Trung Quốc công bố đột phá công nghệ bán dẫn

Tờ South China Morning Post đưa tin, các nhà nghiên cứu Trung Quốc mới đây công bố bước đột phá trong công nghệ bán dẫn thế hệ mới với việc chế tạo ra tấm wafer (tấm bán dẫn silicon) gallium nitride (GaN) phân cực nitơ (N-polar) lớn nhất thế giới, có đường kính 8 inch (tương đương 20,3 cm). 

Tấm wafer này được xem là yếu tố sẽ thay đổi cuộc chơi trong ngành công nghiệp bán dẫn, khi có thể giảm tới 40% chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ này trên toàn cầu, đơn cử như trong lĩnh vực truyền thông vệ tinh và xe điện (EV). 

GaN được giới thiệu là loại chất bán dẫn hợp chất thế hệ thứ ba hàng đầu. Nhờ các đặc tính vật lý vượt trội, vật liệu này đang tạo ra bước đột phá trong các ứng dụng tần số cao, công suất lớn, bao gồm mạng 5G/6G, truyền thông vệ tinh, xe tự hành và hệ thống radar. 

Vật liệu này đã giúp tạo ra các bộ sạc nhanh 100W có kích thước nhỏ gọn 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 truyền thông vệ tinh.

Các nhà phân tích trong ngành dự đoán, GaN có thể tạo ra những biến đổi mang tính cách mạng trong các lĩnh vực này, khi công nghệ sản xuất hàng loạt đạt đến điểm bùng phát quan trọng. 

Điểm mấu chốt trong tiềm năng của GaN nằm ở tính phân cực tinh thể. Mặc dù tồn tại ở cả hai dạng GaN phân cực nitơ (N-polar) và GaN phân cực gallium (Ga-polar), biến thể N-polar có hiệu suất vượt trội hơn.

Tuy nhiên, các yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện phát triển và quy trình sản xuất phức tạp đã giới hạn sản lượng toàn cầu của các tấm wafer GaN N-polar ở mức nhỏ khi cái giá phải trả cho kích cỡ từ 2 – 4 inch cao ngất ngưởng.

Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán, tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc đã công bố chế tạo thành công tấm wafer GaN N-polar 8 inch đầu tiên trên thế giới, sử dụng công nghệ GaN trên lớp cách điện (GaNOI) với đế silicon. Đột phá này đã giúp phá vỡ thế độc quyền công nghệ của nước ngoài, giúp giảm 40% chi phí wafer, đồng thời, nâng mức điện áp có thể đánh thủng thiết bị lên 2000V. 

Theo tuyên bố chính thức, có ba yếu tố then chốt làm nên thành tựu này. Thứ nhất, việc sử dụng đế silicon giúp kiểm soát chi phí, đồng thời tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn tiêu chuẩn 8 inch và dễ dàng tích hợp với quy trình sản xuất theo công nghệ CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung), cho phép sản xuất hàng loạt nhanh chóng. 

Thứ hai, vật liệu này có hiệu suất cao cùng độ tin cậy. Cuối cùng, tỷ lệ thành phẩm đã được cải thiện đáng kể, với tỷ lệ bám dính tại các điểm ghép nối vượt mức 99%. Những cải tiến này mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 

Nhóm nghiên cứu cũng công bố dịch vụ sản xuất thử nghiệm cho các thiết bị GaN nền silicon 6 inch với kích thước 100 nanomet, cùng với bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK) hỗ trợ. PDK là công cụ thiết yếu trong sản xuất bán dẫn, cung cấp cho các nhà thiết kế chip 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. 

Đây là giải pháp thương mại thứ hai trên thế giới và là giải pháp đầu tiên tại Trung Quốc. Theo tuyên bố của JFS, công nghệ này giúp rút ngắn chu kỳ phát triển thiết bị tần số vô tuyến (RF) xuống còn 6 tháng. 

"Bản thiết kế này dự kiến sẽ phục vụ cho các ứng dụng truyền thông vệ tinh thương mại có tốc độ cao và lĩnh vực hàng không vũ trụ…mang lại tốc độ truyền tải cao hơn và băng thông lớn hơn", báo cáo cho biết. 

Ngoài lĩnh vực truyền thông, nhóm nghiên cứu cũng trình diễn một hệ thống truyền năng lượng không dây bằng sóng vi ba, có khả năng sạc pin cho máy bay không người lái ngay trong khi bay trong phạm vi 20 mét, đồng thời, có thể cung cấp năng lượng không dây cho các trạm điều khiển tự động từ khoảng cách lên tới 1 km. Công nghệ này hứa hẹn sẽ được ứng dụng trong robot công nghiệp, trạm điện mặt trời trong không gian, hệ thống ứng phó khẩn cấp và thiết bị y tế. 

Phòng thí nghiệm này đang đưa công nghệ GaN N-polar 8 inch vào sản xuất hàng loạt, với mục tiêu giảm 60% chi phí thiết bị RF vào năm 2026. 

Mặc dù được đánh giá có triển vọng đầy hứa hẹn, việc ứng dụng rộng rãi GaN vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh cần phải phối hợp trong toàn bộ chuỗi công nghiệp, cùng với đổi mới công nghệ và sản xuất quy mô lớn để khai thác tối đa tiềm năng của GaN. 

Năm ngoái, Trung Quốc chiếm gần 99% sản lượng gallium tinh chế trên toàn thế giới, theo ước tính của một số tổ chức công nghiệp. Vào tháng 12, Bắc Kinh đã ban hành lệnh cấm xuất khẩu gallium cùng một số kim loại hiếm khác sang Mỹ do lo ngại về việc sử dụng trong quân sự.