Cơ quan Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Mỹ (DARPA) đã giao nhiệm vụ cho Raytheon phát triển chất bán dẫn kim cương tổng hợp và Nitride nhôm nhằm đối phó với sự thống trị của Trung Quốc trong ngành sản xuất đất hiếm, trong đó có Gallium.
Đáp lại các biện pháp hạn chế xuất khẩu Gallium của Trung Quốc, Cơ quan các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) đã giao cho Raytheon dẫn đầu việc phát triển chất bán dẫn từ kim cương tổng hợp và Nitride nhôm.
Trong một động thái nhằm đảm bảo chuỗi cung ứng chất bán dẫn, Mỹ đã công bố một sáng kiến mới nhằm phát triển các chất bán dẫn dựa trên kim cương tổng hợp. Quyết định táo bạo này được đưa ra khi Trung Quốc áp đặt các hạn chế xuất khẩu mới đối với Gallium, một vật liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chất bán dẫn tiên tiến.
Cơ quan Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Mỹ (DARPA) đã giao nhiệm vụ cho Raytheon phát triển chất bán dẫn kim cương tổng hợp và Nitride nhôm nhằm đối phó với sự thống trị của Trung Quốc trong ngành sản xuất đất hiếm, trong đó có Gallium.
DARPA là một cơ quan trực thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, có nhiệm vụ phát triển các công nghệ đột phá nhằm duy trì lợi thế toàn diện của quân đội Hoa Kỳ. DARPA nổi tiếng với nhiều dự án tiên phong, bao gồm việc phát triển những công nghệ quan trọng như Internet (ARPANET), GPS, và công nghệ máy bay không người lái.
Raytheon sẽ phát triển UWBGS (Ultra-Wide Bandgap Semiconductors, tức là Bán dẫn có khoảng cách dải siêu rộng) hiện đại với công nghệ kim cương và Nitride nhôm cho DARPA
Trung Quốc siết chặt xuất khẩu Gallium: Ảnh hưởng đến Mỹ và Tây Âu
Ngày 01 tháng 10 năm 2024, Trung Quốc bắt đầu thực thi các biện pháp kiểm soát xuất khẩu mới đối với Gallium, một loại vật liệu đất hiếm thiết yếu trong sản xuất các chất bán dẫn công suất cao, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghệ quân sự đến công nghệ dân dụng. Gallium là một thành phần quan trọng trong các hợp chất như Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN), được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chip bán dẫn, đi-ốt phát quang (LED), laser và mạng 5G.
Trung Quốc đang kiểm soát khoảng 80% nguồn cung Gallium toàn cầu, nên các biện pháp hạn chế xuất khẩu của quốc gia này trở thành mối đe dọa đáng kể đối với các ngành công nghiệp phụ thuộc vào vật liệu này. Các quy định mới khẳng định sự kiểm soát của nhà nước đối với các nguồn tài nguyên đất hiếm, giới hạn xuất khẩu đến các quốc gia như Mỹ và Tây Âu.
Các biện pháp kiểm soát này là một phần trong chiến lược rộng lớn của Trung Quốc nhằm tận dụng vị thế thống trị của mình trong chuỗi cung ứng các vật liệu quan trọng giữa bối cảnh cạnh tranh thương mại và công nghệ ngày càng căng thẳng với Mỹ.
Biện pháp hạn chế này làm gián đoạn chuỗi cung ứng toàn cầu và gia tăng áp lực buộc Mỹ phải tìm ra các vật liệu bán dẫn thay thế nhằm duy trì lợi thế công nghệ.
Sáng kiến của DARPA về phát triển chất bán dẫn dựa trên kim cương
Biểu đồ minh hoạ mô tả liên kết hóa học của kim cương tổng hợp
Để đối phó với các biện pháp hạn chế Gallium của Trung Quốc, DARPA đã giao cho Raytheon dẫn đầu việc phát triển chất bán dẫn kim cương tổng hợp và Nitride nhôm.
Quan hệ đối tác này nhằm mục đích chuyển ngành công nghiệp bán dẫn của Mỹ khỏi sự phụ thuộc vào các loại vật liệu quý hiếm do Trung Quốc kiểm soát.
Theo Tom’s Hardware (thuộc Future US Inc, một tập đoàn truyền thông quốc tế và xuất bản kỹ thuật số), trọng tâm là tận dụng các vật liệu bán dẫn sản xuất chip băng rộng có thể vượt trội hơn Gallium Nitride (GaN), một vật liệu được sử dụng rộng rãi trong ngành điện tử công suất cao hiện nay.
Ưu điểm của kim cương tổng hợp và Nitride nhôm
Gallium Nitride đã là một vật liệu bán dẫn hàng đầu nhờ khả năng xử lý công suất cao và băng rộng 3,4 electron-volt (eV).
Trong khi đó, kim cương tổng hợp cung cấp hiệu suất tốt hơn, với băng rộng khoảng 5,5 eV, mang lại độ dẫn điện cao hơn, quản lý nhiệt tốt hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn.
