Transistor 2D vừa đạt một cột mốc đáng chú ý khi ASML, TSMC và Imec công bố quy trình chế tạo cả nFET lẫn pFET trên wafer đường kính 300 mm. Thành công này cho thấy vật liệu 2D đang tiến gần hơn tới khả năng được sản xuất bằng quy trình tương thích với các nhà máy chip hiện nay.
ASML, TSMC và Imec tạo transistor 2D trên wafer 300 mm
Tại hội nghị về công nghệ và vi mạch VLSI 2026 diễn ra tại Hawaii, Trung tâm nghiên cứu bán dẫn Imec của Bỉ, nhà sản xuất thiết bị quang khắc ASML của Hà Lan và TSMC của Đài Loan đã công bố kết quả hợp tác trong việc phát triển quy trình sản xuất bóng bán dẫn sử dụng vật liệu 2D.
Ba đơn vị cho biết đã nghiên cứu và chế tạo thành công cả hai loại bóng bán dẫn bổ trợ nFET và pFET trên cùng một tấm wafer tiêu chuẩn có đường kính 300 mm. Khoảng cách giữa các cực cổng đạt mức 50 nm, trong khi chiều dài kênh dẫn được thu hẹp xuống 28 nm.
Đáng chú ý, tỷ lệ transistor hoạt động ổn định đạt tới 94% trên toàn bộ wafer 300 mm. Đây được xem là một bước tiến quan trọng bởi công nghệ transistor 2D trước đây chủ yếu được phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm, trong khi việc chuyển sang wafer lớn với tỷ lệ hoạt động cao là một thách thức hoàn toàn khác.
Theo thông tin được dẫn từ Tom’s Hardware, đây là lần đầu tiên transistor 2D bổ trợ đạt kích thước như vậy bằng một quy trình tương thích với môi trường sản xuất chip công nghiệp hiện nay.
Vật liệu 2D có thể giúp ngành chip tiếp tục thu nhỏ transistor
Trong hơn 50 năm, ngành công nghiệp bán dẫn đã dựa vào Định luật Moore để liên tục thu nhỏ transistor, qua đó tăng mật độ bóng bán dẫn trên chip và cải thiện hiệu năng, chi phí cũng như mức tiêu thụ năng lượng.
Tuy nhiên, silicon, vật liệu nền tảng của phần lớn chip xử lý hiện đại, đang tiến gần hơn tới những giới hạn vật lý khi kích thước transistor ngày càng nhỏ. Khi transistor thu nhỏ, dòng điện có thể bắt đầu rò rỉ qua các rào cản phân cách. Hiện tượng này làm lãng phí năng lượng, tăng nhiệt và ảnh hưởng tới hiệu suất của thiết bị.
Ngành bán dẫn từng kéo dài quá trình thu nhỏ bằng những thay đổi về kiến trúc transistor như FinFET và Gate-All-Around (GAA). Dù vậy, giới chuyên gia cho rằng việc tiếp tục tiến sâu hơn trên lộ trình thu nhỏ sẽ cần đến những vật liệu mới.
Đây là lý do vật liệu 2D nhận được sự quan tâm lớn. Không giống các vật liệu 3D truyền thống, vật liệu 2D chỉ có độ dày tương đương vài lớp nguyên tử. Đặc tính siêu mỏng này giúp kiểm soát dòng điện chạy qua transistor tốt hơn và hạn chế hiện tượng rò rỉ điện năng.
Vấn đề lớn nhất không nằm ở việc tạo ra một transistor 2D trong phòng thí nghiệm, mà là làm thế nào để sản xuất hàng tỷ transistor trên những tấm wafer lớn với tỷ lệ lỗi đủ thấp. Thành công mới của Imec, ASML và TSMC tập trung trực tiếp vào bài toán này.
Quy trình EUV giúp transistor 2D tiến gần sản xuất công nghiệp
Một trong những điểm đáng chú ý nhất trong kết quả hợp tác là việc sử dụng công nghệ quang khắc EUV của ASML kết hợp với kiến trúc transistor màng mỏng đảo ngược.
Sự kết hợp này cho phép nhóm nghiên cứu thu hẹp chiều dài kênh dẫn xuống 28 nm, đồng thời đạt tỷ lệ transistor hoạt động ổn định lên tới 94% trên wafer 300 mm.
Việc sử dụng quy trình tương thích với thiết bị quang khắc EUV hiện có mang ý nghĩa quan trọng đối với khả năng thương mại hóa. Nếu công nghệ transistor 2D có thể tiếp tục phát triển theo hướng này, các nhà sản xuất chip sẽ không nhất thiết phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống nhà máy chỉ để áp dụng vật liệu mới.
