Chất bán dẫn GaN đang thay thế silicon

(PCWorldVN) Alex Lidow dành phần lớn sự nghiệp của mình để phát triển một chất thay thế hiệu quả cho silicon.

• Silicon - Chìa khoá cho điện toán lượng tử
• Bộ xử lí ARM & Intel: Đâu là sự khác biệt
• Intel Atom đang ở đâu?
• Top 5 smartphone 64-bit đang ‘hot’ trên thị trường
• Chip Qualcomm 64-bit xóa bỏ ranh giới Internet có dây và di động

Silicon hiện đang là chất liệu hoàn hảo. Trong 60 năm qua, silicon là chọn lựa của chất bán dẫn, là trái tim của transistor, là những bộ chuyển mạch siêu nhỏ hình thành nên kỷ nguyên thông tin.

Cái tên thung lũng công nghệ cao Silicon Valley ở Mỹ cũng xuất phát từ khái niệm vật liệu này. Bên cạnh đó, còn có nhiều đế chế hàng tỷ đô la được gầy dựng từ nó. Và bây giờ, khi nhìn lại, có thể sắp tới silicon sẽ bị thay thế.

Transistor GaN có thời gian chuyển trạng thái nhanh hơn transistor silicon.

Có một chất bán dẫn mới, đầy thú vị vừa xuất hiện: gali nitrat, hoặc GaN. Transistor làm từ GaN có thể chuyển trạng thái bật/tắt nhanh hơn và chịu được điện thế cao hơn so với transistor làm từ silicon. Nếu tích tụ những transistor GaN này lại trên một bản mạch thì có thể tạo ra được sản phẩm nhỏ hơn, nhanh hơn, thông minh hơn và hiệu quả hơn về năng lượng. Trong khi các transistor GaN chưa được đưa vào các con chip PC thì chúng đã được áp dụng cho các sản phẩm mẫu trong xe tự lái và nón thực tế ảo, mở đường đi đến các loại thiết bị điện tử tiêu dùng và y khoa hoàn toàn mới. Bạn hãy nghĩ đến các thiết bị sạc không dây và thuốc uống X-quang.

Nhân vật đáng chú ý nhất trong cuộc cách mạng GaN là Alex Lidow, nhà vật lý học và CEO của Efficient Power Conversion (EPC) ở El Segundo, California, Mỹ. Lidow năm nay 60 tuổi, dành phần lớn thời gian để tìm một chất liệu có thể vận hành nhanh hơn và chống chọi được điều kiện khắc nghiệt hơn silicon.

Trong 2 thập kỷ vừa qua, ông và hàng chục nhà khoa học khác nỗ lực đưa transistor GaN ra khỏi giai đoạn thí nghiệm để tiếp cận đến được giai đoạn triển khai thí điểm và có thể đưa vào sản xuất tại các nhà máy sản xuất chất bán dẫn chuẩn. Transistor của EPC hiện chỉ có trên vài sản phẩm. Nhưng trong vòng 18 tháng qua, các phương pháp sản xuất đã cải thiện nhiều và đủ "lông cánh" có thể thương mại hoá.

Alex Lidow.

Lidow khẳng định: "Lần đầu tiên trong 60 năm qua, tôi có thể nói rằng 'tôi có thể làm cho thứ này tốt hơn và rẻ hơn'".

Vào năm 1977, Lidow đồng phát minh ra một loại transistor dựa trên chất liệu silicon tên là MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor). Transistor này ngày nay có giá khoảng 0,17 USD, tương đương 3.000 đồng, và hiện được ứng dụng để chuyển tín hiệu điện trong vô vàn sản phẩm điện tử, từ nguồn cung điện cho máy chủ cho đến chiếc máy giặt. Một trong những nhà cung cấp MOSFET lớn nhất thế giới là International Rectifier (IR), là công ty do ông và cha của Lidow thành lập, sau này có trị giá đến 3 tỷ USD sau khi Lidow phát minh ra MOSFET. Với sự xuất hiện của transistor GaN mới, có thể nó có khả năng thay thế MOSFET và cách mạng hoá mảng quản lý điện năng.

Bởi vì transistor GaN có thể bật và tắt nhanh hơn transistor silicon nên chúng ta có thể điều khiển nó chính xác hơn. Do đó, có thể thiết kế các hệ thống chuyển đổi điện nhỏ hơn, hiệu quả hơn để sử dụng trong công nghiệp và gia đình. Umesh Mishra, giáo sư cơ điện tại đại học California, Mỹ, cho rằng nguồn điện năng cung cấp và adapter điện hiện rất cần công nghệ mới để vận hành hiệu quả hơn. Nếu thiết bị điện sử dụng transistor GaN, thế giới có thể tiết kiệm đến khoảng 40 nhà máy điện nguyên tử trên toàn cầu mỗi năm.

