Tại hội nghị công nghệ và vi mạch VLSI 2026 diễn ra ở Hawaii (Mỹ), Trung tâm nghiên cứu bán dẫn Imec (Bỉ), nhà sản xuất thiết bị quang khắc ASML (Hà Lan) và tập đoàn sản xuất chip TSMC (Đài Loan) đã giới thiệu quy trình sản xuất thương mại bóng bán dẫn sử dụng vật liệu 2D siêu mỏng.
Ảnh: Dempa Digital
Theo công bố, liên minh này đã chế tạo thành công cả transistor nFET và pFET trên cùng một tấm wafer đường kính 300 mm tiêu chuẩn. Đáng chú ý, khoảng cách giữa các cực cổng đạt mức siêu nhỏ chỉ 50 nm, lần đầu tiên đưa transistor 2D bổ trợ tiến gần hơn tới khả năng sản xuất quy mô công nghiệp.
Trong hơn nửa thế kỷ qua, ngành công nghiệp bán dẫn phát triển dựa trên việc thu nhỏ transistor theo Định luật Moore, giúp tăng hiệu năng và giảm chi phí thiết bị. Tuy nhiên, vật liệu silicon truyền thống đang dần chạm đến giới hạn vật lý khi kích thước transistor ngày càng nhỏ, dẫn đến hiện tượng rò rỉ điện, sinh nhiệt và giảm hiệu suất.
Các kiến trúc tiên tiến như FinFET hay Gate-All-Around (GAA) từng giúp kéo dài chu kỳ phát triển, nhưng giới chuyên gia cho rằng ngành chip cần một hướng đi mới để tiếp tục duy trì đà tiến hóa.
Trong bối cảnh đó, vật liệu 2D – chỉ dày vài lớp nguyên tử – được xem là ứng viên đầy tiềm năng. Nhờ cấu trúc siêu mỏng, loại vật liệu này cho phép kiểm soát dòng điện tốt hơn, hạn chế đáng kể hiện tượng rò rỉ năng lượng vốn là bài toán nan giải của chip siêu nhỏ.
Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là đưa vật liệu 2D từ môi trường phòng thí nghiệm ra sản xuất công nghiệp hàng loạt. Việc chế tạo vài mẫu thử hoàn toàn khác với việc sản xuất hàng tỷ transistor trên wafer lớn với độ ổn định cao.
Điểm đột phá của liên minh ASML, TSMC và Imec là đã tối ưu hóa được quy trình sản xuất tương thích với dây chuyền hiện có. Bằng việc kết hợp công nghệ quang khắc EUV của ASML với kiến trúc transistor màng mỏng đảo ngược, nhóm nghiên cứu đã thu hẹp chiều dài kênh dẫn xuống còn 28 nm, đồng thời đạt tỷ lệ hoạt động ổn định lên tới 94% trên toàn bộ wafer 300 mm.
Sự hợp tác của ba đơn vị hàng đầu trong chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu được xem là yếu tố then chốt tạo nên bước tiến này. Imec đóng vai trò nghiên cứu chuyên sâu, ASML cung cấp hệ thống thiết bị quang khắc EUV độc quyền, trong khi TSMC đảm nhiệm khả năng sản xuất quy mô lớn.
Việc tận dụng được hạ tầng EUV hiện có của ASML giúp công nghệ transistor 2D có khả năng tích hợp vào các nhà máy chip hiện hữu, tránh việc phải xây dựng lại các siêu fab trị giá hàng chục tỷ USD. Đây được đánh giá là yếu tố quan trọng giúp rút ngắn đường đến thương mại hóa.
Trong bối cảnh trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh, nhu cầu về chip hiệu năng cao nhưng tiết kiệm điện ngày càng tăng. Các trung tâm dữ liệu tiêu thụ năng lượng khổng lồ, trong khi thiết bị di động cũng cần chip mạnh hơn để xử lý AI ngay trên thiết bị.
Công nghệ transistor 2D được kỳ vọng sẽ giải quyết bài toán này nhờ khả năng vận hành hiệu quả hơn và giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Trong tương lai, điều này có thể mở ra các thiết bị như smartphone pin lâu hơn, laptop mỏng nhẹ không cần quạt tản nhiệt, hoặc hệ thống siêu máy tính AI tiết kiệm năng lượng hơn hiện nay.
Tuy vậy, giới chuyên gia cũng cho rằng việc thương mại hóa rộng rãi còn cần thời gian. Theo lộ trình của ngành bán dẫn, từ giai đoạn nghiên cứu đến sản xuất đại trà thường kéo dài khoảng một thập kỷ. Vì vậy, các ứng dụng đầu tiên của chip 2D có thể chỉ xuất hiện vào đầu những năm 2030, trước khi lan rộng sang các thiết bị tiêu dùng phổ thông.
Bình luận
0