Cơ chế tạo ra electron tự do nhờ hydro trong silicon được làm sáng tỏ lần đầu tiên

Cơ chế tạo ra electron tự do nhờ hydro trong silicon được làm sáng tỏ lần đầu tiên
Sẽ tăng cường khả năng kiểm soát nồng độ electron trong chất bán dẫn công suất silicon để giảm tổn thất điện năng

Viện Khoa học Tokyo

hình ảnh:

Cơ chế hydro tạo ra electron tự do thông qua tương tác với khuyết tật trong silicon

Nguồn: Mitsubishi Electric, Viện Khoa học Tokyo, Đại học Tsukuba và Quemix

Phó Giáo sư Yuichiro Matsushita thuộc Phòng thí nghiệm Vật liệu và Cấu trúc, Viện Khoa học Tokyo, Tập đoàn Mitsubishi Electric, Phó Giáo sư Takahide Umeda thuộc Viện Khoa học Thuần túy và Ứng dụng, Đại học Tsukuba và Tập đoàn Quemix đã công bố rằng họ đã đạt được thành tựu đầu tiên trên thế giới¹ trong việc làm sáng tỏ cách hydro tạo ra electron tự do² thông qua tương tác với một số khuyết tật³ trong silicon. Thành tựu này có tiềm năng cải thiện cách thiết kế và sản xuất các transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT), giúp chúng hiệu quả hơn và giảm tổn thất điện năng. Điều này cũng được kỳ vọng sẽ mở ra nhiều khả năng cho các thiết bị trong tương lai sử dụng vật liệu có dải năng lượng siêu rộng (UWBG).

Trong nỗ lực toàn cầu hướng tới trung hòa carbon, các nỗ lực nhằm làm cho thiết bị điện tử công suất hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng đang được đẩy nhanh trên toàn thế giới. IGBT là các thành phần chính chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng, vì vậy việc cải thiện hiệu suất của chúng là một ưu tiên hàng đầu. Mặc dù cấy ion hydro đã được sử dụng trong khoảng nửa thế kỷ để kiểm soát nồng độ electron trong silicon, nhưng cơ chế cơ bản vẫn chưa rõ ràng cho đến nay.

Năm 2023, Mitsubishi Electric và Đại học Tsukuba đã cùng nhau phát hiện ra một phức hợp khuyết tật⁵ trong silicon góp phần làm tăng nồng độ electron. Họ đã xác nhận rằng phức hợp này được hình thành khi một cặp silicon xen kẽ và hydro liên kết, nhưng lý do tại sao các electron tự do mới được tạo ra trong quá trình này vẫn chưa rõ ràng.⁶ Bằng cách sử dụng các phép tính toán tiên tiến, bốn tổ chức này hiện đã khám phá ra cách hydro tồn tại bên trong phức hợp khuyết tật. Họ cũng đã giải thích tại sao hydro giải phóng electron và làm thế nào các electron này trở nên tự do bên trong silicon. Hơn nữa, phát hiện của họ cho thấy rằng cơ chế này cũng có thể được áp dụng cho kim cương, một vật liệu đầy hứa hẹn cho các chất bán dẫn công suất trong tương lai, vốn rất khó kiểm soát về mức độ electron.

Toàn bộ chi tiết của nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến vào ngày 13 tháng 1 (giờ London) trên tạp chí Communications Materials, một ấn phẩm của Nature Portfolio.

Đặc điểm nổi bật

1) Cơ chế mà phức hợp khuyết tật chứa hydro trong silicon tạo ra các electron tự do

Trong gần nửa thế kỷ, việc cấy ion hydro vào silicon được báo cáo là tạo ra các electron tự do tại những vị trí có mặt các nguyên tử hydro. Kỹ thuật này hiện được sử dụng để tạo ra các lớp loại n chứa các electron tự do bên trong các chất bán dẫn công suất như IGBT. Tuy nhiên, một nguyên tử hydro riêng lẻ trong silicon không nhất thiết phải giải phóng một electron tự do,7 vì vậy cơ chế cơ bản vẫn chưa rõ ràng.

Bắt đầu từ giả thuyết rằng hydro và các khuyết tật tinh thể hoạt động cùng nhau để tạo ra các electron tự do, nghiên cứu chung của Mitsubishi Electric và Đại học Tsukuba đã áp dụng các phép đo điện và quang học và cộng hưởng spin electron (ESR).8 Năm 2023, công trình này đã xác định khuyết tật I4—một sự nhiễu loạn cấu trúc được hình thành bởi các nguyên tử silicon bổ sung được chèn vào tinh thể silicon—là có liên quan đến việc tạo ra electron tự do. Để làm rõ vai trò của hydro, Viện Khoa học Tokyo và Quemix đã thực hiện các phép tính nguyên lý đầu tiên9 đối với các mô hình chứa các nguyên tử hydro tại nhiều vị trí ứng cử viên xung quanh khuyết tật I4 để nghiên cứu tính ổn định cấu trúc và trạng thái điện tử10 của các phức hợp khuyết tật.

