Phá vỡ giới hạn tốc độ trong điện tử siêu mỏng
Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một đột phá trong sản xuất có thể định hình lại ngành bán dẫn toàn cầu: phương pháp phát triển vật liệu bán dẫn hai chiều với tốc độ nhanh hơn khoảng 1.000 lần so với các kỹ thuật thông thường. Đổi mới này do các nhà khoa học thuộc Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn dắt, giải quyết nút thắt quan trọng từ lâu cản trở khả năng thương mại hóa chip thế hệ tiếp theo.
Nội dung
Nhóm nghiên cứu do Zhu Mengjian đứng đầu, cùng các cộng sự Ren Wencai và Xu Chuan thuộc Viện Nghiên cứu Kim loại, đã công bố phát hiện trên tạp chí National Science Review ngày 26 tháng 3. Công trình trình bày kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học được cải tiến, có thể tạo ra các màng silicon vonfram nitrua quy mô lớn với tốc độ khoảng 20 micromet mỗi phút. Đây là bước tăng tốc đáng kể so với các mốc trước đây, khi cần tới năm giờ để tạo được chỉ 0,001 milimet vật liệu.
Vì sao silicon đang chạm giới hạn
Trong hơn năm thập kỷ, ngành điện tử đã vận hành theo Định luật Moore: số lượng bóng bán dẫn trên một vi mạch tăng gấp đôi sau khoảng hai năm, trong khi chi phí giảm xuống. Quy luật này thúc đẩy sự phát triển của mọi thứ, từ điện thoại thông minh đến siêu máy tính, tạo nên một ngành công nghiệp trị giá hàng nghìn tỷ USD dựa trên silicon. Tuy nhiên, khi kích thước bóng bán dẫn tiến gần đến quy mô nguyên tử, các định luật vật lý cơ bản bắt đầu trở thành trở ngại.
Ở kích thước dưới khoảng 5 nanomet, electron trong silicon bắt đầu biểu hiện các đặc tính cơ học lượng tử làm suy yếu hoạt động tính toán cổ điển. Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử khiến electron rò rỉ qua các lớp cách điện vốn được cho là có thể ngăn chúng đi qua, trong khi việc tản nhiệt ngày càng khó kiểm soát khi các linh kiện được bố trí sát nhau hơn. Những giới hạn vật lý này đe dọa chặn đứng tiến bộ đã làm nền tảng cho sự phát triển công nghệ hiện đại.
Nhu cầu năng lực tính toán tiếp tục tăng nhanh, phần lớn do các hệ thống trí tuệ nhân tạo và mô hình ngôn ngữ lớn cần sức xử lý tăng theo cấp số nhân. Theo dự báo của ngành, nhu cầu tính toán cho AI có thể tăng gấp 1.000 lần vào năm 2030 so với mức năm 2023. Khoảng cách ngày càng lớn giữa nhu cầu và giới hạn vật lý của silicon đã thúc đẩy cuộc tìm kiếm trên toàn cầu các vật liệu thay thế, có thể giúp kéo dài vòng đời hoặc thay thế quy trình sản xuất bán dẫn truyền thống.
Tiềm năng của vật liệu hai chiều
Bán dẫn hai chiều là một trong những hướng đi triển vọng nhất để vượt ra ngoài giới hạn của silicon thông thường. Những vật liệu này đôi khi chỉ dày một nguyên tử và dẫn điện theo cách khác biệt căn bản so với tinh thể ba chiều. Khác với silicon khối, trong đó phải tạo một kênh dẫn dòng điện bằng cách khắc từ một khối vật liệu rắn, bán dẫn 2D vốn đã rất mỏng, không cần khắc bỏ vật liệu để tạo các cấu trúc kích thước nano.
Hiệu ứng giam giữ lượng tử trong những lớp siêu mỏng này thực sự có thể cải thiện tính chất điện thay vì làm suy giảm chúng. Khi electron chỉ có thể chuyển động trong không gian hai chiều, năng lượng tối thiểu của chúng tăng lên, qua đó mở rộng vùng cấm điều khiển trạng thái bật hoặc tắt của bóng bán dẫn. Điều này đồng nghĩa vật liệu 2D có thể đạt hiệu suất năng lượng cao hơn và dòng rò thấp hơn silicon ở cùng kích thước, trở thành ứng viên lý tưởng cho các công nghệ ở nút dưới 5 nanomet.
