Trung Quốc ghi nhận bước tiến lớn về công nghệ bán dẫn

Các nhà khoa học Trung Quốc tại Phòng thí nghiệm Jiufengshan (JFS), Vũ Hán, vừa chế tạo thành công tấm bán dẫn GaN phân cực N kích thước 8 inch – lớn nhất thế giới hiện nay.

Các chuyên gia kỳ vọng thành tựu này sẽ giúp giảm 40% chi phí sản xuất chip bán dẫn, tạo đòn bẩy thúc đẩy ứng dụng vật liệu GaN trong các lĩnh vực công nghệ cao như truyền thông vệ tinh, xe điện, radar, mạng 5G/6G và hàng không vũ trụ.

GaN là một loại vật liệu bán dẫn hiện đại, được gọi là vật liệu thế hệ ba, với nhiều ưu điểm vượt trội so với silicon – loại vật liệu truyền thống đang được dùng phổ biến hiện nay. GaN là vật liệu có khả năng chịu được điện áp lớn, vận hành hiệu quả ở tần số cao và giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Đặc biệt, biến thể GaN phân cực N còn thể hiện hiệu năng vượt trội hơn nữa khi ứng dụng trong các thiết bị đòi hỏi công suất mạnh và tốc độ xử lý nhanh, như radar, hệ thống truyền thông cao tần hay xe điện. Tuy nhiên, việc chế tạo GaN phân cực N gặp nhiều khó khăn do cấu trúc tinh thể đảo ngược, dễ phát sinh lỗi cũng như khó kiểm soát chất lượng. Vì vậy, trước đây, các công ty chỉ có thể sản xuất những tấm GaN phân cực N với kích thước nhỏ, chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu.

Các chuyên gia kỳ vọng thành tựu này sẽ giúp giảm 40% chi phí sản xuất chip bán dẫn. Ảnh: SCMP

Việc JFS chế tạo thành công tấm wafer GaN phân cực N đường kính 8 inch trên nền silicon đánh dấu một bước ngoặt quan trọng. Nhờ sử dụng đế silicon – loại vật liệu có giá thành thấp, sẵn có và tương thích với hầu hết dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện nay – công nghệ GaN phân cực N có thể nhanh chóng được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất quy mô lớn.

Ước tính cho thấy, việc tăng kích thước wafer lên 8 inch giúp mở rộng gần gấp đôi diện tích chế tạo chip so với loại 6 inch trước đây, qua đó có thể giảm tới 40% chi phí sản xuất. Đặc biệt, tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn đạt tới 99%, phản ánh mức độ hoàn thiện cao của quy trình công nghệ và cho thấy nền tảng này đã đủ điều kiện để bước vào giai đoạn sản xuất hàng loạt.

Không chỉ dừng lại ở việc phát triển vật liệu, nhóm nghiên cứu JFS còn xây dựng bộ công cụ thiết kế vi mạch chuyên dụng (PDK) cho GaN ở mức độ 100nm – công cụ quan trọng giúp các kỹ sư dễ dàng thiết kế và triển khai chip sử dụng công nghệ GaN vào thực tế sản xuất.

Bộ công cụ này cho phép thiết kế các thiết bị điện tử hoạt động ở dải tần rất rộng, từ dòng điện thấp đến sóng milimet, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các hệ thống truyền thông hiện đại như vệ tinh tốc độ cao và mạng 6G.

Một trong những ứng dụng mới đầy tiềm năng của công nghệ GaN là truyền năng lượng không dây bằng vi sóng. Nhóm nghiên cứu đã trình diễn thành công hệ thống sạc không dây cho máy bay không người lái ở khoảng cách 20 mét, và có thể truyền điện cho các thiết bị ở xa tới 1 km. Đây là công nghệ hứa hẹn sẽ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như robot nhà máy, thiết bị y tế từ xa, các trạm năng lượng trong không gian hay những tình huống cứu hộ khẩn cấp, nơi việc kéo dây điện là không khả thi.

Hiện tại, công nghệ wafer GaN phân cực N 8 inch đang được đưa vào sản xuất hàng loạt tại Vũ Hán.

Mục tiêu tiếp theo của JFS là tiếp tục cải tiến công nghệ để đến năm 2026, chi phí sản xuất các thiết bị điện tử sử dụng GaN có thể giảm thêm 60%. Tuy nhiên, để đạt được điều này, ngành công nghiệp còn phải đối mặt với nhiều thách thức như làm mát thiết bị, đóng gói vi mạch và đồng bộ toàn bộ chuỗi cung ứng.

Việc đào tạo nhân lực chuyên môn và chuẩn hóa thiết kế cũng sẽ đóng vai trò then chốt để hiện thực hóa tiềm năng của GaN trong thực tế.

Thành tựu lần này không chỉ mang ý nghĩa công nghệ mà còn thể hiện tầm nhìn chiến lược của Trung Quốc trong cuộc đua bán dẫn toàn cầu. Hiện Trung Quốc nắm gần 99% sản lượng gallium – nguyên liệu chính tạo nên GaN – trên toàn thế giới. Trong bối cảnh cạnh tranh gay gắt với Mỹ và các quốc gia phát triển khác, việc tự chủ từ nguyên vật liệu đến công nghệ thiết kế và sản xuất giúp Trung Quốc củng cố vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực bán dẫn thế hệ mới.

An Thái