Trung Quốc phát triển kỹ thuật tạo chip 2D nhanh 1.000 lần

Công trình của nhóm được đánh giá đưa ra cách tiếp cận mới nhằm khắc phục những hạn chế hiện tại về vật liệu và thúc đẩy sự phát triển thực tiễn của công nghệ chip này.

Theo Interesting Engineering, trong bối cảnh nhu cầu từ hệ thống AI và các mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) đẩy kiến trúc chip hiện tại đến giới hạn, ngành công nghiệp hiện tìm kiếm giải pháp vượt khỏi việc thu nhỏ bóng bán dẫn (transistor) thông thường. Trong nhiều thập kỷ, Định luật Moore nói rằng số lượng bóng bán dẫn trên mỗi inch vuông sẽ tăng gấp đôi sau mỗi năm, được coi là kim chỉ nam của các nhà sản xuất chip trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, khi kích thước của transistor tiến gần đến thang đo nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử, khả năng tản nhiệt và những hạn chế trong quá trình chế tạo khiến việc thu nhỏ hơn nữa ngày càng trở nên khó khăn. Lúc này, chất bán dẫn hai chiều (2D) trở thành hướng đi đầy hứa hẹn sau kỷ nguyên Định luật Moore, bằng cách cung cấp cấu trúc mỏng ở cấp độ nguyên tử giúp tiếp tục thu nhỏ kích thước transistor, đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng và hiệu suất.

Một mẫu chip gắn trên bo mạch. Ảnh: Freepik

Đến nay, việc kiểm soát tính chất điện trong các vật liệu siêu mỏng ở cấp độ nguyên tử chủ yếu dựa trên sự điều chỉnh hóa học chính xác. Trong đó, một lượng nhỏ nguyên tử "lạ" được đưa vào để thay đổi độ dẫn điện - quá trình gọi là pha tạp - cho phép tạo ra chất bán dẫn loại n (cực âm - giàu electron) và loại p (cực dương - giàu lỗ trống). Các vật liệu 2D loại n như molypden disulfua hay molypden diselenua đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và bắt đầu có tính ứng dụng.

Dù vậy, theo SCMP, việc tìm ra vật liệu loại p hiệu suất cao và ổn định đang là một thách thức đáng kể, khiến sự phát triển toàn diện của thiết bị bán dẫn 2D bị hạn chế. Các kiến trúc transistor hiện đại phụ thuộc sự kết hợp bổ sung giữa vật liệu loại n và loại p, khiến sự thiếu hụt tùy chọn loại p hiệu năng cao trở thành hạn chế lớn. Hạn chế này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi sản xuất chip dưới 5 nanomet - nơi sự cân bằng vật liệu rất quan trọng, giúp chip đạt hiệu suất cao khi hoạt động.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của Mengjian đã phát triển phương pháp mới cho sản xuất chip 2D quy mô lớn, bằng cách cải tiến kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học (CVD). Nhóm đưa vào lớp kép vàng/vonfram lỏng làm chất nền, cho phép tăng trưởng màng vonfram silic nitrua đơn lớp trên quy mô tấm wafer với các đặc tính pha tạp có thể điều chỉnh được.

Tiếp tục quá trình, phương pháp này giúp mở rộng các miền tinh thể đơn đến kích thước dưới milimet, qua đó cải thiện đáng kể tốc độ sản xuất từ khoảng 0,00004 inch trong 5 giờ lên khoảng 0,0008 inch mỗi phút, tức tăng khoảng 1.000 lần. Phần màng thu được đạt kích thước xấp xỉ 1,4 x 0,7 inch, đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới sản xuất quy mô lớn các vật liệu bán dẫn 2D hiệu suất cao.

Xét về hiệu năng, lớp đơn tinh thể vonfram silic nitrua kết hợp một số ưu điểm quan trọng, gồm độ linh động lỗ trống cao, mật độ dòng điện trạng thái bật (on-state current density) cao, độ bền cơ học mạnh mẽ, khả năng tản nhiệt hiệu quả và độ ổn định hóa học. Đây chính là những đặc tính tiềm năng cho thiết kế transistor tiên tiến.

"Transistor trong chip cần cả vật liệu loại n và loại p để hoạt động theo cặp. Sự thiếu hụt vật liệu loại p hiệu năng cao đã trở thành nút thắt quan trọng đối với sự phát triển của chất bán dẫn 2D, đặc biệt là khi sản xuất dưới tiến trình 5 nm. Đây cũng là một lĩnh vực khoa học và công nghệ đang được tranh giành quyết liệt", Zhu Mengjian nói với Science and Technology Daily cuối tuần qua.

Theo nhóm nghiên cứu, với khả năng sản xuất màng có diện tích lớn cũng như kiểm soát quá trình pha tạp chính xác, phương pháp mới có thể giúp đưa bán dẫn 2D tiến gần hơn đến sản xuất thực tế. Đặc biệt, với hỗ trợ tích hợp quy mô lớn vào kiến trúc CMOS, vật liệu này có tiềm năng lớn ứng dụng trong các công nghệ chip thế hệ tiếp theo.

Trong bối cảnh tăng cường tự chủ bán dẫn nhưng hầu hết công nghệ liên quan đến lĩnh vực này đang bị phía Mỹ kiểm soát và cấm vận, Trung Quốc đang tìm những hướng đi mới, trong đó có chip 2D. Đầu năm nay, nước này đã khai trương nhà máy sản xuất đặt tại khu vực Pudong New Area ở Thượng Hải, dự kiến sản xuất hàng loạt mẫu chip 2D đầu tiên có tên WUJI vào tháng 6.

WUJI sử dụng vật liệu "hai chiều" gọi là molypden disulfua. Không giống như các vật liệu truyền thống, vật liệu 2D này chỉ dày vài nguyên tử, cho phép tín hiệu điện truyền đi hiệu quả hơn, đồng thời tạo ra ít nhiệt đáng kể. Dự án này do Shanghai Atomic Technology, một công ty tập trung vào công nghệ "vượt thời kỳ Moore" thành lập tháng 2/2025, dẫn đầu.

Chip WUJI có 5.900 bán dẫn - nhỏ so với hàng tỷ bóng bán dẫn có trong các chip cao cấp, nhưng vượt xa kỷ lục 115 bóng trước đó. Nó cũng có sức mạnh tính toán lớn khi có thể thực hiện phép cộng và trừ đến 4,2 tỷ con số và xử lý lưu trữ dữ liệu ở mức gigabyte. Ngoài ra, chip có mức tiêu thụ điện năng cực thấp - yếu tố tiềm năng giúp ứng dụng trong các trung tâm dữ liệu quy mô lớn.

Theo đại diện Pudong, WUJI sẽ được sản xuất trên tiến trình tương đương 90 nm trong năm nay. Công ty đặt mục tiêu tạo chip trên tiến trình tương đương 28 nm vào năm 2027, cũng như 5 nm hoặc thậm chí 3 nm vào năm 2028 - tốc độ được đánh giá "rất nhanh", theo China Daily.

Năm ngoái, nhóm nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh cũng tuyên bố tạo ra bước đột phá trong công nghệ chip 2D, có khả năng định hình lại cuộc đua chất bán dẫn. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Nature Materials cho thấy, transistor 2D do nhóm phát triển được cho là nhanh hơn 40% chip silicon 3 nanomet mới nhất của Intel và TSMC, trong khi tiêu thụ năng lượng ít hơn 10%. Nhóm khi đó cho biết, sự đổi mới này có thể cho phép Trung Quốc vượt qua hoàn toàn những thách thức của việc sản xuất chip dựa trên silicon.

Bảo Lâm tổng hợp