Vật liệu bán dẫn biến đối không ngừng như thế nào? – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Vật liệu bán dẫn có thể được chế tạo từ nguồn silicon giá rẻ và phong phú trên thế giới cho tới các nguyên tố đất quý hiếm (Rare Earth Elements) đắt tiền. Pin mặt trời, các loại transistor hiệu ứng trường, cảm biến IoT và mạch điện cho xe tự lái đều cần tới vật liệu bán dẫn để hoạt động.

Ngày nay, với nguồn nguyên vật liệu phong phú, không khó để chế tạo ra được các vật liệu mới dùng trong ngành công nghiệp bán dẫn. Thị trường tiêu thụ và ứng dụng mới của vật liệu bán dẫn ngày càng mở rộng cũng khiến cho quy trình sản xuất và việc thu mua nguyên vật liệu sản xuất luôn có những biến đổi trong toàn ngành.

1. Các loại vật liệu bán dẫn

Để biết tại sao có những thay đổi trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, cần có hiểu biết chung nhất về các vật liệu bán dẫn hiện có trên thị trường và cấu tạo của chúng ảnh hưởng thế nào đến các thiết bị điện tử.

• Vật liệu bán dẫn phổ biến nhất

Các vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là silicon, germani và gali arsenua. Trong đó, germani là một trong những loại vật liệu được sử dụng sớm nhất. Germani có bốn electron hóa trị, là các electron nằm ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử. Số lượng electron hóa trị trong mỗi nguyên tử xác định độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn. Mặc dù đặt nền móng quan trọng cho quá trình phát triển của vật liệu bán dẫn, germani gần như đã không còn được sử dụng, thay vào đó là vị vua của ngành vật liệu bán dẫn hiện nay – silicon.

Silicon đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu bán dẫn từ những năm 1950 và là nguyên tố phổ biến nhất trên trái đất chỉ sau carbon. Nguyên tử silicon có bốn electron hóa trị và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn so với germani (silicon nóng chảy ở 1.414 độ C và 938,3 độ C đối với germani). Nguồn silicon có sẵn chứa rất nhiều trong thạch anh, trong khi đó các quy trình chiết xuất, tinh chế, kết tinh ra silicon đều đem lại hiệu quả và kinh tế rất cao. Silicon sau quá trình kết tinh tồn tại ở dạng tinh thể kim cương có các liên kết tương đối bền vững, điều này làm cho tinh thể silicon các đặc tính cơ học mạnh mẽ.

Gali arsenua là chất bán dẫn được sử dụng phổ biến thứ hai ngày nay. Không giống như silic và germani, gali arsenua là một hợp chất, không phải là một nguyên tố và được tạo ra bằng cách kết hợp gali gồm ba electron hóa trị với asen gồm năm electron hóa trị. Sở hữu tám electron hóa trị, vật liệu tạo ra bởi gali arsenua phản ứng rất nhanh nhạy với dòng điện, làm cho hợp chất này vô cùng phù hợp để khuếch đại các tín hiệu tần số cao nhìn thấy trong vệ tinh truyền hình. Tuy nhiên, gali arsenua có một số hạn chế như khó sản xuất hàng loạt hơn so với silicon, không chỉ vậy, các hóa chất được sử dụng trong sản xuất gali arsenua còn khá độc hại.

• Loại vật liệu bán dẫn đem lại hiệu quả nhất

Ngoài gali arsenua, hợp chất silicon dioxide lại có các đặc tính vượt trội hơn so với silicon, dễ dàng được sử dụng làm chất cách điện, bề mặt thụ động và lớp cấu trúc trong các linh kiện bán dẫn oxit kim loại, tạo ra một loại cổng cách điện trong tranzito sử dụng hiệu ứng trường. Silicon dioxide có độ bền trong chất điện môi cao hơn silicon, đạt hiệu quả cách điện cao.

• Một số cải tiến mới nhất của vật liệu bán dẫn

Mặc dù đóng vai trò quan trọng nhất của ngành công nghiệp chất bán dẫn trong hầu hết những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, nhưng silicon đang dần tiến tới giới hạn ứng dụng của nó. Giờ đây, nhu cầu về các mạch tích hợp ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn đã gần như tận dụng hết những lợi thế của vật liệu bán dẫn hiện tại, khiến cho các chuyên gia trong ngành lo ngại rằng silicon sẽ sớm đạt đến giới hạn theo như Định luật Moore: “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng”. Theo đó, việc nghiên cứu phát triển các vật liệu mới cũng đang dần được tiến hành, trong đó có một số loại vật liệu tiềm năng như:

• Gallium nitrit công suất cao: khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn, nhanh hơn trong các hệ thống lưới điện do trường năng lượng đạt tới giới hạn trên.
• Chất bán dẫn tạo bởi antimonit và bismuthit: đang được sử dụng trong các cảm biến hồng ngoại cải tiến cho lĩnh vực y tế và quân sự.
• Graphen: tiềm năng vượt qua silicon với ưu điểm là vật liệu bán dẫn đa năng, tuy nhiên việc thương mại hóa rộng rãi có thể phải mất đến 25 năm nữa.
• Pirit: có thể thay thế nguyên tố đất hiếm Cadmium tellurit, sử dụng rộng rãi trong pin mặt trời. Pirit dồi dào, giá thành rẻ và không gây độc hại.
  

