Transistor thường được “đóng tính cách” khi sản xuất: Lớp phân tử mới cho phép ánh sáng viết lại cách semiconductor dẫn điện

Một transistor thông thường có thể bật và tắt hàng tỷ lần mỗi giây, nhưng “tính cách” cơ bản của nó phần lớn đã được quyết định trước khi rời dây chuyền: vật liệu nào tạo channel, mật độ carrier ra sao, threshold voltage ở đâu và vùng nào của chip dẫn điện mạnh hơn vùng nào. Gate voltage có thể điều khiển transistor trong lúc chạy, nhưng bản thân cấu trúc điện tử mà gate đang điều khiển thường không được viết lại sau fabrication.

Một nhóm tại Princeton University vừa trình diễn một cách làm khác. Họ phủ một lớp phân tử nhạy sáng lên semiconductor hai chiều WS₂ và WSe₂ chỉ dày một lớp nguyên tử. Khi chiếu những bước sóng khác nhau, các phân tử đổi hình và tạo hoặc xóa một dipole điện ngay trên bề mặt semiconductor. Dipole này hoạt động giống một gate quang học: nó thay đổi mật độ electron hoặc hole bên dưới mà không cần tạo thêm một điện cực gate tại vị trí đó.

Kết quả, công bố trên Science Advances, cho phép các tác giả lập trình, xóa và lập trình lại tính chất điện–quang của vật liệu bằng ánh sáng trên diện tích centimet. Mảng 60 field-effect transistor cho thấy threshold voltage có thể được dịch chuyển lặp lại khá đồng đều sau khi thiết bị đã chế tạo xong.

Điều đó chưa biến transistor thành một linh kiện có thể tùy ý đổi từ CPU sang memory bằng một tia sáng. Nhưng nó chứng minh một ý tưởng quan trọng: một phần chức năng điện tử vốn được “đóng cứng” trong fabrication có thể được chuyển sang một lớp vật liệu có khả năng tái cấu hình sau đó.

Phần thay đổi không nằm trong WS₂ hay WSe₂, mà ở lớp phân tử phía trên

Nền tảng của nhóm gồm hai loại transition-metal dichalcogenide, hay TMD: WS₂ vốn có xu hướng dẫn kiểu n và WSe₂ thiên về kiểu p trong các thiết bị được thử. Cả hai được tăng trưởng ở dạng monolayer bằng metal-organic chemical vapor deposition.

Trên lớp semiconductor đó, nhóm spin-coat một màng azobenzene — viết tắt Azo — dày khoảng 1,6 nm. Azobenzene là một họ phân tử photochromic có thể đổi cấu hình hình học khi hấp thụ ánh sáng.

Ở trạng thái trans, phân tử Azo tương đối thẳng và gần như không có dipole ròng theo hướng mà nhóm cần. Khi được chiếu UVA khoảng 365 nm, liên kết N=N làm phân tử chuyển sang trạng thái cis bị bẻ cong. Cấu hình mới tạo một dipole điện hướng về lớp TMD phía dưới.

Chiếu ánh sáng xanh khoảng 450 nm làm quá trình đảo ngược: cis trở lại trans và trường dipole giảm đi. Vì vậy hai màu ánh sáng hoạt động như thao tác “write” và “erase” ở cấp vật liệu.

Điều quan trọng là TMD chỉ dày một lớp nguyên tử. Độ dày này nhỏ hơn chiều dài screening điện tích đặc trưng của vật liệu, nên trường điện từ những phân tử ở bề mặt không chỉ tác động lên vài nguyên tử ngoài cùng; về thực tế nó có thể điều chỉnh toàn bộ channel.

Ánh sáng ở đây đóng vai trò gate, không phải chỉ tạo photocurrent

Nhiều semiconductor vốn đã phản ứng với ánh sáng: photon tạo electron–hole pair và dòng điện tăng khi chiếu sáng. Nếu chỉ vậy, công trình mới sẽ gần với một photodetector thông thường.

Cơ chế của Princeton khác ở chỗ ánh sáng trước hết thay đổi hình dạng phân tử Azo. Hình dạng mới làm xuất hiện một trường dipole tại giao diện; trường đó mới điều chỉnh carrier density trong WS₂ hoặc WSe₂. Các tác giả vì thế gọi nó là một dạng optical gating.

