Thiết bị quang điện linh hoạt với độ hoàn thiện tối ưu chế tạo chỉ ở 90°C!

[Derpy]

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Jung-Dae Kwon dẫn đầu tại Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Năng lượng và Môi trường thuộc Viện Khoa học Vật liệu Hàn Quốc (KIMS) vừa có một bước đột phá ấn tượng khi phát triển thành công một thiết bị quang điện silicon vô định hình với độ khuyết tật tối thiểu, ngay cả khi sử dụng quy trình ở nhiệt độ thấp chỉ 90°C. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Advanced Science.

Điểm đặc biệt là nhóm nghiên cứu đã vượt qua những giới hạn của quy trình xử lý nhiệt độ cao bằng cách kiểm soát chính xác tỷ lệ pha loãng hydro - tỷ lệ giữa hydro và khí silane (SiH4). Điều này đã mở ra khả năng chế tạo ra các thiết bị quang điện linh hoạt hiệu suất cao (các cảm biến có khả năng phát hiện ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện). Các thiết bị quang điện linh hoạt là thành phần chủ chốt trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo, như điện thoại đeo tay và cảm biến hình ảnh, và yêu cầu việc lắng đọng màng mỏng một cách chính xác trên các substrat mỏng và có thể uốn cong.

Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn nhất từ trước đến nay là yêu cầu về quy trình xử lý nhiệt độ cao trên 250°C, điều này khiến việc áp dụng các thiết bị này lên các substrat nhạy cảm với nhiệt độ trở nên khó khăn. Nhằm giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng sự kiểm soát chính xác tỷ lệ pha loãng hydro thông qua các bộ điều khiển dòng khối trong quy trình lắng đọng hơi hóa học được tăng cường plasma (PECVD), một phương pháp phổ biến trong chế tạo thiết bị màng mỏng. Cách tiếp cận này đã cho phép đạt được chất lượng màng mỏng đồng nhất ngay cả ở nhiệt độ thấp.

Ngoài ra, việc áp dụng phương pháp passivation bằng hydro giúp cải thiện hiệu suất điện của vật liệu trong khi giảm thiểu các khuyết tật của màng mỏng. Kết quả là, họ đã thành công trong việc chế tạo một thiết bị quang điện linh hoạt vẫn giữ được hiệu suất mà giảm nhiệt độ xử lý xuống hơn 60% so với các phương pháp thông thường. Sự giảm lớn về nhu cầu nhiệt độ này cũng giúp giảm chi phí sản xuất tổng thể.

Công nghệ này sử dụng lớp photoresist (PR) như một lớp hy sinh để tạo ra các khu vực hoạt động một cách sạch sẽ và chính xác trong các thiết bị quang điện. Photoresist cho phép lắng đọng màng mỏng ổn định ngay cả trên các substrat nhạy cảm với nhiệt và có thể dễ dàng loại bỏ thông qua một quy trình đơn giản, từ đó giúp tối ưu hóa và nâng cao hiệu quả của toàn bộ quy trình chế tạo.

Một trong những lợi thế chính của kết quả nghiên cứu này là khả năng sản xuất ra các thiết bị quang điện chất lượng cao một cách đáng tin cậy mà không cần phải thực hiện các quy trình khắc plasma phức tạp. Nhóm nghiên cứu đã đạt được độ nhạy sáng cao—khoảng 96% so với các thiết bị được gia công ở nhiệt độ cao thông thường. Hơn nữa, sau khi thực hiện hơn 2.700 bài thử nghiệm uốn cong ở bán kính 5 mm, thiết bị đã cho thấy độ bền cơ học và độ ổn định tuyệt vời mà không có sự suy giảm hiệu suất.

Với những kết quả khả quan như vậy, công nghệ này hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể đeo. Tiến sĩ Jung-Dae Kwon, nhà nghiên cứu chính tại KIMS, chia sẻ: "Công nghệ này chứng minh khả năng chế tạo màng mỏng và thiết bị quang điện hiệu suất cao mà không cần xử lý nhiệt độ cao, chỉ cần kiểm soát chính xác tỷ lệ pha loãng hydro. Chúng tôi kỳ vọng sự tiến bộ này sẽ mở ra con đường cho việc phát triển các thiết bị quang điện linh hoạt hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm điện tử đeo tay, cảm biến hình ảnh và cảm biến quang học."

Thông tin chi tiết có thể tham khảo trong bài báo của Ye-ji Jeong và các đồng sự, với tiêu đề "Tailoring Hydrogenation to Enhance Defect Suppression and Charge Transport in Hydrogenated Amorphous Silicon for Flexible Photodetectors", được đăng trên tạp chí Advanced Science (2025). DOI: 10.1002/advs.202504199.