  2. Tính chất của vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn có các đặc tính cụ thể liên quan mật thiết đến tính dẫn điện. Tương lai của ngành công nghiệp bán dẫn phụ thuộc vào việc các vật liệu mới với những đặc tính này có thể được sản xuất hàng loạt với chi phí không vượt quá silicon hay không.

• Phân biệt các vật liệu bán dẫn

Các vật liệu cho phép dòng điện đi qua được gọi là chất dẫn điện, ví dụ như vàng, bạc và đồng. Mặt khác, chất cách điện có điện trở cao và ngăn không cho dòng điện đi qua, như cao su, thủy tinh và gốm sứ là chất cách điện. Đúng như tên gọi của nó, chất bán dẫn sở hữu các đặc tính của cả chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thường tồn tại ở dạng tinh thể, có số lượng điện tử tự do thấp, đây là ưu điểm thuộc về tính chất cách điện. Cùng với đó, các nguyên tử của chúng nhóm lại với nhau để tạo thành một mạng tinh thể mà qua đó có thể dẫn điện, nhưng tính chất này cũng kèm theo những yêu cầu về điều kiện thích hợp. Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn cho phép dẫn ít hoặc không dẫn điện và hoạt động như một chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng hoặc khi tiếp xúc với ánh sáng, tăng điện áp hoặc nhiệt, chúng lại có thể dẫn điện. Chính bởi tính chất trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện làm cho chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng đối với các thiết bị điện tử, bởi với sự có mặt của chúng, việc kiểm soát cách thức, thời gian và nơi dòng điện chạy qua trở nên vô cùng thuận lợi.

• Hoạt động của chất bán dẫn

Để có dòng điện, cần có sự dịch chuyển tự do của các electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, do đó kim loại có tính dẫn điện vì các electron của chúng dễ dàng bật ra khỏi nguyên tử. Trong khi đó các chất bán dẫn như silicon nguyên chất có ít electron tự do và hoạt động giống với chất cách điện hơn.

Tính chất dẫn điện của silicon có thể được tăng cường thông qua một quá trình gọi là pha tạp – trộn các tạp chất nhỏ vào vật liệu bán dẫn. Các tạp chất thêm sẽ bổ sung nguyên tử vào vật liệu nền, từ đây tăng tính dẫn điện. Lượng tạp chất được thêm vào vật liệu bán dẫn là rất nhỏ, tỷ lệ khoảng một nguyên tử pha tạp trên tổng mười triệu nguyên tử bán dẫn. Tuy hệ số vô cùng bé, nhưng đủ để tăng tính dẫn điện lên đáng kể. Có hai loại tạp chất được sử dụng là loại N và loại P:

• Chất bán dẫn loại N được pha tạp thêm phốt pho hoặc asen, cả hai chất trên đều có năm electron hóa trị. Khi được thêm vào mạng silicon, một trong số các electron pha tạp không có gì để liên kết, do đó luôn sẵn sàng cho phép dòng điện chạy qua. Electron mang điện tích âm nên chất bán dẫn này được gọi là chất bán dẫn loại N.

  

• Chất bán dẫn loại P được pha tạp với boron hoặc gali, hai nguyên tố pha tạp này chỉ có ba electron hóa trị. Khi chúng hòa trộn vào mạng silicon, một vài electron của silicon không có gì để liên kết nên cho phép dẫn điện qua vật liệu. Thiếu một điện tử liên kết làm thừa  ra một số điện tích dương, vì vậy silicon pha tạp với boron hoặc gali được gọi là chất bán dẫn loại P.

  

• Quy trình sản xuất vật liệu bán dẫn

Khi các mạch tích hợp được sản xuất, các thành phần trong mạch như bóng bán dẫn và hệ thống dây điện được đặt trên bề mặt của một tấm wafer tinh thể silicon mỏng. Các thành phần và linh kiện của mạch sẽ được phủ một chất chống quang, sau đó bảng mạch được chiếu bằng công nghệ quang khắc tạo một lớp mạch duy nhất với các bóng bán dẫn đặt ở tầng thấp nhất. Quá trình này sau đó được lặp lại với nhiều mạch được hình thành bằng cách chồng lên nhau và mặt đế bán dẫn.

3. Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Ngành công nghiệp sản xuất chất bán dẫn cung cấp phần cứng cơ bản cho hầu hết các thiết bị điện tử, khuếch đại năng lượng, chuyển mạch, chuyển đổi năng lượng và cảm biến,…

• Những linh kiện thường được làm từ chất bán dẫn

Các sản phẩm và linh kiện phổ biến được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn bao gồm:

• Bóng bán dẫn lưỡng cực
• Điốt
• Tranzito hiệu ứng trường
• Mạch tích hợp
• Tranzito hiệu ứng trường tiếp giáp
• Điốt phát sáng (đèn LED)
• Bóng bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường (MOSFET)
• Bộ chỉnh lưu điều khiển silicon

  

• Ngành công nghiệp sử dụng nhiều vật liệu bán dẫn nhất

Vật liệu bán dẫn là một thành phần thiết yếu để sản xuất các thiết bị điện tử, khiến chúng trở nên quan trọng đối với hầu hết các ngành công nghiệp chính. Theo thống kê trên thế giới, mỗi ngày có hơn một trăm tỷ chất bán dẫn được sản xuất ra.

Các lĩnh vực đặc thù phụ thuộc vào nguồn vật liệu bán dẫn bao gồm:

• Trí tuệ nhân tạo
• Năng lượng sạch
• Thông tin liên lạc
• Tin học
• Năng lượng
• Chăm sóc sức khỏe
• Internet kết nối vạn vật
• Quân sự
  

  4. Thị trường vật liệu bán dẫn

• Hoạt động của thị trường vật liệu bán dẫn toàn cầu 

  Thị trường vật liệu bán dẫn đạt giá trị hơn 50 tỷ USD vào năm 2018 và được dự báo sẽ vươn tới con số hơn 70 tỷ USD vào cuối năm 2025. CAGR – tỷ lệ tăng trưởng kép hằng năm dự kiến ​​cho giai đoạn 2018 và 2025 ước tính đạt 4,32%.

• Những giá trị vượt trội của vật liệu bán dẫn

Trong khi có một số vật liệu bán dẫn vừa rẻ vừa phong phú như silicon thì REE – các nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong sản xuất chất điện môi cao và đánh bóng cơ hóa học lại có giá thành rất cao. Các quy trình cần thiết để tìm kiếm và tách REE ra khỏi đá đều khó khăn và tốn kém, đòi hỏi hàng nghìn công đoạn để chiết xuất và tinh chế hoàn thiện, làm nên giá trị vô cùng cao của vật liệu này. Khó khăn trong việc khai thác REE từ nguyên liệu thô đã khiến nhiều công ty khai thác lựa chọn không đuổi theo lợi nhuận mà REE mang lại. Trung Quốc là một trong số ít những quốc gia tập trung vào khai thác và tinh chế REE, kết quả là quốc gia này sản xuất 85% nguồn cung vonfram và molypden cho thế giới. Việc Trung Quốc kiểm soát quy trình sản xuất REE cho phép nước này không chỉ nắm quyền định giá mà còn tận dụng vật liệu bán dẫn như một vũ khí chính trị. Vào năm 2010, Trung Quốc đã cắt đứt mọi hoạt động xuất khẩu REE cho Nhật Bản do những tranh chấp về việc Nhật Bản bắt giữ một thuyền trưởng tàu đánh cá Trung Quốc. Trong cuộc chiến thương mại Mỹ-Trung, điều đáng lo ngại là liệu Trung Quốc có lựa chọn dừng xuất khẩu REE hay không.

• Quy trình thu hồi và tái chế vật liệu bán dẫn

Hiện tại, tái chế REE đạt được nhiều thành công nhất khi giải quyết các sản phẩm bán dẫn cũ quy mô lớn, chẳng hạn như pin mặt trời, chất xúc tác ô tô và nam châm tuabin gió. Việc tái chế các vật liệu bán dẫn nhỏ hơn vấp phải rào cản về vấn đề tài chính, do chỉ có một lượng nhỏ vật liệu được thu hồi từ các sản phẩm riêng lẻ, chẳng hạn như điện thoại thông minh. Tái chế vật liệu bán dẫn cũng không phải là không phát sinh những chi phí về môi trường, một lượng lớn chất thải xuất hiện cùng với đó là phát thải nhiều chất gây ô nhiễm độc hại. Vấn đề đạo đức cũng đáng được lưu tâm khi nhiều sản phẩm bán dẫn đã qua sử dụng được đưa vào các cơ sở tái chế chất thải điện tử của một bên thứ ba, vốn nổi tiếng là những khu vực đói nghèo và bóc lột sức lao động trẻ em.

Cách rõ ràng nhất để giảm chi phí sử dụng REE là các quốc gia khác ngoài Trung Quốc bắt đầu khai thác và tinh chế REE của riêng họ. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi sự sẵn sàng đầu tư vào việc phát triển các quy trình khai thác, chiết xuất và tinh chế đem lại nhiều hiệu quả về kinh tế hơn.

Phạm Minh Anh (theo IEEE)