Một số vật liệu 2D đã cho thấy những đặc tính hiệu năng vượt trội. Đisunfua molypden và điselenit molypden, thuộc nhóm hợp chất chalcogenide kim loại chuyển tiếp, có vùng cấm tự nhiên cho phép chuyển đổi giữa trạng thái dẫn điện và cách điện. Những vật liệu loại n này, dẫn dòng điện nhờ electron, tương đối dễ sản xuất trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, để tạo ra mạch tích hợp ứng dụng thực tế cần có các cặp vật liệu bổ trợ cho nhau.
Giải quyết khủng hoảng vật liệu loại p
Các kiến trúc bóng bán dẫn hiện đại dựa vào sự kết hợp của hai loại bán dẫn khác nhau: loại n, sử dụng electron làm hạt tải điện, và loại p, dựa vào lỗ trống (vị trí thiếu electron trong mạng tinh thể) để dẫn điện tích dương. Kiến trúc bán dẫn oxit kim loại bổ trợ, gọi tắt là CMOS, là nền tảng của mọi mạch logic số hiện nay. Mỗi cổng NAND, NOR và NOT đều cần cả hai loại hoạt động phối hợp.
Trong khi bán dẫn 2D loại n đã phổ biến, các vật liệu loại p tương đương có hiệu năng cao và ổn định vẫn khó tìm. Zhu Mengjian mô tả tình trạng thiếu hụt này là nút thắt quan trọng và một mặt trận cạnh tranh khốc liệt trong nghiên cứu bán dẫn. Nếu không có vật liệu loại p đáng tin cậy, các kỹ sư không thể chế tạo những cổng logic cơ bản làm nền tảng cho tính toán, bất kể vật liệu loại n tốt đến đâu.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc xác định silicon vonfram nitrua là giải pháp cho sự mất cân đối này. Vật liệu có đặc tính loại p tự nhiên, không cần quy trình pha tạp từ bên ngoài vốn thường gây mất ổn định. Các màng vật liệu cho thấy độ linh động lỗ trống cao, mật độ dòng điện lớn, đồng thời có độ bền cơ học và khả năng dẫn nhiệt tốt. Những đặc tính này cho thấy vật liệu có thể chịu được quy trình quang khắc nhiều bước cần thiết để sản xuất chip thương mại mà không bị nứt hoặc bong khỏi đế.
Giáo sư Peng Hailin tại Đại học Bắc Kinh, người đang thực hiện một dự án riêng nhưng có liên quan về bóng bán dẫn 2D sử dụng bismut oxyselenide, giải thích tầm quan trọng căn bản của sự cân bằng pha tạp này. Trong nghiên cứu cũng hướng tới kiến trúc hậu silicon đó, nhóm của ông đạt tốc độ nhanh hơn 40% so với chip 3 nanomet mới nhất của Intel, đồng thời tiêu thụ ít điện hơn 10%. Nhóm Đại học Bắc Kinh mô tả bước phát triển này là chuyển sang làn đường khác thay vì đi đường tắt, báo hiệu sự dịch chuyển căn bản khỏi thiết kế dựa trên silicon.
Đổi mới với vàng và vonfram
Đổi mới cốt lõi giúp tạo ra bước đột phá về tốc độ sản xuất là thiết kế lại quy trình lắng đọng hơi hóa học dùng để tạo màng bán dẫn 2D. Các kỹ thuật CVD truyền thống đưa khí tiền chất qua các đế được nung nóng, chờ các nguyên tử kết tinh từng lớp một. Quy trình này vốn cực kỳ chậm, khiến việc chuyển từ mẫu phòng thí nghiệm chỉ vài milimet sang các tấm wafer 300 milimet dùng trong sản xuất thương mại trở nên không khả thi về mặt kinh tế.
Nhóm nghiên cứu thay đế rắn tiêu chuẩn bằng một lớp kép vàng lỏng và vonfram. Bề mặt vàng lỏng loại bỏ ranh giới hạt, tạo khuôn đồng nhất và nhẵn để tinh thể hình thành mầm. Nhờ đó, các nguyên tử tiền chất khuếch tán trên bề mặt nhanh hơn nhiều so với trên các đế rắn thông thường. Trong khi đó, lớp vonfram bên dưới cung cấp một trong những thành phần nguyên tố cần thiết cho màng silicon vonfram nitrua, giảm sự phụ thuộc vào cơ chế cấp vật liệu qua pha khí vốn thường giới hạn tốc độ phát triển.