Đối với WS₂, trạng thái cis làm tăng electron density; phép đo transistor cho thấy mức biến thiên carrier khoảng 2,0 × 10¹² cm⁻². Với WSe₂, cùng dipole làm giảm mật độ hole khoảng 3,3 × 10¹² cm⁻². Khi tổng hợp cả phép đo quang và điện, paper mô tả khả năng điều biến carrier density điển hình ở cỡ 2,5 × 10¹² cm⁻².

Điều này cần được phân biệt với việc đổi hoàn toàn polarity của transistor. Trong demonstration hiện tại, nhóm chủ yếu điều chỉnh mức doping hiệu dụng và threshold voltage của những channel vốn đã là n-type hoặc p-type; họ chưa cho thấy một transistor duy nhất có thể tùy ý đổi giữa n-type và p-type chỉ bằng ánh sáng.

Một mảng 60 transistor được “viết lại” sau fabrication

Để chứng minh hiệu ứng không chỉ tồn tại trên một flake nhỏ được chọn đẹp bằng kính hiển vi, nhóm chế tạo một array 12 × 5, tổng cộng 60 FET dựa trên WSe₂/Azo trải trên vùng rộng khoảng 1 cm.

Ở trạng thái trans, threshold voltage trung bình của các thiết bị khoảng −8,6 V. Sau khi chuyển Azo sang cis bằng UV, giá trị trung bình dịch tới khoảng −34,2 V. Các transistor trong array đều thể hiện xu hướng dịch tương tự, cho thấy optical programming có thể được áp dụng tương đối đồng đều trên diện tích lớn thay vì chỉ ở một device đơn lẻ.

Nhóm cũng dùng photomask để chiếu chọn vùng, tạo pattern có kích thước đặc trưng xuống khoảng 70 µm. Về nguyên tắc, điều này có nghĩa cùng một tấm semiconductor liên tục có thể được “vẽ” thành các vùng có carrier density khác nhau sau khi material growth đã hoàn tất.

Đây là phần gần nhất với ý tưởng “viết lại tính cách” của semiconductor. Lithography truyền thống vẫn cần để tạo electrode và hình học transistor, nhưng một thuộc tính điện quan trọng — local doping/threshold — có thể được thay đổi sau fabrication bằng illumination có chọn lọc.

Trạng thái được giữ lại khi tắt đèn, nhưng không vĩnh viễn

Một optical gate sẽ ít hữu ích nếu phải chiếu laser liên tục để duy trì trạng thái. Trong các phép thử của nhóm, cis-Azo không nhanh chóng tự trở lại trans sau khi tắt UV. Phổ photoluminescence gần như không thay đổi đáng kể trong 24 giờ theo dõi, cho thấy trạng thái đã lập trình có tính lưu giữ ở thang thời gian đó.

Nhóm còn chuyển qua lại giữa hai cấu hình trong 500 chu kỳ. Mức modulation của tín hiệu quang giảm khoảng 10% so với ban đầu sau chuỗi thử này. Các transistor cũng cho thấy threshold-voltage shift có thể đảo ngược nhiều lần mà không xuất hiện current drift đáng kể trong phép đo được báo cáo.

Những số liệu này cho thấy photoisomerization đủ ổn định cho proof-of-concept, nhưng chưa tương đương endurance của transistor logic thương mại. Chip logic có thể phải trải qua hàng tỷ hoặc hàng nghìn tỷ chu kỳ chuyển mạch, còn storage-class device có các chuẩn retention và endurance riêng.

Điểm yếu hiện tại: “lập trình bằng ánh sáng” còn tính bằng phút

Headline về semiconductor điều khiển bằng ánh sáng dễ gợi liên tưởng tới photonic switching tốc độ femtosecond. Đây không phải thiết bị như vậy.

Trong protocol của paper, chuyển từ trans sang cis dùng nguồn UVA 365 nm với irradiance khoảng 1,7 mW/cm² trong 3 phút. Quá trình erase theo chiều ngược lại dùng ánh sáng 450 nm khoảng 5 mW/cm² trong 5 phút. Khi photopattern qua mask, nhóm còn phải chiếu UV hơn 50 phút để bù suy hao và đạt contrast cần thiết.

