Nghiên cứu tối ưu hóa các tham số của thân linh kiện nâng cao đặc tính điện của các transistor hiệu ứng trường xuyên hầm (TFET) - Nguyễn, Đăng Chiến (2025)
Công nghệ và linh kiện bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghệ cao từ máy tính, ô-tô, thiết bị điện tử, viễn thông,… Các chuyên gia tài chính và công nghệ quốc tế cũng như trong nước đều nhận định sản xuất linh kiện bán dẫn được xem là phần cốt lõi trong cuộc cạnh tranh công nghệ giữa các cường quốc trong thế kỷ 21. Vi mạch điện tử được ví như là trái tim trong các thiết bị điện tử. Thiết kế, chế tạo vi mạch là những công việc khó khăn và phức tạp nhất mà hiện chỉ có một số quốc gia sở hữu những công nghệ cốt lõi mới có thể thực hiện được. Để phục vụ mục tiêu trở thành nước công nghiệp phát triển hiện đại vào năm 2045 [1], thiết kế và chế tạo vi mạch trở thành một trong những lĩnh vực đang được chú ý đặc biệt và dự báo sẽ được đầu tư đáng kể tại Việt Nam. Trong những năm qua, Việt Nam đã quan tâm và ban hành một số chính sách thúc đẩy phát triển lĩnh vực vi mạch bán dẫn. Tiêu biểu phải kể đến là: Quyết định số 439/QĐ-TTg ngày 16/04/2012 về phê duyệt “Danh mục sản phẩm quốc gia thực hiện từ năm 2012 thuộc Chương trình phát triển sản phẩm quốc gia đến năm 2020”, trong đó xác định và chỉ rõ “vi mạch điện tử” được xem là một trong chín sản phẩm chủ lực phát triển của đất nước. Mới đây, Thủ tướng Chính phủ đã ra Quyết định số 1018/QĐ-TTg ngày 21/09/2024 về việc Ban hành “Chiến lược phát triển công nghiệp bán dẫn Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn 2050”, trong đó chỉ rõ bối cảnh và tầm nhìn, xác định công thức phát triển, mục tiêu, lộ trình, nhiệm vụ, giải pháp và tổ chức thực hiện chiến lược phát triển công nghiệp bán dẫn của Việt Nam. Hiện nay, Việt Nam đang dừng ở mức có khả năng thiết kế được một số vi mạch đơn giản và phải đưa ra nước ngoài chế tạo. Nghiên cứu cơ chế vật lý, thiết kế cấu trúc linh kiện và tìm hiểu phương pháp chế tạo là một trong các bước quan trọng có tính chất quyết định cho sự thành công của nền công nghiệp vi mạch điện tử. Trong chiều dài lịch sử hơn 60 năm rất thành công của transistor hiệu ứng trường kim loại – ôxít - bán dẫn [metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)], các cải tiến trong thiết kế cấu trúc đã được áp dụng thường xuyên, liên tục để nâng cao hoạt động của linh kiện. Về nguyên tắc, mọi cải tiến đều cố gắng làm tăng khả năng điều khiển của cực cổng đối với vùng kênh để đặc tuyến dòng-thế trở nên tốt hơn. Một ý tưởng đơn giản nhưng rất quan trọng và hữu ích giúp trực tiếp tăng khả năng điều khiển của cổng là tăng số lượng cực cổng [2, 3]. Một khi các cực cổng đủ gần nhau, trường điện của chúng sẽ ghép cặp để tăng cường lẫn nhau trong việc điều khiển thế điện ở vùng kênh. Công nghệ CMOS hiện tại đang dựa trên kiểu cấu trúc Fin là dạng cấu trúc tam cổng (tri-gate) [4, 5]. Do cấu trúc nhiều cổng đơn thuần là sự mở rộng khái niệm cấu trúc lưỡng cổng ra thêm các phương khác trong không gian, những hiểu biết cơ bản về vật lý linh kiện và thiết kế cấu trúc lưỡng cổng hoàn toàn có thể ứng dụng cho linh kiện đa cổng. Thân linh kiện là thành phần chính của một transistor, là nơi tạo ra và cho hạt dẫn mang điện chạy qua để tạo thành dòng điện khép kín trong mạch. Thân gồm ba phần chính: vùng cực nguồn, kênh và cực máng, trong đó vùng kênh sẽ cho phép hoặc không cho dòng điện chạy qua giữa hai cực nguồn và máng ở hai bên kênh. Đặc điểm thiết kế của thân là một trong các yếu tố quan trọng quyết định đến đặc tính tắt-mở của transistor. Về nguyên tắc, thân linh kiện cần thiết kế sao cho cực cổng có thể điều