Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố bước đột phá quan trọng trong công nghệ bán dẫn thế hệ tiếp theo với việc chế tạo thành công tấm wafer gallium nitride (GaN) loại N-polar kích thước 8 inch (20,3cm) – lớn nhất thế giới tính đến thời điểm hiện tại.

Được đánh giá là một cột mốc có thể làm thay đổi cuộc chơi trong ngành, loại wafer mới này có tiềm năng giúp giảm tới 40% chi phí sản xuất, qua đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi GaN trong các lĩnh vực như truyền thông vệ tinh và xe điện (EV).

GaN hiện được xem là vật liệu bán dẫn hợp chất tiêu biểu thuộc thế hệ thứ ba. Với các đặc tính vật lý vượt trội, GaN đang cách mạng hóa những lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao như mạng 5G/6G, liên lạc vệ tinh, xe tự hành và hệ thống radar. Công nghệ này từng giúp tạo ra các bộ sạc nhanh 100W nhỏ gọn trong lòng bàn tay, giảm tổn thất chuyển đổi năng lượng trên nền tảng xe điện 800V xuống dưới 5%, đồng thời tăng gấp ba lần băng thông truyền thông vệ tinh.

Trong cấu trúc GaN, hướng tinh thể (polarity) đóng vai trò quyết định tiềm năng ứng dụng. Dù cả hai biến thể Ga-polar và N-polar đều tồn tại, N-polar GaN cho hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, do quá trình chế tạo phức tạp và yêu cầu kỹ thuật khắt khe, các wafer N-polar trước đây chỉ sản xuất được ở kích thước nhỏ (2–4 inch) với chi phí rất cao – cho đến công bố mới nhất từ Trung Quốc.

Ngày 22/3, nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm JFS (Wuhan, tỉnh Hồ Bắc) đã công bố chế tạo thành công tấm wafer GaNOI (N-polar GaN-on-Insulator) kích thước 8 inch trên nền silicon. Theo tuyên bố, công nghệ này không chỉ phá vỡ thế độc quyền công nghệ từ nước ngoài mà còn giảm chi phí 40% và nâng điện áp đánh thủng của thiết bị lên đến 2000V.

Ba yếu tố then chốt làm nên thành công này bao gồm: sử dụng nền silicon giá rẻ, tương thích với các dây chuyền sản xuất bán dẫn tiêu chuẩn 8 inch và tích hợp dễ dàng với quy trình CMOS; vật liệu đạt hiệu năng cao và độ tin cậy lớn; và tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn trên bề mặt kết dính vượt 99% – một con số ấn tượng trong sản xuất wafer.

Cùng với đó, nhóm nghiên cứu còn công bố dịch vụ tape-out cho chip GaN 100nm trên nền silicon 6 inch, đi kèm bộ công cụ thiết kế PDK – yếu tố không thể thiếu giúp rút ngắn quá trình thiết kế và sản xuất chip. Đây là giải pháp thương mại thứ hai trên thế giới, nhưng là giải pháp đầu tiên tại Trung Quốc, cho phép rút ngắn chu kỳ phát triển thiết bị tần số vô tuyến (RF) xuống còn sáu tháng.

Công nghệ mới được kỳ vọng phục vụ tốt các ứng dụng vệ tinh thương mại và hàng không vũ trụ, với tốc độ truyền tải cao hơn và băng thông rộng hơn.

Ngoài truyền thông, nhóm nghiên cứu còn trình diễn hệ thống truyền điện không dây vi sóng có thể sạc pin cho drone ngay khi đang bay trong phạm vi 20 mét và truyền năng lượng không dây tới các thiết bị cách xa tới 1 km. Ứng dụng tiềm năng bao gồm: robot nhà máy, trạm điện Mặt Trời không gian, hệ thống cứu hộ khẩn cấp và thiết bị y tế.

Phòng thí nghiệm cho biết họ đang tiến hành đưa công nghệ wafer N-polar 8 inch vào sản xuất hàng loạt, với mục tiêu giảm chi phí thiết bị RF tới 60% vào năm 2026.

Tuy vậy, các chuyên gia cũng cảnh báo rằng việc thương mại hóa rộng rãi GaN vẫn còn nhiều thách thức, cần sự phối hợp đồng bộ của toàn chuỗi cung ứng cũng như đòi hỏi những bước tiến công nghệ vững chắc để khai phá hết tiềm năng của vật liệu này.

Theo một số thống kê công nghiệp, Trung Quốc hiện chiếm tới 99% sản lượng gallium tinh luyện toàn cầu – nguyên liệu chính cho GaN.