Một startup công nghệ của Pháp tên Diamfab tin rằng kim cương tổng hợp có thể trở thành vật liệu bán dẫn nền tảng tiếp theo — vượt trội cả silicon lẫn các vật liệu thế hệ mới như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) trong cuộc đua phát triển thiết bị điện tử công suất cao.
Trong nhiều thập kỷ, silicon là trụ cột của ngành bán dẫn. Nhưng theo CEO Gauthier Chicot, Diamfab — tách ra từ Viện Néel – CNRS — tin rằng kỷ nguyên mới sẽ thuộc về kim cương, nhờ những đặc tính vượt trội của nó trong các ứng dụng đòi hỏi xử lý điện năng lớn.
Công nghệ của Diamfab kế thừa hơn 30 năm nghiên cứu phát triển kim cương tổng hợp chất lượng cao tại môi trường học thuật, từ đó biến vật liệu này thành lựa chọn thay thế khả thi cho silicon, SiC hay GaN, đặc biệt trong điện tử công suất cao — lĩnh vực đòi hỏi khả năng chuyển đổi và phân phối dòng điện lớn với hiệu suất cao.
Kim cương không còn là vật liệu chỉ tồn tại trong phòng thí nghiệm. Nó đang trở thành vật liệu công nghiệp. Ở Nhật Bản, Ookuma Diamond Device đã huy động hơn 30 triệu euro, trong khi Diamond Foundry của Mỹ vừa công bố khoản đầu tư 753 triệu euro từ chính phủ Tây Ban Nha để xây dựng nhà máy chip trên nền kim cương tổng hợp. Với Diamfab, đây không phải sự cạnh tranh mà là tín hiệu cho thấy họ đang đi đúng hướng.
Chicot kể rằng ông đến với vật liệu này một cách tình cờ: “Tôi không chọn kim cương — kim cương chọn tôi. Khi làm luận án tiến sĩ, tôi có cơ hội nghiên cứu kim cương và nhận ra những phẩm chất đặc biệt của nó.”
Điện khí hóa đòi hỏi thế hệ vật liệu mới
Theo Chicot, xu hướng điện khí hóa — đặc biệt trong xe điện — đang khiến nhu cầu xử lý điện năng lớn tăng nhanh. Nhưng silicon đã gần đạt tới giới hạn trong các ứng dụng công suất cao.
“Trong 20–30 năm qua, ngành công nghiệp luôn tìm vật liệu thay thế silicon. Từ silicon, chúng ta chuyển sang silicon carbide — mỗi chiếc Tesla Model 3 đều sử dụng bộ chuyển đổi dòng điện SiC. Nhưng để tăng hiệu suất và đơn giản hóa hệ thống, vật liệu tốt nhất vẫn là kim cương. Nó vượt trội so với silicon carbide,” ông nói.
Kim cương chịu được điện áp gấp ba lần silicon carbide và gấp 13 lần silicon, đồng thời có khả năng tản nhiệt tốt hơn cả đồng. Vì vậy, thiết bị dùng kim cương có thể xử lý lượng điện rất lớn và tự tản nhiệt hiệu quả — điều giúp giảm nhu cầu về quạt hay hệ thống làm mát cồng kềnh trong xe điện.
Vật liệu này còn giúp giảm dấu chân carbon, vì chỉ cần một lượng nhỏ kim cương để chế tạo thiết bị. Ngoài điện tử công suất cao, kim cương còn phù hợp với môi trường khắc nghiệt như hàng không vũ trụ, lưới điện, hệ thống chịu bức xạ, cũng như các ứng dụng tần số vô tuyến, quang điện tử, cảm biến năng lượng cao và công nghệ lượng tử.
Từ nguyên mẫu đến sản xuất công nghiệp
Diamfab đang trong giai đoạn đầu của hành trình thương mại hóa, hiện cung cấp nguyên mẫu cho khách hàng. Tháng 3/2024, công ty huy động được 8,7 triệu euro và đang xây dựng một dây chuyền thí điểm để phát triển và thử nghiệm tấm nền wafer trong điều kiện gần với sản xuất thực tế. “Điều này cho thấy chúng tôi đã sẵn sàng bước vào giai đoạn công nghiệp hóa,” Chicot nói.
Một số thị trường ngách đã dùng kim cương như điện cực dẫn điện, giúp công ty tạo doanh thu ban đầu và học cách vận hành như một doanh nghiệp sản xuất.
Thách thức lớn nhất là thuyết phục các khách hàng vốn quen với công nghệ cũ. “Nhiều doanh nghiệp đã nghe về kim cương cách đây 10–20 năm. Khi đó công nghệ còn ở giai đoạn sơ khai. Giờ chúng tôi phải cập nhật cho họ thấy sự thay đổi,” Chicot nói.
Ông cho biết ngành công nghiệp châu Âu vốn bảo thủ, nhưng ngày càng nhiều doanh nghiệp tin rằng kim cương sẽ là vật liệu tiếp theo của điện tử công suất cao. “Sự quan tâm trên toàn cầu đang tăng mạnh. Vấn đề chỉ là thời điểm và số lượng các bên tham gia.”
Khi wafer mở rộng, các ông lớn sẽ vào cuộc
Ưu điểm lớn của công nghệ Diamfab là tương thích với chuỗi cung ứng hiện tại. Phần nền wafer và lớp hoạt động là đặc thù của kim cương, nhưng sau đó wafer có thể được xử lý trong các phòng sạch tiêu chuẩn, với các bước như phủ kim loại và quang khắc, dùng chung thiết bị với vật liệu bán dẫn khác. Điều kiện duy nhất là kích thước wafer phải đạt từ 4 inch trở lên để chạy được trong dây chuyền công nghiệp.
Khi wafer kim cương đạt kích thước đủ lớn, Diamfab có thể giới thiệu với những tên tuổi như STMicroelectronics hay TSMC. “Họ chỉ cần một dây chuyền tách biệt để tránh nhiễm chéo — còn thiết bị thì không cần thay đổi. Giá trị nằm ở chính vật liệu kim cương.”
“Ở châu Âu, thực ra chúng ta có gần như đầy đủ mọi thứ cần thiết để xây dựng một chuỗi cung ứng bán dẫn kim cương: các trung tâm nghiên cứu, nhà cung cấp đế wafer, chuyên môn chế tạo thiết bị và các doanh nghiệp công nghiệp lớn. Đây là cơ hội để tái công nghiệp hóa ngành bán dẫn tại châu Âu,” Chicot nói.
Ông cho rằng “với một công nghệ hoàn toàn mới như kim cương, việc công nghiệp hóa dễ hơn nhiều so với việc rút ngắn khoảng cách với silicon — nơi châu Á đã quá phát triển.”
Một kỹ sư đang dùng nhíp để giữ một tấm nền wafer rất nhỏ, trên bề mặt có các hoa văn lưới và cấu trúc vi mạch — là các ô linh kiện được chế tạo trên tấm nền kim cương tổng hợp. Ảnh: Tech.eu
