Từ bán dẫn hai chiều đến tham vọng linh kiện siêu mỏng
Bán dẫn hai chiều là các vật liệu chỉ dày một hoặc vài lớp nguyên tử nhưng vẫn giữ được đặc tính bán dẫn và khả năng tương tác với ánh sáng, mở đường cho linh kiện siêu mỏng, linh hoạt và mật độ tích hợp rất cao trong thế hệ vi mạch ba chiều và thiết bị quang điện tử tương lai. Đây không còn là khái niệm xa lạ trên thế giới mà đã trở thành hướng nghiên cứu rõ ràng trong các nhóm vật liệu điện tử Việt Nam.
Điểm đáng nói là những bước tiến mới nhất không đến từ phòng sạch tối tân, mà từ các nhóm nghiên cứu kiên trì với vật liệu điện tử Việt Nam trong môi trường đại học. Khi một bên mô phỏng bán dẫn hai chiều, bên kia xây dựng transistor màng mỏng cho vi mạch ba chiều, bức tranh chung cho thấy Việt Nam đang chọn con đường khó: đi vào vật liệu và kiến trúc vi mạch, thay vì dừng ở lắp ráp thiết bị. Đó là lựa chọn chậm nhưng bền, và nếu kiên trì sẽ đem lại quyền chủ động công nghệ.
Sáu vật liệu bán dẫn hai chiều: phép thử tính toán cho linh kiện tương lai
Trong nghiên cứu mới, TS. Nguyễn Thị Hân xây dựng mô hình cho sáu lớp vật liệu SiGe, SiSn, SiPb, GeSn, GePb và SnPb ở dạng lớp đơn hai chiều, nhằm khảo sát cấu trúc điện tử và khả năng tương tác với ánh sáng của chúng. Đây là các hệ thuộc nhóm nguyên tố IV, được đặt vào mô phỏng nguyên lý thứ nhất, tức tính toán trực tiếp từ các quy luật cơ học lượng tử mà không cần nhập sẵn thông số thực nghiệm.
Kết quả cho thấy cả sáu hệ đều giữ được bản chất bán dẫn với vùng cấm hẹp, cấu trúc tổ ong không hoàn toàn phẳng và liên kết cộng hóa trị kiểu lai hóa sp²–sp³. Đáng chú ý hơn, khi đưa tương tác spin–quỹ đạo vào, cấu trúc vùng năng lượng xuất hiện tách spin tại điểm K với mức 80–400 meV, yếu nhất ở SiGe và mạnh nhất ở GePb. Đây là một phát hiện có thể trích dẫn rõ ràng: "Độ tách spin tại điểm K trong sáu hệ vật liệu dao động từ 80 đến 400 meV". Nhờ vậy, nhóm bán dẫn hai chiều này được sàng lọc tốt hơn cho các hướng quang điện tử, quang điện và spintronics, thay vì phải thử nghiệm ngẫu nhiên từng cấu hình.
Điểm tỉnh táo của công trình là không đánh đồng mô phỏng với công nghệ hoàn chỉnh. Bài báo liệt kê thẳng: mô phỏng mới chỉ dừng ở tính toán cấu trúc, đặc tính điện tử, quang học, spin–quỹ đạo và exciton; chưa có chế tạo, đo kiểm hay nguyên mẫu linh kiện. Nói cách khác, giá trị của phép thử trên máy tính nằm ở khả năng loại bỏ các phương án kém triển vọng, giúp phòng thí nghiệm tập trung vào vài vật liệu đáng kiểm chứng. Đây chính là nền tảng khoa học cần có nếu Việt Nam muốn tham gia chuỗi giá trị bán dẫn hai chiều một cách nghiêm túc.
Màng silicon, transistor màng mỏng và bài toán vi mạch ba chiều
Ở một hướng khác, PGS.TS. Nguyễn Thị Thúy và cộng sự đang nhắm thẳng vào vi mạch ba chiều thông qua transistor màng mỏng silicon. Trong một vi mạch, việc đưa ngày càng nhiều transistor vào diện tích ngày càng nhỏ là con đường quen thuộc để tăng mật độ xử lý; khi thu nhỏ theo mặt phẳng chạm trần, cấu trúc xếp chồng theo chiều dọc trở thành lựa chọn bắt buộc. CFET – kiến trúc Complementary Field-Effect Transistor – cho phép transistor loại n và loại p được bố trí chồng lên nhau thay vì nằm cạnh nhau, từ đó giảm diện tích mỗi cặp transistor.