Việc thay đổi đế giúp phát triển các màng đơn lớp có kích thước khoảng 36 x 18 milimet, đưa bán dẫn 2D tiến gần tới sản xuất trên quy mô wafer. Vật liệu thu được có hiệu năng điện, độ bền và khả năng chịu nhiệt cao, những đặc tính thiết yếu cho các ứng dụng chip tiên tiến. Tốc độ sản xuất tăng từ khoảng 0,00004 inch trong năm giờ lên khoảng 0,0008 inch mỗi phút, tương đương mức tăng tốc gấp 1.000 lần thu hút sự chú ý của ngành.
Phương pháp này cũng cho phép kiểm soát chính xác đặc tính pha tạp, giúp các kỹ sư điều chỉnh tính chất điện của màng vật liệu. Khả năng điều chỉnh này rất quan trọng để tích hợp vật liệu 2D vào kiến trúc CMOS hiện có, một bước cần thiết để tiến tới thương mại hóa. Khả năng tương thích với hạ tầng bán dẫn hiện tại có thể đơn giản hóa quá trình tích hợp trong tương lai, dù vẫn còn những thách thức kỹ thuật đáng kể khi mở rộng từ kích thước trình diễn hiện nay lên các tấm wafer sản xuất đầy đủ.
Cạnh tranh toàn cầu và hệ quả chiến lược
Đột phá bán dẫn này xuất hiện trong bối cảnh cạnh tranh công nghệ giữa các cường quốc kinh tế ngày càng gay gắt. Theo dữ liệu từ Bộ sưu tập nội dung CAS, các tổ chức Trung Quốc đã tăng mạnh số công bố trên tạp chí khoa học và bằng sáng chế liên quan đến vi điện tử, trong đó nước này tạo ra nhiều hồ sơ sở hữu trí tuệ hướng tới thương mại hóa. Trong khi đó, Mỹ triển khai các chiến lược quyết liệt nhằm duy trì vị thế dẫn đầu thông qua Đạo luật CHIPS và Khoa học, phân bổ 52,7 tỷ USD để củng cố năng lực sản xuất và nghiên cứu trong nước.
Căng thẳng địa chính trị làm phức tạp chuỗi cung ứng toàn cầu. Các biện pháp kiểm soát xuất khẩu được áp dụng từ tháng 10 năm 2022 hạn chế Trung Quốc tiếp cận thiết bị bán dẫn tiên tiến và chip tính toán. Những hạn chế này nhằm kìm hãm tiến bộ của Trung Quốc trong lĩnh vực AI và công nghệ quốc phòng, nhưng đồng thời cũng thúc đẩy các sáng kiến nghiên cứu trong nước nhằm đạt được độc lập công nghệ. Những tiến bộ về bán dẫn 2D chính là loại nghiên cứu nền tảng có thể giúp Trung Quốc vượt qua các nút thắt về thiết bị thông thường bằng cách phát triển những nền tảng vật liệu thay thế.
Theo phân tích thị trường, thị trường thiết bị bán dẫn toàn cầu, trị giá khoảng 111,84 tỷ USD vào năm 2025, dự kiến đạt 268,06 tỷ USD vào năm 2034. Động lực tăng trưởng đến từ quá trình chuyển sang các nút công nghệ tiên tiến dưới 5 nanomet, nơi quang khắc tử ngoại cực tím và vật liệu mới trở nên thiết yếu. Khu vực châu Á - Thái Bình Dương hiện chiếm ưu thế với gần 69% thị phần, dù châu Âu và Bắc Mỹ đang đầu tư mạnh để đa dạng hóa sản xuất, giảm phụ thuộc vào các chuỗi cung ứng tập trung.
Các chuyên gia trong ngành lưu ý rằng chuyển từ trình diễn trong phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại đòi hỏi nhiều năm nỗ lực, với sự hợp tác giữa các nhà khoa học vật liệu, kỹ sư quy trình và nhà vật lý thiết bị. Mật độ khuyết tật phải giảm xuống mức cho phép hàng tỷ bóng bán dẫn hoạt động ổn định trên một chip, đồng thời vật liệu mới phải chứng minh khả năng tương thích với các quy trình quang khắc, ăn mòn và mạ kim loại hiện có. Cách tiếp cận dùng đế kim loại lỏng do nhóm Trung Quốc phát triển có thể tác động đến các nguyên tắc kỹ thuật trên toàn ngành, bất kể cuối cùng vật liệu cụ thể nào được đưa vào sản xuất hàng loạt.
