Trong 20 năm qua, ngành công nghiệp chip bán dẫn đã có sự tăng trưởng nhanh và tác động lớn ở nhiều quốc gia, nền kinh tế trên thế giới. Giai đoạn 2001 - 2021, ngành công nghiệp chip bán dẫn toàn cầu đã tăng 14% mỗi năm, đạt doanh thu gần 600 tỷ USD tính đến năm 2023. Ngành chip bán dẫn được kỳ vọng sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ, đạt đến 1.000 tỷ USD vào năm 2030, theo Gartner - công ty tư vấn và nghiên cứu công nghệ hàng đầu thế giới.
Theo SCMP, công nghệ bán dẫn mới giúp Trung Quốc dẫn đầu thế giới. Cụ thể, một tấm bán dẫn GaN phân cực nitrogen đầu tiên trên thế giới do các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra có thể là bước ngoặt đối với ngành công nghiệp bán dẫn. Theo đó, Trung Quốc là nước đầu tiên làm được công nghệ này, trong khi Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và các nước lớn khác chưa làm được.
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một đột phá trong công nghệ bán dẫn thế hệ tiếp theo với việc chế tạo thành công tấm bán dẫn gallium nitride (GaN) phân cực nitrogen lớn nhất thế giới, có kích thước lên tới 8 inch (20,3 cm).
Được đánh giá là một bước ngoặt đối với ngành công nghiệp bán dẫn, tấm bán dẫn này có thể giúp giảm 40% chi phí sản xuất - từ đó đẩy nhanh quá trình ứng dụng công nghệ này trong lĩnh vực truyền thông vệ tinh và xe điện (EV).
GaN được mô tả như chất bán dẫn thế hệ thứ ba hàng đầu. Nhờ các tính chất vật lý vượt trội, tấm bán dẫn này đang cách mạng hóa các ứng dụng tần số cao, công suất cao, bao gồm mạng 5G/6G, truyền thông vệ tinh, phương tiện tự hành và hệ thống radar.
Vật liệu này đã giúp tạo ra các bộ sạc nhanh 100W chỉ bằng lòng bàn tay, giảm tổn thất chuyển đổi năng lượng xuống dưới 5% trong các nền tảng xe điện 800V và tăng gấp ba lần băng thông liên lạc vệ tinh. Các nhà phân tích trong ngành dự báo GaN có thể gây ra những thay đổi mang tính bước ngoặt trong các lĩnh vực này khi công nghệ sản xuất hàng loạt đạt đến điểm bùng phát.
Cốt lõi của tiềm năng GaN nằm ở tính phân cực tinh thể của nó. Mặc dù cả GaN phân cực nitrogen và GaN phân cực gallium đều tồn tại, nhưng phiên bản cực nitrogen thể hiện hiệu suất vượt trội. Tuy nhiên, yêu cầu tăng trưởng khắt khe và quy trình phức tạp đã hạn chế sản xuất toàn cầu ở quy mô nhỏ với tấm bán dẫn GaN cực nitrogen cỡ 5 - 10 cm với chi phí quá cao.
Ngày 22/3, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc đã công bố đã chế tạo thành công tấm bán dẫn GaN phân cực nitrogen trên lớp cách điện (GaNOI) kích thước 8 inch trên nền silicon đầu tiên trên thế giới. Đột phá này phá vỡ thế độc quyền công nghệ của nước ngoài, giúp giảm 40% chi phí tấm bán dẫn và tăng điện áp đánh thủng (mức điện áp tối thiểu để chất cách điện bắt đầu hoạt động như một chất dẫn điện) của thiết bị lên 2.000 V.
Theo thông báo chính thức, ba tiến bộ quan trọng giúp đạt được thành tựu này là: Thứ nhất, việc kiểm soát chi phí được thực hiện nhờ sử dụng đế silicon tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn 8 inch tiêu chuẩn, đồng thời dễ dàng tích hợp với quy trình CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung), giúp đẩy nhanh sản xuất hàng loạt.
Thứ hai, vật liệu này kết hợp hiệu suất cao với độ tin cậy. Cuối cùng, tỷ lệ thành phẩm đã được cải thiện đáng kể, với tỷ lệ liên kết bề mặt vượt qua 99%. Những tiến bộ này mở đường cho việc ứng dụng công nghiệp trên quy mô lớn.
Nhóm nghiên cứu cũng công bố dịch vụ chế tạo thử nghiệm (tape-out) cho các thiết bị GaN trên silicon 100 nanomet kích thước 6 inch, cùng với bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK). PDK là công cụ thiết yếu trong sản xuất bán dẫn, cung cấp cho các nhà thiết kế chip các thông tin quan trọng như thông số quy trình và quy tắc thiết kế, đóng vai trò cầu nối giữa thiết kế chip và sản xuất.
Ngoài lĩnh vực truyền thông, nhóm nghiên cứu đã trình diễn hệ thống truyền năng lượng không dây vi sóng động, có khả năng sạc pin cho máy bay không người lái khi đang bay trong phạm vi 20 mét và cung cấp điện không dây cho các trạm đầu cuối không người lái ở khoảng cách lên tới 1 km. Công nghệ này hứa hẹn sẽ được ứng dụng cho robot nhà máy, trạm năng lượng mặt trời không gian, hệ thống ứng cứu khẩn cấp và thiết bị y tế.
Phòng thí nghiệm hiện đang đưa công nghệ GaN phân cực nitrogen 8 inch vào sản xuất hàng loạt, với mục tiêu giảm 60% chi phí thiết bị RF vào năm 2026.
Dù triển vọng đầy hứa hẹn, việc ứng dụng rộng rãi GaN vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết của các nỗ lực phối hợp trên toàn chuỗi công nghiệp, cùng với đổi mới công nghệ và sản xuất quy mô lớn để khai thác trọn vẹn tiềm năng của GaN.
.jpg)
