Ba tên tuổi hàng đầu của ngành bán dẫn vừa công bố một bước tiến quan trọng trong công nghệ sản xuất chip khi chế tạo thành công bóng bán dẫn vật liệu 2D trên tấm wafer tiêu chuẩn 300 mm.
Đây được xem là một trong những bước tiến đáng chú ý nhất nhằm kéo dài Định luật Moore khi silicon truyền thống đang dần chạm tới giới hạn vật lý.
Bóng bán dẫn vật liệu 2D tiến gần hơn tới sản xuất thương mại
Tại hội nghị VLSI 2026 diễn ra ở Hawaii, liên minh ASML, TSMC và Imec xác nhận đã sản xuất thành công cả hai loại bóng bán dẫn bổ trợ nFET và pFET trên cùng một tấm wafer 300 mm.
Đáng chú ý, các bóng bán dẫn mới đạt khoảng cách cực cổng chỉ 50 nm, đồng thời được chế tạo bằng quy trình tương thích với các nhà máy bán dẫn hiện nay. Đây là lần đầu tiên công nghệ bóng bán dẫn vật liệu 2D đạt được quy mô và độ chính xác đủ để hướng tới sản xuất công nghiệp.
Vì sao ngành chip cần bóng bán dẫn mới?
Trong hơn nửa thế kỷ qua, ngành công nghiệp bán dẫn liên tục thu nhỏ bóng bán dẫn theo Định luật Moore nhằm tăng hiệu năng và giảm điện năng tiêu thụ.
Tuy nhiên, khi kích thước bóng bán dẫn silicon ngày càng nhỏ, hiện tượng rò rỉ điện bắt đầu trở thành rào cản lớn. Điều này khiến chip tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, sinh nhiệt cao hơn và khó tiếp tục thu nhỏ như trước.
Các công nghệ như FinFET và Gate-All-Around đã kéo dài tuổi thọ của silicon, nhưng giới chuyên môn cho rằng cần một thế hệ bóng bán dẫn hoàn toàn mới để tiếp tục nâng cao hiệu suất xử lý.
Vật liệu 2D mở ra tương lai cho bóng bán dẫn
Khác với silicon truyền thống, vật liệu 2D chỉ dày vài lớp nguyên tử. Độ mỏng đặc biệt này giúp bóng bán dẫn kiểm soát dòng điện hiệu quả hơn, giảm đáng kể hiện tượng rò rỉ năng lượng.
Theo nhóm nghiên cứu, việc đưa bóng bán dẫn vật liệu 2D từ phòng thí nghiệm vào quy trình sản xuất quy mô lớn là thách thức lớn nhất trong nhiều năm qua. Để giải quyết bài toán này, ASML, TSMC và Imec đã kết hợp công nghệ quang khắc EUV với kiến trúc màng mỏng đảo ngược nhằm tối ưu khả năng sản xuất.
Kết quả, chiều dài kênh dẫn được thu hẹp xuống còn 28 nm, trong khi tỷ lệ bóng bán dẫn hoạt động ổn định đạt tới 94% trên toàn bộ wafer 300 mm.
ASML, TSMC và Imec tạo bước ngoặt cho ngành bán dẫn
Điểm đáng chú ý là công nghệ bóng bán dẫn mới vẫn có thể sản xuất bằng hệ thống máy quang khắc EUV hiện tại của ASML. Điều này giúp các hãng bán dẫn không phải đầu tư lại toàn bộ nhà máy để áp dụng công nghệ mới.
Sự tham gia của TSMC cũng cho thấy bóng bán dẫn vật liệu 2D không chỉ là thành tựu nghiên cứu mà còn có tiềm năng thương mại hóa thực tế trong tương lai. Với vai trò là đối tác sản xuất chip cho Apple, Nvidia, AMD và nhiều tập đoàn công nghệ lớn, TSMC có thể đẩy nhanh quá trình đưa công nghệ này ra thị trường.
Chìa khóa cho AI và thiết bị thế hệ mới
Khi AI ngày càng phát triển, nhu cầu về những con chip mạnh hơn nhưng tiết kiệm điện hơn trở nên cấp thiết. Công nghệ bóng bán dẫn vật liệu 2D được kỳ vọng sẽ giúp tạo ra smartphone có thời lượng pin dài hơn, laptop mỏng nhẹ hơn và các hệ thống AI hiệu năng cao với mức tiêu thụ điện thấp hơn.
Dù vậy, giới chuyên gia nhận định việc thương mại hóa bóng bán dẫn vật liệu 2D vẫn cần thêm nhiều năm nghiên cứu và hoàn thiện. Các sản phẩm đầu tiên sử dụng công nghệ này có thể xuất hiện vào đầu thập niên 2030 trước khi được phổ biến rộng rãi trên thị trường tiêu dùng.