Bộ Quốc phòng và Bộ năng lượng Mỹ đã tài trợ cho Misha tiếp tục nghiên cứu về transistor GaN trong vòng 2 thập kỷ, và hiện nay có một số sản phẩm dùng transistor GaN trong radar quân đội và các hệ thống thông tin liên lạc.

Vào năm 2007, Mishra đồng sáng lập Transphorm, là công ty chuyên bán transistor GaN để chuyển đổi dòng điện. Khách hàng lớn của công ty là Tât Power Solar của Ấn Độ và Yaskawa Electric của Nhật. Transphorm được Google Ventures và Kleiner Perkins Caufield & Byers tài trợ hơn 125 triệu USD. Những công ty lớn chuyên sản xuất chất bán dẫn như Infineon Technologies và Panasonic cũng đang sản xuất transistor GaN cho các ứng dụng điện.

Transistor GaN dưới kính hiển vi.

Không giống với những nhà khoa học khác, Lidow đang theo đuổi các ứng dụng có lợi nhiều hơn. Lidow cho biết: "Họ chỉ đang đáp ứng cho thị trường hiện thời. Còn chúng tôi, chúng tôi tạo ra các thị trường mới và thực sự tạo ra những ngành kinh doanh mới."

Năm 2007, Lidow không giữ chức CEO ở IR nữa khi công ty trị giá 14 triệu USD lúc ấy bị người Nhật mua lại. Sau đó, ông quyết định khởi nghiệp một công ty khác tên là EPC, và thuê các nhà nghiên cứu, những người từng phát triển gallium nitride từng làm việc với ông tại IR về làm cho ông.

Lidow và một thương nhân Đài Loan tên là Archie Hwang (ông chủ một nhà máy sản xuất chất bán dẫn) mỗi người bỏ ra 25 triệu USD vào EPC và cùng nhau phát triển gần 99% công ty này. IR và Lidow lôi nhau ra tòa và mãi đến tháng 6/2013 thì vụ việc mới ổn thỏa. EPC đồng ý trả tiền bản quyền về transistor GaN mà họ bán ra. Năm ngoái, Infineon mua lại IR.

Năm nay, EPC dự kiến sẽ bán được hàng triệu transistor GaN, với giá từ 0,4 USD cho đến vài USD. EPC nhắm đến thị trường xe hơi tự lái, là dòng sản phẩm cần khả năng chuyển đổi trạng thái bật/tắt của transistor nhanh, có thể nhanh hơn đến 10 lần so với transistor silicon hiện thời. Các nhà sản xuất thiết bị truyền thông cũng đã dùng transistor của EPC để cải thiện tín hiệu các trạm thu/phát sóng không dây. Các công ty sản xuất hàng điện tử tiêu dùng cũng chế tạo ra thuốc dựa trên GaN, dự kiến tung ra thị trường vào năm nay, có thể chụp ảnh X-quang đường ruột mà không cần dùng đến ống soi X-quang. Các nhà khoa học có thể thu nhỏ các máy chụp X-quang chỉ còn bằng viên thuốc nhờ loại transistor GaN này.

Lidow không cho biết hiện ông có bao nhiêu khách hàng, nhưng ông tiết lộ trong đó có cả Microsemi, là nhà sản xuất chip và thiết bị điện ở California, chuyên sử dụng transistor GaN trong các vệ tinh, WiTricity; và một công ty khởi nghiệp đang phát triển hệ thống sạc không dây, có thể sạc thiết bị ở khoảng cách vài gang tay. Một khách hàng khác của EPC là FINsix chuyên sản xuất bộ sạc cho laptop với kích thước chỉ bằng cái bật lửa.

Theo nhận định của Gartner, ngành công nghiệp chất bán dẫn không phải là ngành "dễ kiếm ăn". Trong khi GaN có những đặc tính, yếu tố rất hấp dẫn thì nó vẫn cần tiếp tục chứng minh nó có lợi thế rõ rệt về mặt hiệu năng và chi phí sản xuất. Khi transistor GaN muốn tiến đến thay thế transistor silicon trong PC hay điện thoại thông minh thì có nghĩa là GaN còn mất rất nhiều thời gian. Trong vài năm tới, các nhà công nghiệp dự đoán transistor GaN sẽ vượt qua thị trường transistor silicon.