Ngoài ra, Nitride nhôm (AIN) có băng rộng lớn hơn khoảng 6,2 eV, là một lựa chọn tiềm năng đầy hứa hẹn có thể cải thiện các ứng dụng tần số cao và điện áp cao.
Electron-volt là đơn vị đo lường thường được sử dụng để đo năng lượng của các hạt trong 1 nguyên tử như electron, proton, neutron; đo năng lượng của photon (các hạt ánh sáng) và cũng được sử dụng để tính toán năng lượng liên kết giữa các hạt trong nguyên tử.
Vì vậy, kim cương tổng hợp và Nitride nhôm mang lại hiệu suất cao hơn hẳn so với Gallium Nitride (GaN) truyền thống.
Những đặc tính độc đáo của các vật liệu này khiến chúng được sử dụng phù hợp với các công nghệ tiên tiến, bao gồm hệ thống radar, bộ khuếch đại tần số vô tuyến và thiết bị truyền thông tốc độ cao.
Kế hoạch phát triển hai giai đoạn của Raytheon
Cách tiếp cận của Raytheon đối với dự án này là chiến lược hai giai đoạn nhằm đẩy nhanh việc áp dụng chất bán dẫn từ kim cương tổng hợp và Nitride nhôm.
Giai đoạn một: Phát triển màng bán dẫn
Trong giai đoạn đầu, nhóm Công nghệ Tiên tiến của Raytheon sẽ tập trung vào việc tạo ra các màng kim cương tổng hợp và Nitride nhôm chất lượng cao. Những màng này sẽ được sử dụng để phát triển các thiết bị bán dẫn, như công tắc tần số vô tuyến, bộ giới hạn và bộ khuếch đại. Mục tiêu là thiết lập một quy trình khả thi để tích hợp các vật liệu này vào các thành phần vi mạch điện tử.
Colin Whelan, Chủ tịch Bộ phận Công nghệ Tiên tiến tại Raytheon
Theo ông Colin Whelan, Chủ tịch Bộ phận Công nghệ Tiên tiến tại Raytheon: “Sáng kiến này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc cách mạng hóa công nghệ bán dẫn. Kinh nghiệm của đội ngũ chúng tôi trong việc phát triển các vật liệu như Gallium Arsenide và Gallium Nitride cho các hệ thống của Bộ Quốc phòng sẽ là yếu tố then chốt để thúc đẩy sự tiến bộ của những vật liệu mới này.”
Giai đoạn hai: Mở rộng quy mô sản xuất
Giai đoạn thứ hai, Raytheon sẽ tập trung vào việc mở rộng quy mô quá trình sản xuất bằng cách tối ưu hóa công nghệ kim cương tổng hợp và Nitride nhôm cho các tấm wafer có đường kính lớn hơn. Những tấm wafer lớn hơn là yếu tố cần thiết cho sản xuất hàng loạt, đặc biệt là trong các ứng dụng cảm biến cho thị trường quân sự và thương mại dân dụng.
Bằng cách thúc đẩy công nghệ này, Raytheon hy vọng sẽ cung cấp các giải pháp bán dẫn thế hệ tiếp theo có khả năng nâng cao hiệu suất của các hệ thống vũ khí hiện đại tốc độ cao và các mạng lưới truyền thông.
Tầm quan trọng của vật liệu mới đối với an ninh quốc gia của Mỹ
Chất bán dẫn là thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống công nghệ cao, bao gồm cả hệ thống vũ khí, điện tử và viễn thông. Việc sản xuất chất bán dẫn trong nước sẽ giúp Hoa Kỳ bảo vệ an ninh quốc gia trước các rủi ro về chuỗi cung ứng từ các quốc gia không thân thiện.
Việc thúc đẩy phát triển chất bán dẫn kim cương tổng hợp và Nitride nhôm không chỉ đơn thuần là về tiến bộ công nghệ, mà còn là phương thúc giải quyết các mối quan ngại trọng yếu về an ninh quốc gia. Bằng cách giảm sự phụ thuộc vào các vật liệu đất hiếm của Trung Quốc, Mỹ đặt mục tiêu củng cố chuỗi cung ứng chất bán dẫn của mình trước các nguy cơ gián đoạn tiềm tàng của nền công nghiệp quốc phòng.
Động thái này rất phù hợp với các nỗ lực lớn của Mỹ nhằm đảm bảo nguồn cung chất bán dẫn cho công nghệ quan trọng trong nước và duy trì lợi thế cạnh tranh so với các đối thủ.
Khi Trung Quốc tiếp tục tận dụng quyền kiểm soát của mình đối với các vật liệu then chốt từ đất hiếm, sự phát triển của các giải pháp bán dẫn thay thế ngày càng trở nên quan trọng đối với an ninh quốc gia và nền công nghiệp quốc phòng của Mỹ.
Sản xuất hàng loạt các vật liệu mới – Thách thức phía trước
Mặc dù kim cương tổng hợp và Nitride nhôm hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại những thách thức to lớn. Một trong những thách thức chính là việc xây dựng cơ sở hạ tầng công nghệ và thiết lập dây chuyền sản xuất hàng loạt phục vụ cho nhu cầu quốc phòng và thị trường thương mại.
