GS.TS. Từ Trung Chấn – Viện Khoa học và Giáo dục Đông Nam Á

Tóm tắt

Công nghệ MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) là nền tảng cốt lõi trong chế tạo vật liệu bán dẫn hợp chất III–V, đóng vai trò quyết định trong sự ra đời của các linh kiện điện tử tốc độ cao, đặc biệt là HEMT (High Electron Mobility Transistor). Bài viết này trình bày lại một trong những cột mốc quan trọng đầu tiên của ngành — câu chuyện thực nghiệm của nhà khoa học trong những năm 1980, khi sự cải tiến nhỏ trong hệ thống khí MOCVD đã dẫn đến bước đột phá về độ linh động điện tử (electron mobility), mở đường cho công nghệ HEMT hiện đại.

1. Giới thiệu

Thiết bị MOCVD đầu tiên trên thế giới được phát minh và đăng ký bản quyền bởi nhà khoa học Herold Manasevit vào thập niên 1960. Đây là thiết bị cho phép tạo màng epitaxy của các hợp chất bán dẫn như GaAs, InP, InGaAs… ở độ tinh khiết và độ dày nanomet chính xác, tạo ra nền tảng cho toàn bộ ngành điện tử vi mô và quang điện tử sau này.

Đến cuối thập niên 1980, tại nhiều phòng thí nghiệm lớn ở Hoa Kỳ, Anh và Nhật, MOCVD trở thành công cụ trung tâm cho nghiên cứu vật liệu bán dẫn hợp chất. Chính trong bối cảnh ấy, một thử nghiệm tưởng chừng đơn giản — thay đổi hệ thống khớp nối khí và cấu trúc đường dẫn của thiết bị — đã dẫn đến một trong những kết quả vượt trội nhất trong lịch sử MOCVD thời kỳ đầu.

2. Bối cảnh và quá trình thử nghiệm

Vào cuối năm 1988, nhóm nghiên cứu tiến hành bảo dưỡng và chuẩn hóa lại hệ thống MOCVD trong thời điểm cuối năm tài chính. Người phụ trách chính được giao nhiệm vụ thay thế các linh kiện hao mòn, đặc biệt là các khớp nối khí (gas connectors).

Khi rà soát danh mục linh kiện, thay vì tiếp tục sử dụng khớp Swagelok truyền thống, nhóm đã quyết định chuyển sang thế hệ mới VCR (Vacuum Coupling Radiation) – có khả năng kín khí cao hơn, giảm thiểu hoàn toàn hiện tượng rò khí vi mô trong đường dẫn H₂, NH₃, AsH₃, TMGa, TMIn…, những thành phần đặc trưng trong quá trình epitaxy hợp chất III–V.

Sau kỳ nghỉ lễ, toàn bộ thiết bị được khởi động lại với hệ thống khớp VCR mới. Quá trình vận hành theo đúng chương trình cũ, song kết quả đo Hall Mobility cho mẫu InGaAs (undoped) bề dày 3 µm lại cho thấy độ linh động điện tử tăng đột biến lên trên 10.000 cm²/V·s, trong khi trước đó chỉ đạt 5.000–8.000 cm²/V·s.

3. Phân tích và giải thích kết quả

Kết quả vượt trội này ban đầu được nghi ngờ là sai số thực nghiệm. Tuy nhiên, sau khi kiểm chứng lại toàn bộ quy trình, không có thay đổi nào trong chương trình epitaxy, nhiệt độ, áp suất hay thời gian phản ứng. Yếu tố duy nhất khác biệt là cải tiến trong hệ thống khí – Gas Manifold.

Cụ thể, khớp nối VCR đã giúp:
- Giảm thiểu hoàn toàn sự rò rỉ khí AsH₃ và TMIn ở áp suất thấp;
- Ổn định dòng khí precursor, đảm bảo tỉ lệ pha khí chính xác ở mức vi phần triệu;
- Giảm nhiễm bẩn do oxit hoặc tạp chất từ mối nối cơ học.

Nhờ đó, lớp InGaAs thu được có mật độ khuyết tật cực thấp, độ tinh khiết cao, dẫn đến độ linh động điện tử vượt trội. Chính từ kết quả này, lớp vật liệu InGaAs được khẳng định là ứng viên lý tưởng cho các linh kiện HEMT – loại transistor tốc độ cao mà ngày nay là nền tảng của công nghệ viễn thông, radar, và mạch RF trong 5G – 6G.

4. Giá trị khoa học và ý nghĩa lịch sử

Sự kiện tưởng chừng ngẫu nhiên này đánh dấu một bước ngoặt trong lịch sử công nghệ MOCVD: lần đầu tiên, việc kiểm soát tuyệt đối hệ thống khí được chứng minh là yếu tố then chốt quyết định chất lượng epitaxy.

Về mặt khoa học, phát hiện này:
- Khẳng định vai trò của cấu trúc cơ khí – dòng khí trong tính chất điện tử của vật liệu epitaxy;
- Mở đường cho sự ra đời của thiết bị MOCVD thế hệ 2 với hệ thống gas manifold tách biệt hoàn toàn và có điều khiển áp suất vi sai;
- Tạo nền tảng cho các lớp InGaAs, GaN, AlGaN siêu tinh khiết, phục vụ chế tạo HEMT, HBT, LED và Laser Diode công suất cao.

Đây được xem như “bước ngoặt 10.000 cm²/V·s” – mốc mà mọi hệ thống MOCVD thế hệ sau đều phải đạt được hoặc vượt qua.

5. Kết luận

Từ một quyết định kỹ thuật nhỏ trong quá trình bảo trì thiết bị, ngành công nghệ bán dẫn đã bước sang một giai đoạn mới. Câu chuyện này không chỉ là minh chứng cho tinh thần sáng tạo và dám chịu trách nhiệm của nhà khoa học thực nghiệm, mà còn thể hiện chân lý: trong khoa học, những cải tiến nhỏ nhất đôi khi lại tạo ra bước nhảy vọt lớn nhất.

Công nghệ MOCVD – từ phát minh ban đầu của Herold Manasevit cho đến những cải tiến không ngừng của các thế hệ kỹ sư và nhà khoa học sau này – vẫn tiếp tục là trụ cột trong nghiên cứu vật liệu và sản xuất linh kiện bán dẫn thế kỷ XXI.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] H. M. Manasevit, “Single-crystal gallium arsenide on insulating substrates,” Applied Physics Letters, vol. 12, no. 4, pp. 156–159, 1968.

[2] T. Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii, and K. Nanbu, “A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGa1−xAs heterojunctions,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 19, no. 5, pp. L225–L227, 1980.

[3] C. R. Abernathy and S. J. Pearton, Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: Theory and Practice, Academic Press, 1993.

[4] M. Kneissl and J. Rass, III-Nitride Ultraviolet Emitters: Technology and Applications, Springer, 2016.

[5] Viện Nghiên cứu Công nghệ cao Đông Nam Á (AIAT), “Báo cáo chuyên đề: Công nghệ MOCVD và ứng dụng trong phát triển linh kiện bán dẫn tại Việt Nam,” Hà Nội, 2025.


Hình minh họa: Thiết bị MOCVD thế hệ đầu tiên do Herold Manasevit phát minh, nền tảng của công nghệ epitaxy hợp chất III–V.