Các phép tính cho thấy rằng trong silicon không có khuyết tật, một nguyên tử hydro tạo ra các trạng thái điện tử không góp phần vào việc tạo ra electron tự do. Tuy nhiên, khi có khuyết tật I4 ở gần đó, một nguyên tử hydro có thể nằm ở vị trí trung tâm của các liên kết11 giữa các nguyên tử silicon. Trong cấu hình đó, các trạng thái điện tử liên quan đến khuyết tật I4 chuyển sang điều kiện thuận lợi cho việc giải phóng electron. Trong phân tích sâu hơn dựa trên lý thuyết quỹ đạo phân tử,12 phép tính toán cho thấy một hiệu ứng hợp tác: một electron liên kết với một nguyên tử hydro di chuyển đến khuyết tật I4, và khuyết tật I4 sau đó giải phóng một electron hoạt động như một electron tự do. Sự phối hợp này giữa khuyết tật và hydro giải thích sự tạo ra electron tự do được quan sát thấy.

2) Trình diễn kỹ thuật: Giảm tổn thất điện năng lên đến 20% trong IGBT và điốt silicon

Mitsubishi Electric đã và đang giảm tổn thất điện năng trong IGBT và điốt silicon bằng cách kết hợp cấy ion hydro để tạo lớp bán dẫn loại n và giảm độ dày của chất nền silicon. Ví dụ, trong một thiết bị loại 1.200V, công ty đã chứng minh về mặt kỹ thuật mức giảm tổng tổn thất điện năng là 10% ở IGBT và 20% ở điốt so với các sản phẩm thế hệ thứ 7 của mình. Những hiểu biết cơ bản thu được 

Các nghiên cứu về sự tạo ra electron tự do liên quan đến hydro, góp phần làm sáng tỏ cơ chế hiện tại, đã hỗ trợ việc giảm tổn thất năng lượng này.

3) Chỉ dẫn lý thuyết về khả năng ứng dụng đối với vật liệu UWBG

Các vật liệu như kim cương và nhôm nitrua (AlN) rất hứa hẹn để sử dụng trong các chất bán dẫn công suất và cảm biến lượng tử trong tương lai, nhưng việc triển khai thực tế đã bị cản trở bởi khó khăn cực độ trong việc kiểm soát nồng độ electron bằng các phương pháp thông thường. Để kiểm tra xem cơ chế tạo ra electron tự do liên quan đến hydro được tìm thấy trong silicon có thể hoạt động trong vật liệu UWBG hay không, các phép tính nguyên lý đầu tiên ban đầu đã được thực hiện. Kết quả cho thấy rằng trong kim cương - có cấu trúc tinh thể cộng hóa trị tương tự như silicon - hydro ổn định hơn về mặt năng lượng khi được kết hợp vào các liên kết giữa các nguyên tử carbon hơn là chiếm các khoảng trống xen kẽ. Khi có các khuyết tật ghép đôi, sự kết hợp hydro vào trung tâm liên kết này có thể cho phép cùng loại cơ chế hoạt động trong kim cương. Phát hiện này cho thấy một con đường khả thi để giải quyết vấn đề kiểm soát nồng độ electron trong một số vật liệu UWBG nhất định, ít nhất là từ góc độ cơ bản.

Phát triển trong tương lai

Bằng cách áp dụng cơ chế này cho các vật liệu UWBG như kim cương, trong đó nồng độ electron theo truyền thống rất khó kiểm soát, phương pháp này nhằm mục đích thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị bán dẫn. Chúng bao gồm các chất bán dẫn công suất, thiết bị tần số cao và cảm biến lượng tử, tất cả đều được kỳ vọng sẽ đóng góp đáng kể vào việc đạt được một thế giới trung hòa carbon.

1        Theo nghiên cứu được thực hiện bởi Mitsubishi Electric tính đến ngày 14 tháng 1 năm 2026.

2        Các electron có thể di chuyển tự do trong tinh thể silicon. Nồng độ của chúng được kiểm soát bằng cách cố ý đưa vào các tạp chất cụ thể.

3        Các khiếm khuyết cấu trúc ảnh hưởng đến khả năng di chuyển và tái kết hợp của các electron tự do.

4        Kim cương, nhôm nitrua, v.v., các chất bán dẫn có khe năng lượng lớn hơn so với các chất bán dẫn silicon hoặc silicon carbide thông thường.

5. Một phức hợp khuyết tật bao gồm các khuyết tật nội tại—chẳng hạn như các nguyên tử silicon xen kẽ—và các khuyết tật ngoại lai, như hydro. Trong các chất bán dẫn công suất, các phức hợp khuyết tật như vậy được tạo ra một cách có chủ ý để kiểm soát hiệu suất thiết bị.

6. “Hydro chuyển hóa thành các chất cho điện tử nông trong silicon như thế nào?”, Phys. Rev. B 108, 235201 (2023).

7. Trong silicon không có khuyết tật, các nguyên tử hydro định cư ở các vị trí được gọi là vị trí tứ diện hoặc vị trí trung tâm liên kết, tùy thuộc vào trạng thái điện tích của chúng, nơi chúng tạo thành một trạng thái điện tử không thể tạo ra các electron tự do.

