Trung Quốc vừa chế tạo thành công tấm wafer GaN N-polar 8 inch lớn nhất thế giới, giảm 40% chi phí bán dẫn

Trung Quốc vừa đạt được một thành tựu lớn trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn khi các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm JFS ở Vũ Hán công bố chế tạo thành công tấm wafer gallium nitride (GaN) loại N-polar kích thước 8 inch – lớn nhất thế giới hiện nay. Đây được xem là bước nhảy vọt giúp Trung Quốc rút ngắn đáng kể khoảng cách công nghệ với các cường quốc bán dẫn khác như Mỹ, Nhật Bản hay Đài Loan.

Tấm wafer mới này không chỉ mang ý nghĩa về mặt công nghệ mà còn có khả năng làm giảm tới 40% chi phí sản xuất, đồng thời mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ truyền thông vệ tinh, xe điện cho đến quốc phòng và hàng không vũ trụ.

Vì sao GaN lại quan trọng trong cuộc đua bán dẫn?

Gallium nitride (GaN) là vật liệu bán dẫn thuộc thế hệ thứ ba, đang dần thay thế silicon trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Với ưu điểm vượt trội như chịu được điện áp cao, hoạt động ở tần số lớn và khả năng tản nhiệt tốt, GaN trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị yêu cầu hiệu suất mạnh mẽ và độ tin cậy cao.

Vật liệu này đặc biệt phù hợp trong các hệ thống mạng 5G/6G, radar quân sự, xe tự hành và các thiết bị điện tử công suất lớn. Trong đó, biến thể N-polar của GaN được đánh giá cao hơn về hiệu suất, nhưng lại rất khó sản xuất do yêu cầu kỹ thuật cao, thường chỉ đạt được kích thước nhỏ từ 2 đến 4 inch và giá thành rất đắt đỏ.

Gallium nitride (GaN) là vật liệu bán dẫn thuộc thế hệ thứ ba, đang dần thay thế silicon trong nhiều ứng dụng công nghệ cao. Ảnh: Internet

Sản xuất thành công wafer GaN N-polar trên nền silicon 8 inch

Điều làm nên đột phá lần này là nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã phát triển thành công công nghệ GaNOI (GaN-on-Insulator) với hướng N-polar trên nền silicon phổ biến. Nhờ đó, họ có thể sản xuất tấm wafer GaN N-polar kích thước lên đến 8 inch – một con số chưa từng có trước đây.

Sự kết hợp giữa nền silicon giá rẻ và công nghệ mới giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất, đồng thời đạt hiệu quả kỹ thuật cao với điện áp đánh thủng lên đến 2000V. Tấm wafer mới cũng tương thích tốt với các dây chuyền bán dẫn tiêu chuẩn 8 inch hiện có, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất hàng loạt và thương mại hóa nhanh chóng.

Tỷ lệ thành phẩm vượt 99% và khả năng tích hợp cao

Một trong những yếu tố quan trọng khiến công nghệ này nổi bật là tỷ lệ kết dính bề mặt đạt hơn 99% – mức độ hoàn hảo hiếm thấy trong sản xuất wafer công nghiệp. Nhờ vậy, chất lượng sản phẩm đầu ra được đảm bảo đồng đều, giảm thiểu lỗi và lãng phí trong sản xuất.

Không chỉ vậy, vật liệu mới còn dễ dàng tích hợp với quy trình thiết kế mạch CMOS hiện có, giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm cũng như giảm rào cản khi áp dụng vào thực tế. Điều này mở ra cơ hội lớn cho các doanh nghiệp bán dẫn nội địa và quốc tế đang tìm kiếm giải pháp tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao.

Sự kết hợp giữa nền silicon giá rẻ và công nghệ mới giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất, đồng thời đạt hiệu quả kỹ thuật cao. Ảnh: Internet

Trung Quốc lần đầu triển khai tape-out chip GaN 100nm nội địa

Song song với việc sản xuất wafer, nhóm nghiên cứu cũng công bố dịch vụ tape-out cho chip GaN 100nm trên nền silicon 6 inch, đi kèm với bộ công cụ thiết kế PDK tiêu chuẩn. Đây là một trong hai giải pháp tape-out thương mại hóa duy nhất trên thế giới hiện nay, và là lần đầu tiên Trung Quốc làm chủ được công nghệ này.

Việc có thể tự triển khai tape-out chip GaN giúp rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm tần số vô tuyến (RF) từ vài năm xuống chỉ còn khoảng sáu tháng. Điều này giúp đẩy nhanh quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và sản xuất, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh thị trường vi mạch toàn cầu đang thiếu hụt nguồn cung.

Công nghệ mở rộng sang lĩnh vực truyền điện không dây và hàng không vũ trụ

Không chỉ ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn, công nghệ mới còn được nhóm nghiên cứu sử dụng để phát triển hệ thống truyền điện không dây bằng vi sóng. Trong thử nghiệm, hệ thống có thể sạc cho thiết bị bay không người lái (drone) trong khi đang hoạt động ở khoảng cách 20 mét, và thậm chí truyền năng lượng đến các thiết bị ở xa tới 1 km.

Ứng dụng này đặc biệt tiềm năng trong các tình huống khẩn cấp như cứu hộ, y tế, cũng như các hệ thống năng lượng không gian như trạm điện Mặt Trời ngoài vũ trụ. Ngoài ra, lĩnh vực robot công nghiệp và các thiết bị cần năng lượng liên tục cũng sẽ được hưởng lợi lớn.

Hướng tới sản xuất hàng loạt, nhưng vẫn còn nhiều thách thức

Phòng thí nghiệm JFS cho biết họ đang tiến hành các bước chuẩn bị để đưa wafer N-polar 8 inch vào sản xuất hàng loạt, với mục tiêu giảm 60% chi phí thiết bị tần số vô tuyến vào năm 2026. Tuy nhiên, giới chuyên gia nhận định rằng để công nghệ này được ứng dụng rộng rãi, Trung Quốc cần sự phối hợp chặt chẽ trong toàn bộ chuỗi cung ứng, từ sản xuất vật liệu đến thiết kế, chế tạo và thương mại hóa thiết bị đầu cuối.

Thành công hiện tại là dấu hiệu tích cực cho thấy Trung Quốc đang tiến gần hơn tới việc làm chủ công nghệ bán dẫn thế hệ mới. Song song đó, quá trình thương mại hóa GaN cũng cần được hỗ trợ bởi những tiến bộ kỹ thuật ổn định, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong môi trường thực tế.

>> Intel sẽ cho 'ra lò' một sản phẩm AI ngay tại cứ điểm chiến lược Việt Nam