Chỉ vài năm trước, tiêu chuẩn công nghiệp đối với chip là 14 nanomet (nm), tức là bề rộng của mỗi bóng bán dẫn. Trên thị trường, hiện giờ là 10 nm và nhanh chóng chuyển sang 7 nm, đáng chú ý nhất là bộ xử lý A12 Bionic của Apple, trái tim của chiếc iPhone XR, XS và XS Max. Trong khi đó, IBM đã bắt đầu thử nghiệm với chip 5 nm.

Một số bóng bán dẫn mới được các nhà nghiên cứu phát triển một lần nữa lại giảm đi một nửa kích thước đó, thiết lập kỷ lục bề rộng 2,5 nm. Để tạo ra chúng, nhóm nghiên cứu đã sửa đổi một phương pháp vi chế tạo được phát triển khá gần đây được gọi là phương pháp khắc lớp nguyên tử nhiệt (ALE nhiệt). Họ bắt đầu với một vật liệu bán dẫn hợp kim có tên indium gallium arsenide, sau đó vật liệu được cho tiếp xúc với hydro florua, tạo ra một lớp florua kim loại mỏng trên bề mặt chất nền.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu bổ sung một hợp chất hữu cơ có tên là dimethylal nhôm clorua (DMAC), tạo ra phản ứng hóa học được gọi là trao đổi phối tử. Các ion được gọi là phối tử trong DMAC liên kết với các nguyên tử trong lớp florua kim loại, vì vậy khi DMAC bị loại bỏ, nó sẽ tách từng nguyên tử riêng lẻ ra khỏi bề mặt kim loại. Chỉ 0,2 nm được khắc mỗi lần, cho phép khắc cực kỳ chính xác khi quá trình được lặp lại hàng trăm lần.

“Nó giống như bạn đang bóc một củ hành, từng lớp một. Trong mỗi chu kỳ, chúng tôi có thể chỉ khắc đi 2% nanomet vật liệu. Điều đó mang lại cho chúng tôi độ chính xác siêu cao và sự kiểm soát quá trình cẩn thận”, đồng tác giả nghiên cứu Wenjie Lu cho biết

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật này để chế tạo FinFET (bóng bán dẫn hiệu ứng Fin Field), bóng bán dẫn 3D thường được sử dụng trong điện tử thương mại. Hầu hết các bóng bán dẫn này có chiều rộng dưới 5 nm, với bóng bán dẫn nhỏ nhất chỉ có 2,5 nm. Nhìn chung, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng chúng có hiệu năng tốt hơn tới 60% so với bóng FinFET hiện có và có độ biến dạng bật-tắt cao hơn, giúp chúng tiết kiệm năng lượng hơn. Cả hai chỉ số này có được đều nhờ vào phương pháp chế tạo, giúp giảm số lượng khiếm khuyết được tạo ra.

Lu nói: “Chúng tôi tin rằng công trình này sẽ có tác động lớn trong thế giới thực. Khi Định luật Moore tiếp tục thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn, việc chế tạo các thiết bị có kích thước nano như vậy khó hơn. Để chế tạo các bóng bán dẫn nhỏ hơn, chúng ta cần có khả năng điều khiển các vật liệu với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử”.