Kể từ khi chiếc transistor đầu tiên được phát minh, ngành công nghệ điện tử – vốn đã trở nên không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta – đã phát triển rất nhanh chóng. Đằng sau sự phát triển đó là sự tích lũy hàng nhiều năm trời của các nghiên cứu về vật lý cơ sở và các thiết bị bán dẫn cơ bản. Điều đó cũng có nghĩa là, chúng ta không được phép quên đi sự cống hiến và thành quả của những bản báo cáo đầu tiên mang tính lịch sử như bản báo cáo về sự thay đổi điện trở phi tuyến tính khi tiếp xúc kim loại và chất bán dẫn để tạo ra thiết bị điện tử đầu tiên của F.Braun vào năm 1974 hay những kết quả đạt được khi phát triển máy phát hiện sóng micro sử dụng chất bán dẫn Silicon và Germanium được tiến hàng trong chiến tranh thế giới thứ 2 tại Mỹ. Đó là về thiết bị điện tử có 2 đầu tiếp xúc, còn nếu kể tới thiết bị điện từ có 3 đầu tiếp xúc thì có thể kể tới bằng sáng chế được JE Lilienfeld nắm bản quyền vào năm 1930 – thiết bị có thể nói là đã trở thành hình mẫu cơ bản cho transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện (Isolated Gate Field Effect Transistor ) hiện đại ngày nay. Ngoài ra còn có thể kể tới model sử dụng thuyết band để giải thích cấu tạo chất bán dẫn do H.Wilson đề xuất được công bố trong luận văn của ông vào năm 1931.
Kể cả chất bán dẫn SiC – chất bán dẫn hiện đang được chú ý – thực chất đã được sử dụng từ những năm 1950 trong những thiết bị power-device. Hay kim cương – chất bán dẫn đang được tiến hành nghiên cứu áp dụng để chế tạo device sử dụng trong power-device, sensor hay các vật liệu mới như carbon nanotube, graphene thì cũng đều được phát hiện từ rất sớm. Nhưng để được đưa vào sản xuất đại trà, chúng sẽ phải trải qua một quá trình rất dài và gian nan. Carbon nanotube được Ijima Sumito phát hiện vào năm 1991, Graphene được P.R Wallence dự báo về sự tồn tại từ năm 1947, nhưng phải mất hơn nửa thế kỷ cho tới khi A.Geim và K.Novoselov có thể tách ly được graphene ra khỏi khoáng graphite.
Cũng giống như vậy, khi chúng ta nhìn lại lịch sử của quá trình nghiên cứu và phát triển các thiết bị sử dụng chất bán dẫn hóa trị IV có thể thấy rằng, khoảng thời gian kể từ khi phát hiện hay phát minh ra cho tới khi có thể áp dụng trong các thiết bị thực tế thường mất từ 20 cho tới 30 năm. Trong sản xuất, khoảng thời gian này còn được gọi là “vực thẳm tử vong”, nhưng trong thực tế, khoảng thời gian này đóng vai trò rất quan trọng, nó là bài học cho chúng ta biết rằng những nghiên cứu cơ bản là rất cần thiết cho những phát minh, phát hiện ưu tú có thể trở thành những thiết bị mang tính thực tiễn.
Cho dù việc phát triển những mạch tích hợp có phát triển hơn nữa thì chất bán dẫn hóa trị IV chắc chắn sẽ vẫn đóng vai trò rất quan trọng. Tuy khi so sánh về các đặc tính vật lý, chất bán dẫn nguyên tố như Si hay Ge có thể thua kém hơn các chất bán dẫn hợp chất được tạo nên bởi tổ hợp các nguyên tố hóa trị 3-5, 2-6 nhưng kể cả Si hay Ge đều có tiềm năng to lớn trong việc dễ dàng điều khiển cấu tạo dải năng lượng (energy band) hay tạo ra thiết bị có hiệu suất cao bằng cách sử dụng hiệu ứng lượng tử từ cấu tạo nano hay độ truyền điện ưu việt của chúng trong không gian 1 chiều hay 2 chiều.
Carbon nanotube hay Graphene đều có band-gap chưa thể áp dụng ngay vào việc sử dụng làm chất liệu channel trong MOSFET nên việc sử dụng chúng làm thiết bị chuyển đổi trong mạch điện tử sẽ còn gặp rất nhiều khó khăn. Hơn nữa, do thời gian từ khi phát hiện ra cho tới khi bắt đầu tiến hành nghiên cứu của kim cương, carbon nanotube hay graphene còn quá ngắn nên việc dự đoán khả năng áp dụng thực tế của chúng gặp rất nhiều khó khăn. Điều chúng ta cần hướng tới hiện tại, đó không phải là việc tìm ra “kẻ lật đổ” mạch điện tử siêu tích hợp sử dụng silicon mà việc lựa chọn cách tiến hành thực hiện hóa những thiết bị như sensor hay thiết bị power-device có thể sử dụng được tính ưu việt của silicon tại thời điểm hiện tại sẽ khôn ngoan hơn rất nhiều, ít nhất là trong tương lai gần.
Tác giả: Sugano Takuo – Giáo sư danh dự trường Đại học Tokyo
Đăng trên Tạp chí Vật lý ứng dụng OYO BUTURI Vol.82 No.4 (2013)
Link bài gốc (Tiếng Anh): http://www.jsap.or.jp/ap/2013/04/ob820289-e.xml
Người dịch: Nguyễn Xuân Truyền
