Trang chủ / Công nghệ - Môi trường

"Siêu vật liệu" cho ngành bán dẫn trong tương lai gần

(LĐST). Ngành công nghệp bán dẫn sẽ sở hữu hiệu suất vượt trội trong kỷ nguyên mới nhờ việc ứng dụng công nghệ từ "siêu vật liệu" Gallium Nitride (GaN) để sản xuất ra những con chíp điện tử thông minh.

Các chuyên gia cho rằng có thể mất nhiều tháng, có thể là vài năm để ngành công nghiệp bán dẫn phục hồi do ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu từ đại dịch Covid. Trên thực tế, tình trạng thiếu hụt chip này đang làm thay đổi diện mạo của tất cả các ngành sản xuất thiết bị điện tử.

Trước đây qua nhiều thập kỷ, nguồn vật liệu được coi là thống trị trong ngành công nghiệp bán dẫn đó là Silicon. Nhưng khoảng thời gian gần đây do tình trạng thiếu hụt chip silicon đang giúp cho một loại "siêu vật liệu" mới lên ngôi với tiềm năng làm cho các thiết bị điện tử thân thiện với môi trường, hiệu quả và nhỏ hơn, đó là Gallium Nitride (GaN). Nó có những ưu điểm nổi bật như dễ sản xuất hơn, có tốc độ truyền dẫn nhanh hơn so với chip silicon nên được nhiều công ty chuyển sang sử dụng loại vật liệu này hơn.

Để tìm hiểu tình trạng thiếu hụt đang ảnh hưởng như thế nào đến ngành điện tử tiêu dùng và xu hướng dịch chuyển của ngành khỏi vật liệu silicon, TechRadar đã phỏng vấn Stephen Oliver - Phó giám đốc tiếp thị doanh nghiệp và quan hệ nhà đầu tư tại Navitas Semiconductor.

GaN là gì và tại sao lại quan trọng?

GaN được phát hiện vào năm 1875, là hợp chất giữa gali (số nguyên tử 31) và nitơ (số nguyên tử 7). Nó là một vật liệu bán dẫn dải rộng với cấu trúc tinh thể hình lục giác, cứng. Trong đó, bandgap là mức năng lượng cần thiết để các electron và các lỗ trống điện tử hole di chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn trong mạng nguyên tử của chất bán dẫn.

Thành phần hóa học của GaN (Ảnh nguồn Internet)

Mức bandgap của GaN rộng hơn cho phép phát triển các chất bán dẫn có vùng nghèo (depletion region) rất ngắn, dẫn đến cấu trúc thiết bị có mật độ hạt tải điện rất cao. Với kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn và đường dẫn ngắn hơn, điện trở và điện dung cực thấp sẽ được tạo ra, cho phép tốc độ nhanh hơn gấp 100 lần. Vì vậy, bandgap quyết định điện trường mà vật liệu có thể chịu được.

Công nghệ GaN có thể xử lý điện trường lớn hơn với kích thước nhỏ hơn nhiều so với silicon thông thường và có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa cao hơn so với các công nghệ dựa trên silicon hay các công nghệ khác.

Làm thế nào để tách chiết Gali?

Gali không tồn tại dưới dạng tự do trong tự nhiên, mà cũng không có khoáng chất nào có hàm lượng gali đủ cao để có thể coi là nguồn chủ yếu trong việc tách chiết nó hay các hợp chất của nó, mà là các hợp chất của gali (III) ở dạng truy xuất trong và trong bauxit. Phần lớn Gali được tách ra từ dung dịch Hidroxit thô trong công nghệ Bayer để sản xuất nhôm, cũng như quá trình chế biến quặng sphalerit để lấy kẽm, do đó có lượng khí thải carbon khai thác và tinh chế rất thấp, ít gây hại tới môi trường so với các loại vật liệu khác.

GaN được sử dụng như thế nào trong ngành công nghiệp điện tử?

Gallium nitride từ lâu đã được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện cao tần và quang điện tử nhưng hiện được ứng dụng phổ biến trong một số ứng dụng chuyển mạch và chuyển đổi nguồn. Cụ thể, các chip dựa trên GaN có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống, tiết kiệm không gian và cung cấp hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ cao hơn.

Các sản phẩm điện thoại và laptop, tín hiệu mạng di động GSM và Wi-Fi được truyền và nhận bằng thiết bị thiết bị thu phát sóng vô tuyến có chứa GaN, trong khi nhiều bộ sạc và bộ chuyển đổi năng lượng cho các thiết bị này cũng được tích hợp GaN.

Trên thực tế, thị trường lớn nhất về nguồn GaN hiện là sạc nhanh di động, với các chip GaN các bộ adaptor có thể sạc nhanh gấp ba lần trong khi kích thước và trọng lượng chỉ bằng một nửa so với các thiết kế dựa trên silicon. Đối với bộ sạc một nguồn ra, giá thành bán lẻ của GaN chỉ bằng một nửa so với các bộ sạc silicon tốt nhất và thấp hơn ba lần so với các bộ sạc nhiều đầu ra.

 

Gallium nitride được sử dụng trong bộ sạc của Anker (Ảnh: The Verge)

Gallium Nitride được coi là chất bán dẫn cực tốt với nhiều ưu điểm vượt trội và được ứng dụng trong các máy chủ của các trung tâm dữ liệu. Khi lưu lượng truy cập vào trung tâm dữ liệu tăng đột biến đến một ngưỡng nhất định, khả năng xử lý điện năng của silicon sẽ gặp phải rào cản về giới hạn "vật liệu vật lý". Kết quả là, chip silicon bị đẩy lùi lại phía sau so với chip GaN tốc độ cao.

Trong ngành công nghiệp ôtô, Gallium Nitride đang trở thành công nghệ được lựa chọn để chuyển đổi năng lượng và sạc pin trong các loại xe hybrid và xe điện. Các sản phẩm dựa trên GaN cũng có thể được tìm thấy trong các bộ biến tần lắp đặt trên các thiết bị điện mặt trời và các ứng dụng công nghiệp khác.

GaN sẽ thay thế silicon?

Theo Vnexpress.net, để khai thác hết khả năng của chip GaN, phần còn lại của mạch cũng phải có khả năng chạy hiệu quả ở tần số cao hơn. Trong những năm gần đây, các vi mạch điều khiển đã được giới thiệu để sử dụng các tần số chuyển mạch từ 65 đến100 kHz lên đến 1 MHz +. Bộ vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) cũng có thể được sử dụng để triển khai cấu trúc liên kết chuyển mạch mềm, trong khi một loạt các vật liệu từ tính được tối ưu hóa cho dải tần 1 - 2 MHz hiện đã có sẵn.

GaN hiện được xử lý bằng thiết bị CMOS 250-350 nm cho ra kích thước tương đối lớn phù hợp để xử lý năng lượng. CPU, GPU sử dụng silicon được xử lý dưới 10 nm rất tốt cho quá trình xử lý kỹ thuật số. Vì vậy điểm tối ưu là sử dụng GaN để "chuyển đổi điện năng" và silicon để "xử lý dữ liệu". Với hiệu suất ngày càng được cải tiến, chip gallium nitride sẽ là chất xúc tác cho cuộc cách mạng lần thứ hai trong lĩnh vực điện tử công suất.

Ngọc Liên (T/h)