Nhiệm vụ nghiên cứu CFET sử dụng transistor màng mỏng silicon do PGS.TS. Nguyễn Thị Thúy làm chủ nhiệm phía Việt Nam, GS. Shin-Ichiro Kuroki phụ trách phía Nhật Bản, đã được lựa chọn trong chương trình hợp tác bán dẫn Việt Nam – Nhật Bản tháng 7/2026. "Năm 2026, Việt Nam và Nhật Bản lựa chọn năm nhiệm vụ hợp tác trong lĩnh vực bán dẫn, trải từ vật liệu, transistor, vi mạch ba chiều đến chip trí tuệ nhân tạo và linh kiện điện tử công suất". Trong đó, phía Nhật tập trung vào transistor màng mỏng hiệu suất cao và cấu trúc xếp chồng ba chiều, còn nhóm Việt Nam làm chủ màng silicon đa tinh thể kết tinh bằng laser để nâng cao khả năng kiểm soát chất lượng tinh thể.
Điểm mạnh của hướng này là đã tích lũy nền tảng từ trước: sau thời gian làm nghiên cứu sinh tại Hiroshima, PGS.TS. Nguyễn Thị Thúy trở về tiếp tục nghiên cứu vật liệu màng mỏng poly-Si, transistor màng mỏng và vật liệu điện tử. Với màng silicon đa tinh thể, việc kiểm soát cấu trúc và định hướng hạt tinh thể bằng kết tinh laser giúp cải thiện độ đồng đều của transistor màng mỏng, vốn là điều kiện tiên quyết khi muốn xếp nhiều lớp transistor theo chiều dọc mà vẫn giữ được hiệu suất và độ tin cậy. Khoảng cách từ màng silicon trong phòng thí nghiệm đến vi mạch sản xuất hàng loạt còn dài, nhưng ít nhất Việt Nam đã đặt chân vào phần khó nhất của chuỗi – vật liệu và cấu trúc transistor.
Vật liệu điện tử Việt Nam: từ phòng thí nghiệm đến đời sống người dùng
Người dùng phổ thông có thể không quan tâm đến SiGe hay CFET, nhưng họ sẽ cảm nhận kết quả thông qua thiết bị mỏng hơn, tiết kiệm điện hơn, tích hợp nhiều chức năng hơn. Giá trị của các phép thử trên máy tính, như công trình của TS. Hân, là giúp ưu tiên những vật liệu có khả năng mang lại cảm biến quang nhỏ hơn, tấm pin mỏng hơn hay bộ nhớ tốc độ cao hơn trước khi đầu tư công sức chế tạo. Ở phía vi mạch ba chiều, hướng CFET với transistor màng mỏng silicon mở ra khả năng tăng mật độ xử lý mà không chỉ dựa vào thu nhỏ kích thước, qua đó gián tiếp giúp điện thoại, máy tính hay thiết bị IoT hoạt động nhanh hơn trong cùng kích thước.
Dù vậy, cả hai hướng đều mới ở giai đoạn phát triển công nghệ nền tảng. Với bán dẫn hai chiều, bước tiếp theo là chế tạo sáu lớp đơn đúng cấu trúc mô hình, đo kiểm thực nghiệm các kết quả tính toán, rồi tiến tới nguyên mẫu linh kiện và đánh giá độ bền, hiệu suất, khả năng sản xuất. Với vi mạch ba chiều, mục tiêu hiện nay là xây dựng trọn bộ từ vật liệu, quy trình đến linh kiện và kiểm chứng thông qua hợp tác giữa hai nhóm nghiên cứu. Khoảng cách đến sản phẩm thương mại còn xa, nhưng nếu Việt Nam muốn có tiếng nói trong ngành bán dẫn, đây chính là quãng đường không thể bỏ qua.
Tại sao những bước đi này đáng để kỳ vọng?
Điểm chung của hai câu chuyện là lựa chọn đi vào lõi công nghệ: bán dẫn hai chiều và vi mạch ba chiều đều là những mảnh ghép không thể thiếu của microelectronics thế hệ kế tiếp. Một bên, TS. Nguyễn Thị Hân chứng minh rằng các nhóm nguyên tố IV ở dạng lớp đơn vẫn có thể trở thành nền tảng cho linh kiện siêu mỏng, với cấu trúc điện tử và đáp ứng quang học được định lượng rõ ràng. Bên kia, PGS.TS. Nguyễn Thị Thúy cùng cộng sự đặt mục tiêu xây dựng transistor màng mỏng silicon cho CFET – cấu trúc được xem là cách tiếp theo để tăng mật độ linh kiện khi thu nhỏ theo mặt phẳng đã chạm giới hạn.
Những nghiên cứu này chưa tạo ra chip thương mại, nhưng chúng đặt nền móng cần thiết cho vật liệu điện tử Việt Nam: từ quang học và spin trong bán dẫn hai chiều đến kiểm soát tinh thể trong màng silicon và kiến trúc vi mạch ba chiều. Quan trọng hơn, chúng cho thấy các nhóm nghiên cứu trong nước không đứng ngoài cuộc chơi bán dẫn toàn cầu mà đang dần tham gia vào phần khó nhất. Nếu có một kết luận nên rút ra, thì đó là: muốn có thiết bị thông minh do mình làm chủ, Việt Nam phải tiếp tục đầu tư cho những bước đi “thầm lặng” như thế này – chậm hơn, nhưng bền hơn và giàu tri thức hơn.
