Trung Quốc dẫn đầu công nghệ bán dẫn thế hệ tiếp theo như thế nào?

Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán, tỉnh Hồ Bắc đã công bố chế tạo thành công tấm wafer GaN trên lớp cách điện (GaNOI) phân cực nitơ 8 inch đầu tiên trên thế giới trên nền silicon, phá vỡ thế độc quyền công nghệ nước ngoài.

Trong những gì được coi là bước ngoặt đối với ngành công nghiệp bán dẫn, tấm bán dẫn này có thể giúp cắt giảm 40% chi phí sản xuất, do đó đẩy nhanh quá trình áp dụng công nghệ này vào thông tin liên lạc vệ tinh và xe điện (EV) trên toàn cầu.

GaN được ca ngợi là một vật liệu bán dẫn hợp chất thế hệ thứ ba đầy tiềm năng, đang cách mạng hóa các ứng dụng tần số cao và công suất lớn như mạng 5G/6G, thông tin liên lạc vệ tinh, xe tự hành và hệ thống radar nhờ vào các đặc tính vật lý vượt trội.

Vật liệu này đã giúp chế tạo các bộ sạc nhanh 100W có kích thước chỉ bằng lòng bàn tay, giảm tổn thất chuyển đổi năng lượng trong hệ thống xe điện 800V xuống dưới 5% 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 thay đổi mang tính đột phá trong các lĩnh vực này khi công nghệ sản xuất hàng loạt đạt đến điểm bùng phát.

Được biết, GaN tồn tại ở hai dạng chính là phân cực nitơ (N-polar) và phân cực gallium (Ga-polar), trong đó biến thể N-polar có hiệu suất vượt trội.

Tuy nhiên, các yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện tăng trưởng và quy trình sản xuất phức tạp đã khiến việc sản xuất toàn cầu chỉ giới hạn ở các tấm wafer GaN phân cực nitơ có kích thước nhỏ từ 2 đến 4 inch với chi phí rất cao cho đến nay.

Để đạt được thành tựu này, nhóm chuyên gia đã sử dụng đế silicon giúp wafer có thể tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn tiêu chuẩn 8 inch và dễ dàng tích hợp với quy trình CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung), cho phép sản xuất hàng loạt nhanh chóng, từ đó tiết kiệm chi phí, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

Bên cạnh đó, độ tin cậy của lớp liên kết đã vượt 99%, mở ra tiềm năng ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.

Nhóm nghiên cứu cũng công bố dịch vụ sản xuất thử nghiệm cho các thiết bị GaN trên silicon 100 nanomet 6 inch cùng với bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK).

PDK là một công cụ quan trọng trong ngành bán dẫn, cung cấp cho các nhà thiết kế chip thông tin cốt lõi như thông số quy trình và quy tắc thiết kế – một cầu nối quan trọng giữa thiết kế và sản xuất chip.

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

"Bản thiết kế này được kỳ vọng sẽ phục vụ các ứng dụng thông tin liên lạc vệ tinh thương mại có dung lượng cao và hàng không vũ trụ, mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn và băng thông lớn hơn," báo cáo cho biết.

Ngoài lĩnh vực truyền thông, nhóm nghiên cứu cũng mang đến một hệ thống sạc không dây vi sóng động có thể sạc thiết bị bay không người lái trong khi bay ở khoảng cách 20 mét, cũng như cung cấp năng lượng không dây cho các trạm không người lái từ khoảng cách lên tới 1 km. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong robot công nghiệp, 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 nitơ 8 inch vào sản xuất hàng loạt với mục tiêu giảm chi phí thiết bị RF xuống 60% vào năm 2026.

Dù có triển vọng đầy hứa hẹn, việc ứng dụng rộng rãi GaN vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức. Trước hết, giá thành sản xuất của nó vẫn tương đối cao. Điều này hạn chế sự phổ biến của nó trong một số ứng dụng chi phí thấp. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết của việc phối hợp giữa các bên trong chuỗi cung ứng, cùng với đổi mới công nghệ và sản xuất quy mô lớn để khai thác tối đa tiềm năng của GaN.

Ngoài ra, ông Thomas Walther, chuyên gia quang lượng tử tại Đại học Kỹ thuật Darmstadt (Đức) chỉ ra, việc phổ biến công nghệ sản xuất GaN vẫn đòi hỏi phải đào tạo thêm và thúc đẩy thị trường trong ngành do thiếu nguồn nhân lực hiểu biết về loại vật liệu mới để tăng cường phát huy các ưu điểm cũng như khai thác tối đa ứng dụng của nó để thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi hơn.

Theo một số ước tính trong ngành, Trung Quốc chiếm gần 99% sản lượng gallium tinh chế toàn cầu vào năm ngoái. 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 cho mục đích quân sự.

Giới quan sát dự đoán, Trung Quốc đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc nghiên cứu các công nghệ mới để chế tạo các mạch tích hợp quang lượng tử trên chip toàn diện. Các mạch bán dẫn do Trung Quốc sản xuất có khả năng sẽ xuất hiện nhiều hơn trong các sản phẩm điện tử toàn cầu.