khiển tính chất dẫn điện của vùng kênh một cách hiệu quả nhất, nghĩa là một sự thay đổi nhỏ của điện áp cổng có thể gây ra một sự thay đổi lớn của dòng điện chạy qua kênh. Kênh có được điều khiển tốt bởi cực cổng hay không phụ thuộc đáng kể vào cấu trúc, kích thước, vật liệu của thân linh kiện cũng như các đặc điểm, tính chất tương quan giữa chúng. Thay vì dựa trên cơ chế khuếch tán nhiệt để tạo ra dòng điện như trong MOSFET, linh kiện transistor hiệu ứng trường xuyên hầm [tunnel field-effect transistor (TFET)] sử dụng cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm [band-to-band tunneling) chất bán dẫn: các electron liên kết trong vùng hóa trị thực hiện xuyên hầm qua vùng cấm và trở thành electron tự do trong vùng dẫn [6]. Cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm cho phép TFET có thể thực hiện hoạt động tắt-mở với quá trình chuyển trạng thái “nhanh” hơn của MOSFET, nghĩa là độ dốc ở vùng dưới ngưỡng của đặc tuyến dòng-thế đạt dưới 60 mV/decade ở nhiệt độ phòng [7, 8]. Đặc tính chìa khóa này khiến TFET phù hợp để sử dụng trong các vi mạch công suất thấp vì có thể giảm đáng kể điện áp nguồn cấp (để giảm công suất tiêu thụ) mà dòng tắt và mở của TFET vẫn còn ở những mức mà vi mạch vẫn hoạt động hiệu quả [9, 10]. Dù là thế nhưng nguyên tắc hoạt động của TFET vẫn tương tự như của MOSFET: trường cực cổng điều khiển thế vùng kênh để xác lập trạng thái tắt/mở của linh kiện. Do hoạt động dựa trên cùng một nguyên tắc với MOSFET, các cấu trúc đa cổng cũng được áp dụng để nâng cao đặc tính điện cho TFET. Khác với MOSFET, cơ chế tạo ra dòng điện trong TFET phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố liên quan đến các tham số thiết kế của thân linh kiện như: loại vật liệu thân; cách thức phối hợp các vật liệu để tạo ra các cấu trúc vật liệu cũng như định vị cấu trúc đó trong thân TFET; nồng độ và cấu hình pha tạp các vùng nguồn và máng; kích thước các chiều ngang, chiều đứng của từng vùng nguồn, kênh và máng; sự sắp đặt vị trí các vùng nguồn, kênh, máng trong tương quan với các thành phần cấu tạo khác của TFET (cực cổng, vùng đệm cổng, điện môi cổng); cấu trúc hình học của thân (thân thẳng đồng nhất, thân dạng chữ L, Y, T, …)... Do đó, có rất nhiều giải pháp và kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất và nghiên cứu liên quan đến thiết kế các tham số thân để nâng cao đặc tính hoạt động của TFET. Mỗi cấu trúc và cách sắp đặt khác nhau của cực cổng đòi hỏi thân linh kiện phải được thiết kế khác nhau để tối ưu hóa đặc tính hoạt động của TFET. Ngoài việc khai thác cấu trúc đa cổng để tăng cường khả năng điều khiển của cổng đối với kênh, xuyên hầm đường cũng là phương pháp của cấu trúc cổng nhằm làm tăng diện tích xuyên hầm trong TFET [11-13]. Bằng cách sắp xếp để cho cực cổng kéo dài về phía vùng nguồn, dòng xuyên hầm khi đó xảy ra dọc theo một đường thẳng trong vùng cực nguồn ngay phía dưới phần cổng chồng phủ lên nguồn thay vì chỉ xung quanh một điểm như trong TFET thông thường (TFET xuyên hầm điểm). Với đặc điểm như vậy của vùng xuyên hầm nên linh kiện như vậy được gọi là TFET xuyên hầm đường (line-TFET). Vì electron hóa trị thực hiện xuyên hầm theo phương thẳng đứng, vuông góc với lớp điện môi cổng, độ dày thân linh kiện phải đủ lớn để electron có thể thực hiện quá trình xuyên hầm [14]. Do đó, không thể áp dụng kết hợp kiểu cấu trúc đa cổng trong TFET xuyên hầm đường. Với bối cảnh nêu trên, Đề tài được thực hiện để nghiên cứu thiết kế phần thân linh kiện TFET cho hai kiểu cấu trúc quan trọng của cực cổng là (1) cấu trúc lưỡng cổng; (2) cấu trúc xuyên hầm đường nhằm nâng cao đặc tính điện của chúng.