Đây cũng là một trong những lý do sự tham gia của ASML có ý nghĩa đặc biệt. Công ty đang cung cấp các hệ thống quang khắc đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất chip tiên tiến, vì vậy việc transistor 2D có thể được chế tạo với công nghệ EUV giúp rút ngắn khoảng cách giữa nghiên cứu và sản xuất thực tế.
TSMC giúp mở rộng triển vọng thương mại hóa transistor 2D
Bên cạnh Imec và ASML, sự tham gia của TSMC cũng là một yếu tố quan trọng trong dự án. Imec có thế mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ bán dẫn, ASML cung cấp thiết bị quang khắc, trong khi TSMC sở hữu năng lực sản xuất chip quy mô lớn.
Sự kết hợp của ba đơn vị tạo thành một chuỗi hoàn chỉnh hơn, từ nghiên cứu vật liệu và kiến trúc transistor đến thiết bị sản xuất và khả năng triển khai ở quy mô lớn.
TSMC hiện là một trong những xưởng đúc chip lớn nhất thế giới, sản xuất chip cho nhiều công ty công nghệ lớn như Apple, Nvidia và AMD. Vì vậy, việc TSMC tham gia nghiên cứu transistor 2D cho thấy công nghệ này đang được xem xét trong bối cảnh sản xuất bán dẫn thực tế, thay vì chỉ là một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, kết quả hiện tại vẫn chưa đồng nghĩa transistor 2D đã sẵn sàng được đưa vào sản xuất hàng loạt. Việc đạt tỷ lệ transistor hoạt động cao trên wafer là một cột mốc quan trọng, nhưng ngành bán dẫn còn cần tiếp tục tối ưu hóa quy trình trước khi có thể thương mại hóa rộng rãi.
Transistor 2D được kỳ vọng giải quyết bài toán năng lượng
Sự phát triển của transistor 2D diễn ra trong bối cảnh nhu cầu tính toán ngày càng tăng, đặc biệt khi trí tuệ nhân tạo đang khiến các trung tâm dữ liệu tiêu thụ lượng điện năng lớn.
Ở phía thiết bị cá nhân, những tính năng AI chạy trực tiếp trên smartphone và laptop cũng đặt ra yêu cầu cao hơn đối với hiệu năng xử lý nhưng vẫn phải kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng.
Vật liệu 2D được kỳ vọng có thể giúp giải quyết một phần bài toán này nhờ khả năng kiểm soát dòng điện tốt hơn và hạn chế rò rỉ năng lượng. Về lâu dài, công nghệ có thể mở ra những thiết bị di động có thời lượng pin cao hơn, laptop mỏng nhẹ với nhu cầu tản nhiệt thấp hơn và các hệ thống tính toán AI hiệu năng cao có khả năng xử lý nhiều dữ liệu hơn.
Dù vậy, những lợi ích trên vẫn nằm trong phạm vi kỳ vọng đối với công nghệ. Cần thêm thời gian để xác định transistor 2D có thể mang lại mức cải thiện thực tế như thế nào khi được triển khai trong các chip hoàn chỉnh.
Chip vật liệu 2D khó xuất hiện đại trà trước năm 2030
Bất chấp bước tiến của Imec, ASML và TSMC, việc thương mại hóa transistor 2D vẫn cần một khoảng thời gian dài. Trong ngành bán dẫn, khoảng cách giữa một quy trình thử nghiệm thành công và sản xuất hàng loạt thường rất lớn.
Sau khi chứng minh khả năng chế tạo transistor trên wafer 300 mm, công nghệ vẫn cần trải qua quá trình tối ưu hóa, nâng cao độ ổn định và cải thiện khả năng sản xuất trước khi có thể được triển khai trên quy mô thương mại.
Theo dự đoán được nêu trong bài gốc, những ứng dụng thương mại đầu tiên của chip sử dụng vật liệu 2D có thể xuất hiện sớm nhất vào những năm 2030. Các hệ thống tính toán hiệu năng cao chuyên dụng được kỳ vọng sẽ là nhóm ứng dụng đi trước, trước khi công nghệ có thể tiến tới những thiết bị di động phổ thông.
Kết luận
Transistor 2D đang tiến thêm một bước quan trọng từ phòng thí nghiệm tới môi trường sản xuất bán dẫn thực tế khi Imec, ASML và TSMC chế tạo thành công nFET và pFET trên wafer 300 mm. Việc đạt tỷ lệ transistor hoạt động ổn định 94%, kết hợp với quy trình EUV tương thích công nghiệp, cho thấy vật liệu 2D có tiềm năng tiếp tục mở rộng giới hạn thu nhỏ chip. Dù chưa thể thương mại hóa ngay, đây vẫn là một cột mốc đáng chú ý trên hành trình phát triển thế hệ bán dẫn tiếp theo. Độc giả có thể theo dõi thêm các diễn biến mới về chip, AI và công nghệ tại orbitaltech.net.