Hiện nay, kim cương tổng hợp được coi là một vật liệu mới nổi, với cơ sở hạ tầng sản xuất quy mô lớn còn hạn chế. Chi phí nghiên cứu, xây dựng công nghệ cao liên quan đến việc sản xuất kim cương tổng hợp cũng là một rào cản đối với việc áp dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử.
Nitride nhôm, mặc dù đã phát triển hơn kim cương tổng hợp ở một số khía cạnh, nhưng vẫn cần mạnh dạn đầu tư đáng kể để đạt được quy mô cần thiết cho thị trường thương mại.
Việc phát triển các quy trình sản xuất những vật liệu này và đảm bảo tích hợp chúng vào công nghệ bán dẫn hiện có sẽ đòi hỏi những nỗ lực mạnh mẽ trong đầu tư nghiên cứu và phát triển, sau đó đưa vào sản xuất hàng loạt.
Mỹ nỗ lực đa dạng hóa chuỗi cung ứng chất bán dẫn
Sáng kiến này là một phần của xu hướng lớn mà trong đó chính phủ Mỹ đang tích cực thực hiện các biện pháp mạnh nhằm đa dạng hóa chuỗi cung ứng chất bán dẫn của mình. Đạo luật CHIPS, được ký thành luật vào năm 2022, cung cấp nguồn tài trợ để tăng cường sản xuất chất bán dẫn trong nước.
Đạo luật CHIPS năm 2022 của Hoa Kỳ, hay còn được gọi đầy đủ là CHIPS and Science Act of 2022, là một đạo luật quan trọng được ban hành nhằm thúc đẩy sản xuất chất bán dẫn trong nước, tăng cường cạnh tranh khoa học và công nghệ của Hoa Kỳ. Đạo luật này có nhiều mục tiêu chiến lược với sự tập trung vào việc giảm phụ thuộc vào nguồn cung từ nước ngoài, củng cố chuỗi cung ứng, và đảm bảo vai trò dẫn đầu của Hoa Kỳ trong các ngành công nghệ quan trọng.
Ngoài ra, Đạo luật này được ban hành không những nhằm mục đích giảm sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp nước ngoài, đặc biệt là những nhà cung cấp có trụ sở tại các quốc gia đối thủ cạnh tranh ở châu Á như Đài Loan và Hàn Quốc, nơi đang là nguồn cung lớn nhất cho thị trường chip bán dẫn toàn cầu, mà còn giúp Hoa Kỳ bảo vệ an ninh quốc gia trước các rủi ro về chuỗi cung ứng từ các quốc gia không thân thiện.
Tổng thống Biden ký Đạo luật CHIPS and Science Act of 2022
Bằng cách tập trung vào các vật liệu mới, kế hoạch phát triển chất bán dẫn dựa trên vật liệu kim cương tổng hợp và Nitride nhôm hỗ trợ việc hoàn thành mục tiêu của Đạo luật CHIPS về việc xây dựng một ngành công nghiệp bán dẫn mạnh mẽ, đồng thời, giúp Mỹ trên bước đường nỗ lực dẫn đầu trong các lĩnh vực công nghệ thế hệ tiên tiến trong tương lai.
Các ứng dụng tương lai cho kim cương tổng hợp và Nitride nhôm
Những vật liệu mới này có thể mang lại lợi ích cho nhiều lĩnh vực hơn, ngoài quân sự. Kim cương tổng hợp và Nitride nhôm có thể sớm cung cấp sản phẩm chip bán dẫn cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao, xe điện và các hệ thống tiết kiệm năng lượng. Những đặc tính nhiệt và điện tuyệt vời của vật liệu khiến chúng trở thành nguyên liệu lý tưởng cho các ngành công nghiệp cần quản lý năng lượng hiệu quả.
Kim cương tổng hợp và Nitride nhôm cũng có thể nâng cao hiệu suất của các mạng 5G và 6G trong tương lai. Chúng có thể cải thiện cường độ tín hiệu, giảm độ trễ và tăng tốc độ truyền dữ liệu. Khi nhu cầu về các thiết bị công suất cao tăng lên, những vật liệu này có thể là chìa khóa để đối phó với các điều kiện khắc nghiệt về môi trường.
Phản ứng của Mỹ trước các biện pháp kiểm soát Gallium của Trung Quốc nhấn mạnh sự cần thiết phải có một chuỗi cung ứng chất bán dẫn an toàn. Bằng cách hợp tác với Raytheon, DARPA hy vọng sẽ giảm sự phụ thuộc vào các nguồn cung ứng nước ngoài và tăng cường an ninh quốc gia.
Ý tưởng sử dụng vật liệu mới có thể thay đổi bộ mặt công nghệ bán dẫn, mở ra những khả năng mới trong các lĩnh vực quân sự, truyền thông và thị trường tiêu dùng. Mặc dù vẫn còn những thách thức to lớn còn ở phía trước trong việc mở rộng sản xuất và giảm chi phí, nhưng lợi ích mà sáng kiến mang lại khiến nỗ lực này trở nên cần thiết để Mỹ duy trì lợi thế trong công nghệ tiên tiến.