Trung Quốc Đột Phá Công Nghệ Bán Dẫn: Giảm 40% Chi Phí và Thách Thức Toàn Cầu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu đang trên đà phát triển mạnh mẽ, với dự báo giá trị đạt tới 1.000 tỷ USD vào năm 2030, một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã công bố một bước tiến đột phá trong công nghệ bán dẫn. Họ đã thành công trong việc chế tạo tấm bán dẫn Gallium Nitride (GaN) phân cực Nitrogen (N-polar) lớn nhất thế giới, với kích thước lên tới 8 inch (20,3 cm), trên nền silicon.

Những điểm nổi bật:

• Nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán đã chế tạo thành công tấm bán dẫn GaN N-polar kích thước 8 inch trên nền silicon.
• GaN là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, lý tưởng cho các ứng dụng tần số cao và công suất lớn như 5G/6G, vệ tinh, xe điện và radar.
• Thành tựu này giúp giảm 40% chi phí sản xuất tấm bán dẫn GaN N-polar, đồng thời tăng điện áp đánh thủng lên 2.000V.
• Việc sử dụng đế silicon 8 inch tiêu chuẩn giúp dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có, thúc đẩy sản xuất hàng loạt.
• Công nghệ này hứa hẹn sẽ ứng dụng trong truyền năng lượng không dây và nhiều lĩnh vực khác, với mục tiêu giảm 60% chi phí thiết bị RF vào năm 2026.

GaN: Vật liệu bán dẫn thế hệ mới đầy tiềm năng

Gallium Nitride (GaN) được coi là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, với những đặc tính vật lý vượt trội so với silicon truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động ở tần số cao và công suất lớn. Công nghệ GaN đang tạo ra những thay đổi lớn trong các lĩnh vực như:

• Mạng di động 5G/6G.
• Truyền thông vệ tinh.
• Xe điện (EV) và phương tiện tự hành.
• Hệ thống radar tiên tiến.
• Bộ sạc nhanh công suất cao (như sạc 100W nhỏ gọn).

Về mặt cấu trúc tinh thể, GaN có thể tồn tại ở dạng phân cực Gallium (Ga-polar) hoặc phân cực Nitrogen (N-polar). Trong đó, N-polar GaN thể hiện hiệu suất vượt trội hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo N-polar GaN gặp nhiều thách thức do yêu cầu tăng trưởng tinh thể khắt khe và quy trình phức tạp, khiến sản xuất toàn cầu trước đây chỉ giới hạn ở các tấm bán dẫn kích thước nhỏ (5-10 cm) với chi phí rất cao.

Đột phá từ phòng thí nghiệm Trung Quốc

Vào ngày 22/3, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán đã công bố thành tựu 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 mang lại nhiều lợi ích quan trọng:

• Phá vỡ thế độc quyền: Công nghệ N-polar GaN trước đây chủ yếu do các nước khác nắm giữ.
• Giảm 40% chi phí: Việc sản xuất thành công wafer 8 inch giúp giảm đáng kể chi phí so với các wafer nhỏ hơn.
• Tăng hiệu suất: Điện áp đánh thủng (breakdown voltage) của thiết bị được tăng lên 2.000 V, cho phép hoạt động ở công suất cao hơn.

Theo thông báo chính thức, ba yếu tố then chốt giúp đạt được thành tựu này bao gồm:

1. Sử dụng đế silicon 8 inch tiêu chuẩn, tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện có và dễ dàng tích hợp với quy trình CMOS, giúp đẩy nhanh sản xuất hàng loạt.
2. Kết hợp hiệu suất cao với độ tin cậy của vật liệu.
3. Cải thiện đáng kể tỷ lệ thành phẩm, với tỷ lệ liên kết bề mặt (surface bonding yield) vượt qua 99%.

Mở đường cho ứng dụng công nghiệp

Phòng thí nghiệm JFS cũng công bố dịch vụ chế tạo thử nghiệm (tape-out) cho các thiết bị GaN trên silicon 100nm kích thước 6 inch, cùng với bộ công cụ thiết kế quy trình (PDK). PDK cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà thiết kế chip, đóng vai trò cầu nối giữa thiết kế và sản xuất, là yếu tố thiết yếu để thúc đẩy ứng dụng công nghiệp.

Ngoài các ứng dụng trong truyền thông và điện tử công suất, nhóm nghiên cứu đã trình diễn hệ thống truyền năng lượng không dây vi sóng sử dụng công nghệ GaN, có khả năng sạc pin cho máy bay không người lái đang bay ở khoảng cách 20 mét và cấp điện không dây cho trạm đầu cuối ở khoảng cách 1 km. Công nghệ này hứa hẹn ứng dụng trong 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 N-polar GaN 8 inch vào sản xuất hàng loạt, với mục tiêu giảm 60% chi phí thiết bị RF (tần số vô tuyến) vào năm 2026.

Thách thức còn lại

Dù triển vọng rất lớn, 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 liên tục và sản xuất quy mô lớn để khai thác trọn vẹn tiềm năng của vật liệu này. Việc Trung Quốc chế tạo thành công tấm wafer N-polar GaN-on-Si 8 inch là một đột phá công nghệ quan trọng, không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu bán dẫn tiên tiến này trong nhiều lĩnh vực then chốt. Thành tựu này khẳng định vị thế ngày càng tăng của Trung Quốc trong cuộc đua công nghệ bán dẫn toàn cầu.