Vì thế, ưu thế hiện tại không nằm ở tốc độ switching. Nó nằm ở khả năng reconfigure sau fabrication mà không cần duy trì điện áp gate liên tục, đồng thời có thể chọn vùng bằng ánh sáng.

Nếu công nghệ được dùng cho self-calibrating sensor hoặc một dạng neuromorphic hardware, tốc độ vài phút có thể chấp nhận được cho bước calibration hoặc programming hiếm khi diễn ra. Nếu mục tiêu là logic động thay đổi chức năng theo từng clock cycle, tốc độ hiện tại còn cách rất xa.

Scale lớn hơn single-flake, nhưng vẫn chưa phải silicon process

Một hạn chế lâu nay của 2D semiconductor là nhiều demonstration chỉ dùng những flake kích thước micromet được exfoliate thủ công. Nhóm Princeton tránh phần nào vấn đề đó bằng cách tăng trưởng WS₂ và WSe₂ trên diện tích centimet bằng MOCVD rồi phủ Azo bằng spin coating.

Paper cho thấy WS₂/Azo trên một phần của substrate sapphire 2 inch và transistor array trải khoảng 1 cm. Princeton cũng cho biết nhóm đã tạo một mẫu đồng đều cỡ một inch vuông. Đây là cải thiện đáng kể về scale so với một device đơn, nhưng vẫn chưa phải wafer process ở kích thước và yield của công nghiệp CMOS.

Quan trọng hơn, nhóm hiện mới chứng minh array của programmable switches. Princeton cho biết bước tiếp theo là nối chúng thành circuit. Cho tới khi có inverter, logic block hoặc một hệ sensor hoàn chỉnh hoạt động với optical programming, chưa thể biết lợi ích ở cấp vật liệu chuyển thành lợi ích ở cấp chip tốt tới đâu.

“Smart semiconductor” có thể có ý nghĩa hơn ở sensor so với CPU

Khả năng đáng chú ý nhất của nền tảng không nhất thiết là thay transistor silicon trong CPU. Silicon CMOS đã cực kỳ tốt ở switching nhanh, độ ổn định và manufacturing. Một lớp Azo cần chiếu nhiều phút khó cạnh tranh ở đúng bài toán đó.

Nhưng sensor và edge device có những nhu cầu khác. Một image sensor có thể cần tự hiệu chỉnh độ nhạy theo môi trường. Một chemical sensor có thể phải bù drift. Một neuromorphic element có thể cần trọng số được chỉnh rồi giữ nguyên trong thời gian dài thay vì cập nhật mỗi nanosecond.

Nhóm tác giả còn đề xuất mở rộng ý tưởng vượt khỏi azobenzene. Nếu lớp phân tử phía trên được thay bằng các vật liệu phản ứng với nhiệt, hóa chất, điện trường hoặc từ trường, cùng một semiconductor 2D có thể trở thành nền cho những thiết bị mà môi trường trực tiếp thay đổi trạng thái điện tử của channel.

Đó mới là ý nghĩa rộng hơn của nghiên cứu: thay vì coi semiconductor là một vật liệu thụ động có đặc tính được quyết định một lần trong fab, ta có thể ghép nó với một lớp phân tử đóng vai trò giao diện giữa môi trường và điện tử.

Bước tiếp theo không phải chứng minh ánh sáng có thể dịch threshold thêm vài volt nữa. Nhóm cần rút ngắn thời gian programming, thu nhỏ kích thước pattern, chứng minh circuit hoàn chỉnh và cho thấy lớp phân tử vẫn ổn định qua nhiệt, không khí, packaging và quá trình vận hành dài hạn. Nếu làm được, transistor tương lai có thể không chỉ nhận lệnh qua gate điện — một phần đặc tính của nó có thể được viết lại sau khi chip đã được chế tạo.

Nguồn: Science Advances – Large-area, photo-programmable 2D semiconductors with chromic molecular functionalization; Princeton University; PubMed Central – full text.