệu ban đầu liên tục và giống nhau.

Trong thử nghiệm, nhóm tạo pattern với feature nhỏ tới khoảng 70 µm. Vùng sáng/tối trong ảnh photoluminescence tái hiện hình dạng mask, chứng minh tính chất optoelectronic có thể được “vẽ” không gian sau khi film đã chế tạo xong.

Con số 70 µm cần được đặt đúng bối cảnh. Nó lớn hơn hàng nghìn lần feature của logic transistor tiên tiến. Paper không chứng minh có thể dùng projector để vẽ trực tiếp transistor 3 nm. Đây là spatial programming ở cấp vật liệu trên một prototype quang học, và độ phân giải hiện phụ thuộc vào illumination, mask, optical spreading cùng cấu trúc molecular film.

Trạng thái không biến mất ngay khi tắt đèn

Một vật liệu programmable chỉ thực sự hữu ích nếu trạng thái không lập tức trôi trở lại ngay khi stimulus biến mất.

Nhóm kiểm tra cis-Azo trong điều kiện không tiếp tục chiếu và không thấy thay đổi đáng kể trong phổ photoluminescence của WS₂ và WSe₂ trong 24 giờ. Điều đó cho thấy trạng thái được viết có thể giữ lại ít nhất trên thang thời gian một ngày trong điều kiện thử nghiệm.

Họ cũng chuyển qua lại hai trạng thái nhiều lần. Sau 500 chu kỳ, mức modulation photoluminescence giảm khoảng 10% so với ban đầu. Trong 10 chu kỳ được trình bày chi tiết, switching lặp lại mà không thấy spectral drift đáng kể.

Đây là bằng chứng endurance hữu ích cho một nghiên cứu vật liệu, nhưng còn rất xa tiêu chuẩn của memory hoặc logic thương mại vốn có thể cần hàng triệu tới hàng nghìn tỷ lần switching tùy ứng dụng. Paper cũng chưa chứng minh retention theo tháng hoặc năm.

“Lập trình vật liệu” khác gì FPGA?

Phép so sánh với software có ích để hình dung, nhưng hai khái niệm không giống nhau.

Khi tải bitstream mới vào FPGA, chip sử dụng một mạng transistor và switch đã được chế tạo sẵn để thay đổi đường dữ liệu và hàm logic. Vật liệu tạo nên mỗi transistor về cơ bản vẫn giữ nguyên.

Trong hệ Princeton, ánh sáng thay đổi trạng thái của molecule ngay tại interface, rồi trạng thái đó điều chỉnh mật độ hạt tải của semiconductor. Có thể coi đây là một lớp cấu hình nằm bên trong vật lý của device thay vì chỉ trong routing của mạch.

Điều này có thể hữu ích nếu một device tương lai cần tự điều chỉnh sensitivity, threshold hoặc response spectrum sau khi xuất xưởng. Một sensor chẳng hạn có thể được hiệu chỉnh lại bằng illumination thay vì thêm một mạng DAC và gate electrode lớn. Một phần cứng analog có thể dùng mức doping làm một tham số có thể viết lại. Một optoelectronic array có thể thay đổi vùng nhạy ánh sáng mà không chế tạo lại pattern vật liệu.

Nhưng paper chưa xây một hệ như vậy hoàn chỉnh. Princeton cho biết nhóm mới tạo các array của programmable switch; bước tiếp theo là nối chúng thành circuit.

Không phải mọi tính chất vật liệu đều đã trở thành software

Headline “lập trình tính chất vật liệu” dễ kéo câu chuyện đi quá xa. Nghiên cứu hiện chứng minh một tập tính chất có liên hệ trực tiếp với carrier density và optical response. Nó không cho phép người dùng tùy ý đặt bandgap, crystal symmetry, thermal conductivity hay magnetic order của WS₂/WSe₂ theo một file cấu hình.

Hệ cũng cần optical access. Một chip được đóng gói kín bằng metal stack và encapsulation thông thường sẽ không thể đơn giản nhận UV và blue light ở mọi transistor. Kiến trúc thực tế phải tích hợp waveguide, micro-LED, transparent package hoặc một cách phân phối photon khác.

UV 365 nm cũng không phải stimulus lý tưởng cho mọi vật liệu và packaging dài hạn. Azobenzene có thể chịu nhiều chu kỳ, nhưng stability hóa học dưới ánh sáng, nhiệt và môi trường vận hành thực tế phải được đánh giá lâu hơn. Trong quy trình paper, mẫu được bảo quản trong môi trường nitrogen-purged để hạn chế degradation khi không sử dụng.

Và quan trọng nhất, tốc độ vài phút hiện đặt nền tảng này xa logic thông thường. Muốn trở thành thành phần computing thật sự, nhóm phải tăng tốc photoisomerization, giảm optical dose, cải thiện spatial resolution và chứng minh những trạng thái trung gian có thể được đặt chính xác, giữ lâu và đọc lặp lại ở quy mô lớn.

Điểm thay đổi nằm ở ranh giới giữa hardware và software

Trong thiết kế máy tính truyền thống, hardware được chế tạo trước rồi software thích nghi với thứ hardware đó có thể làm. Reconfigurable electronics đã làm ranh giới này mờ đi ở cấp circuit. Công trình Princeton đẩy câu hỏi xuống một tầng sâu hơn: liệu một phần của chính material state cũng có thể trở thành thứ được cấu hình sau fabrication hay không?

WS₂/Azo và WSe₂/Azo hiện chưa phải câu trả lời cuối cùng. Chúng là một demonstration cho thấy molecule có thể đóng vai trò như gate quang học giữ trạng thái, trong khi semiconductor 2D đủ mỏng để toàn bộ channel phản ứng với gate đó.

Bước tiếp theo mà nhóm đang nhắm tới là nối các programmable switch thành circuit thực sự. Khi đó mới có thể kiểm tra câu hỏi quan trọng hơn: việc viết lại doping bằng ánh sáng có đem lại một chức năng mà transistor gate, memory và FPGA hiện tại không làm được hiệu quả hay không.

Nếu câu trả lời là có, “programming” trong một số chip tương lai có thể mang nghĩa rộng hơn việc nạp lệnh vào memory. Một phần của cấu hình máy có thể nằm ngay trong cách molecule trên bề mặt semiconductor đang xoay — và một chùm ánh sáng sẽ đóng vai trò của lệnh ghi.

Nguồn chính: Science Advances — Large-area, photo-programmable 2D semiconductors with chromic molecular functionalization; Princeton University.