8. Một kỹ thuật quang phổ được sử dụng để phát hiện các electron không ghép đôi trong từ trường.

9. Một phương pháp tính toán dự đoán các tính chất vật liệu dựa trên các định luật cơ học lượng tử, mà không cần dựa vào dữ liệu thực nghiệm.

10. Mức năng lượng của trạng thái điện tử rất quan trọng để kiểm soát nồng độ electron, bởi vì nếu năng lượng nhiệt vượt quá mức này, các electron có thể bị kích thích nhiệt và trở thành các electron tự do.

11. Liên kết trong tinh thể là lực giữ cho các nguyên tử hoặc phân tử duy trì cấu trúc tinh thể cụ thể, ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của vật liệu như độ cứng, độ dẫn điện và điểm nóng chảy.

12. Một lý thuyết được sử dụng để hiểu sự sắp xếp và trạng thái năng lượng của các electron trong một phân tử.

13. Một phương pháp tính toán dựa trên cơ học lượng tử, coi mật độ electron là một biến cơ bản và tính toán các trạng thái điện tử để dự đoán các tính chất của vật liệu.

***

Giới thiệu về Viện Khoa học Tokyo

Viện Khoa học Tokyo (Science Tokyo) được thành lập vào ngày 1 tháng 10 năm 2024, sau sự sáp nhập giữa Đại học Y khoa và Nha khoa Tokyo (TMDU) và Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech), với sứ mệnh “Thúc đẩy khoa học và phúc lợi con người để tạo ra giá trị cho và cùng với xã hội”.

Giới thiệu về Tập đoàn Mitsubishi Electric

Với hơn 100 năm kinh nghiệm trong việc cung cấp các sản phẩm đáng tin cậy, chất lượng cao, Tập đoàn Mitsubishi Electric (TOKYO: 6503) là một nhà lãnh đạo thế giới được công nhận trong lĩnh vực sản xuất, tiếp thị và bán thiết bị điện và điện tử được sử dụng trong xử lý thông tin và truyền thông, phát triển không gian và truyền thông vệ tinh, điện tử tiêu dùng, công nghệ công nghiệp, năng lượng, vận tải và thiết bị xây dựng. Mitsubishi Electric làm giàu cho xã hội bằng công nghệ theo tinh thần “Thay đổi tốt đẹp hơn”. Công ty đã ghi nhận doanh thu 5.521,7 tỷ yên (36,8 tỷ đô la Mỹ*) trong năm tài chính kết thúc vào ngày 31 tháng 3 năm 2025. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập www.MitsubishiElectric.com

*Số tiền đô la Mỹ được quy đổi từ yên theo tỷ giá 150 yên = 1 đô la Mỹ, tỷ giá xấp xỉ trên thị trường ngoại hối Tokyo vào ngày 31 tháng 3 năm 2025.

Về Đại học Tsukuba

Đại học Tsukuba được thành lập vào tháng 10 năm 1973, do sự chuyển địa điểm của tiền thân là Đại học Giáo dục Tokyo. 

Tiếp theo là khu vực Tsukuba. Là trường đại học tổng hợp theo mô hình mới tại Nhật Bản được thành lập theo kế hoạch cải cách đại học toàn quốc, trường đại học này mang đặc trưng “Cởi mở” với “Hệ thống Giáo dục và Nghiên cứu Mới” dưới “Cơ cấu Quản lý Đại học Mới”. Cải cách đại học đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực không ngừng cải tiến của chúng tôi. Chúng tôi đang phấn đấu tạo ra một trường đại học độc đáo, năng động và cạnh tranh quốc tế với cơ sở vật chất giáo dục và nghiên cứu xuất sắc.

Về Tập đoàn Quemix

Quemix Inc., một công ty con hợp nhất của TerraSky Co., Ltd. (Trụ sở chính: Chuo-ku, Tokyo; Giám đốc điều hành: Hideya Sato), thực hiện nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực máy tính lượng tử, cảm biến lượng tử và tính toán vật liệu. Được dẫn dắt bởi tầm nhìn “Hiện thực hóa Tương lai được hình dung thông qua Công nghệ Lượng tử”, sứ mệnh của Quemix là tạo điều kiện cho những đổi mới đột phá cho các công ty dẫn đầu kỷ nguyên lượng tử.

Kể từ khi thành lập vào năm 2019, Quemix đã chuyên phát triển các thuật toán cho Máy tính Lượng tử Chịu lỗi (FTQC). Công ty đã phát triển và cấp bằng sáng chế cho thuật toán Tiến hóa Thời gian Ảo Xác suất (PITE®), được chứng minh bằng toán học là có thể đạt được tốc độ xử lý lượng tử nhanh hơn trong các phép tính hóa học lượng tử. Là công ty tiên phong tại Nhật Bản trong lĩnh vực thuật toán FTQC, Quemix đặt mục tiêu đưa các ứng dụng điện toán lượng tử thực tiễn vào tính toán và mô phỏng vật liệu vào năm 2028.