Thách thức trên con đường thương mại hóa
Dù kết quả phòng thí nghiệm rất triển vọng, vẫn còn nhiều trở ngại lớn trước khi bóng bán dẫn 2D có thể xuất hiện trong các sản phẩm tiêu dùng. Việc duy trì độ đồng nhất trên diện tích wafer lớn ngày càng khó theo cấp số nhân khi mở rộng sản xuất. Chuyển từ màng 36 x 18 milimet sang wafer sản xuất 300 milimet không chỉ đơn giản là phóng to buồng lắng đọng hơi hóa học; quá trình này đòi hỏi duy trì độ chính xác ở cấp nguyên tử trên diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều.
Quản lý nhiệt là một vấn đề đáng kể khác. Dù silicon vonfram nitrua có đặc tính nhiệt thuận lợi hơn một số vật liệu thay thế, vật liệu siêu mỏng vốn có tiết diện dẫn nhiệt hạn chế. Khi các bóng bán dẫn được bố trí dày đặc hơn, việc tản nhiệt thừa trở nên thiết yếu để duy trì hiệu năng và ngăn hư hại do nhiệt đối với các cấu trúc mong manh. Vật liệu 2D cũng cần đủ bền cơ học để chịu được ứng suất vật lý từ các công đoạn sản xuất như ăn mòn, lắng đọng và làm sạch, vốn có thể làm hỏng các lớp mỏng ở cấp nguyên tử.
Tình trạng thiếu lao động có tay nghề làm những thách thức kỹ thuật này thêm trầm trọng. Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn dự báo riêng nước Mỹ sẽ thiếu khoảng 67.000 kỹ thuật viên, kỹ sư và nhà khoa học lành nghề vào năm 2030. Tình trạng thiếu hụt tương tự cũng ảnh hưởng đến các trung tâm sản xuất trên toàn thế giới, có thể làm chậm tốc độ triển khai công nghệ mới ngay cả khi chúng đã được chứng minh khả thi trong nghiên cứu.
Những lo ngại về môi trường cũng phủ bóng lên các kế hoạch mở rộng. Một nhà máy sản xuất wafer 12 inch hiện đại tiêu thụ khoảng 10 triệu gallon nước mỗi ngày. Đợt hạn hán nghiêm trọng ở Đài Loan năm 2021 cho thấy hoạt động sản xuất bán dẫn dễ bị tổn thương trước tình trạng hạn chế tài nguyên. Các nhà sản xuất ngày càng áp dụng công nghệ tái chế và thực hành bền vững, nhưng mức tiêu thụ năng lượng và nước lớn trong sản xuất chip vẫn là vấn đề đáng lưu tâm khi ngành cân nhắc xây dựng các cơ sở mới để đáp ứng việc sử dụng vật liệu mới.
Kết luận chính
- Các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học có thể tạo vật liệu bán dẫn 2D nhanh hơn 1.000 lần so với phương pháp trước đây, đạt tốc độ khoảng 20 micromet mỗi phút.
- Đột phá này sử dụng đế kép vàng lỏng và vonfram để tạo các màng silicon vonfram nitrua quy mô wafer, giải quyết tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng vật liệu 2D loại p hiệu năng cao cần thiết cho các cặp bóng bán dẫn CMOS.
- Đổi mới xuất hiện khi silicon tiến gần đến các giới hạn vật lý cơ bản ở kích thước dưới 5 nanomet, trong đó hiệu ứng xuyên hầm lượng tử và vấn đề tản nhiệt đe dọa chặn đứng nhiều thập kỷ cải thiện hiệu năng ổn định theo Định luật Moore.
- Bán dẫn hai chiều, chỉ dày vài nguyên tử, mở ra tiềm năng tiếp tục thu nhỏ bóng bán dẫn với hiệu suất năng lượng cao hơn silicon ba chiều thông thường.
- Bước phát triển diễn ra trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu gay gắt nhằm giành ưu thế bán dẫn, khi Trung Quốc đẩy mạnh nghiên cứu còn Mỹ và châu Âu đầu tư hàng tỷ USD thông qua các đạo luật CHIPS để bảo đảm chuỗi cung ứng trong nước.
- Để chuyển từ trình diễn trong phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại, cần giải quyết các thách thức về mật độ khuyết tật, quản lý nhiệt, độ đồng nhất trong sản xuất và tích hợp với hạ tầng chế tạo hiện có.
- Thị trường thiết bị sản xuất bán dẫn dự kiến tăng từ 111,84 tỷ USD năm 2025 lên 268 tỷ USD vào năm 2034, nhờ nhu cầu tính toán AI, các nút công nghệ tiên tiến và vật liệu mới, trong đó có bán dẫn 2D.
