Chúng ta thường nhắc đến ngành công nghiệp bán dẫn với chức năng giống như “trái tim” của thiết bị điện tử, với công việc Thiết kế Vi mạch tạo ra “linh hồn” con chip, nhưng ít ai để ý, phần “cơ thể” chứa đựng linh hồn kia cũng đóng vai trò tối quan trọng giúp con chip có thể phát huy toàn bộ hiệu năng của nó, đó chính là nguyên vật liệu thô cấu thành hình hài con chip bán dẫn.
Bằng cách sử dụng các vật liệu như silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), phốt pho (P), boron, gali,… các thiết bị nhiệt điện truyền thống khiến các thiết bị điện tử nặng và đắt tiền dần được thay thế, các thiết bị thông minh, siêu tiện lợi, siêu nhỏ gọn dần ra đời. Thậm chí, nếu không có chúng, thế giới chúng ta đang sống có thể sẽ không có điện thoại thông minh, máy tính xách tay, cả tên lửa và ô tô điện,…
Cùng tìm hiểu kỹ hơn về các nguyên liệu thô ngành bán dẫn và tiềm năng, thị phần của nó trong tương lai với bài viết dưới đây.
Những nguyên liệu thô ngành bán dẫn phổ biến
Gắn liền với vai trò thiết yếu của chip bán dẫn, nguyên liệu thô dùng để sản xuất chất bán dẫn cũng đóng góp công sức to lớn không kém. Phổ biến nhất trong danh sách nguyên liệu thô ngành bán dẫn phải kể đến:
Silicon
Chúng ta đã từng biết đến silicon là nguyên liệu chính để chế tạo ra wafer (hay còn gọi là tấm silicon bán dẫn). Wafer là thành phần quan trọng đầu tiên hay được nhắc đến trong quy trình sản xuất chip bán dẫn, bởi nó có vai trò như “vật chứa” để chuyển thể từ bản thiết kế mạch tích hợp thành con chip vật lý.
Germani
Một chất bán dẫn khác có nhiều ứng dụng trong chip bán dẫn là germanium, thường được ứng dụng trong ngành chế tạo pin mặt trời, cáp quang, cảm biến hình ảnh vệ tinh và các ứng dụng quân sự như kính nhìn đêm.
Quặng Germanium rất hiếm – hầu hết germanium có nguồn gốc từ tro bay than hoặc là sản phẩm phụ của quá trình chế biến kẽm. Theo Liên minh Nguyên liệu thô Quan trọng (CRMA), Trung Quốc sản xuất khoảng 60% lượng germanium của thế giới, xuất khẩu 43,7 tấn nguyên liệu vào năm 2022. Phần Lan, Nga, Canada và Hoa Kỳ cung cấp phần còn lại.
Gali
Được tìm thấy với lượng nhỏ trong quặng bauxite và kẽm, các nhà sản xuất sử dụng nguyên liệu thô này để sản xuất gali arsenide dùng trong chip điện tử. Nó cũng hữu ích trong áp kế, xét nghiệm y học hạt nhân, nhiệt kế và một số dược phẩm.
Chế biến bauxit để sản xuất nhôm có thể thu được kim loại gali. Chỉ có một công ty ở châu Âu sản xuất gali arsenide ở độ tinh khiết cần thiết, phần còn lại là Trung Quốc và Nhật Bản sản xuất. Nhật Bản, Nga và Hàn Quốc sản xuất một lượng nhỏ gali nguyên sinh.
Các tấm bán dẫn có chứa gallium arsenide có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với các tấm làm từ silicon. Chúng cũng êm hơn chip bán dẫn silicon – đặc biệt là ở tần số hoạt động cao – điều này khiến chúng hữu ích cho vệ tinh, đèn LED, radar và các thiết bị liên lạc vô tuyến.
Indi Phosphua
Chất bán dẫn này có bộ thu cao, điện dung bộ phát lớn, khoảng cách băng tần trực tiếp và mật độ dòng điện thấp, khiến nó trở nên phổ biến để chế tạo vi điện tử. Nó được sử dụng trong các thiết bị điện tử như điốt laser và mạch tích hợp quang tử trong lĩnh vực viễn thông quang học. Indium phosphide là một hợp chất nhị phân của phốt pho và indi. Tên của nó xuất phát từ tiếng Latin có nghĩa là màu tím – indicum.
Indium phosphide có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt. Cấu trúc tinh thể của nó tương tự như gali arsenide, tạo thành chất nền tuyệt vời cho các thiết bị quang điện tử và nó là thành phần phổ biến của chất bán dẫn III-V. Nó không chứa kim loại, điều này không bình thường trong các chất bán dẫn III-V.
Indium phosphide là vật liệu quan trọng trong việc chế tạo tia laser và tạo ra các mạch tích hợp quang tử. Bởi vì nó rất nhạy cảm với bức xạ nên nó là sự lựa chọn tuyệt vời để chế tạo các thiết bị điện tử quang điện như pin mặt trời. Indium phosphide là chất nền tuyệt vời cho các thiết bị quang điện tử epiticular sử dụng vật liệu bán dẫn khác, chẳng hạn như indium gallium arsenide.
Một nhược điểm của indium phosphide là đắt tiền và không có quy mô để sản xuất hàng loạt, vì vậy việc tìm nhà cung cấp nó có thể là một thách thức. Các nhà sản xuất có thể tạo ra vật liệu này thông qua phản ứng giữa indium iodide và phốt pho trắng ở nhiệt độ cao. Một cách khác để tạo ra nó là kết hợp các nguyên tố tinh khiết ở nhiệt độ và áp suất cao. Cách thứ ba để sản xuất photphua indi là phân hủy hỗn hợp phosphine với hợp chất trialkyl indium.
Tạp chất doping
Việc sản xuất chất bán dẫn loại P và loại N đòi hỏi phải thêm tạp chất vào tinh thể silicon để thay đổi tính chất điện của nó, một quá trình được gọi là doping. Trong đó, chất bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, chất bán dẫn loại N có thêm electron. Cùng nhau, chúng có thể tạo thành một điểm nối pn, nền tảng cho nhiều loại chất bán dẫn.
Một dopant – một chất thứ cấp được sử dụng để tạo ra tạp chất – sở hữu ba hoặc năm electron hóa trị. Hai loại dopant phổ biến bao gồm:
Boron
Nguyên liệu thô này – một kim loại giòn, bóng – rất quan trọng để chế tạo chip bán dẫn. Công dụng chính của nó là liên kết các vật liệu khác nhau lại với nhau, nâng cao hiệu quả của chúng. Nó cũng có thể làm cho chất cách điện có lợi hơn cho dòng điện.
Boron cải thiện độ bền điện môi của polyme, là một phần của miếng đệm kín, tụ điện và lớp cách điện trên dây dẫn. Bộ khuếch đại sợi pha tạp Boron cho phép truyền tín hiệu tốt hơn trong hệ thống thông tin sợi quang. Nguyên tố này rất hữu ích cho việc pha tạp các chất bán dẫn như cacbua silic, silic và germani.
Phốt pho
Một nguyên tử phốt pho hoạt động như một chất pha tạp bằng cách chiếm cùng một vị trí trong cấu trúc tinh thể mà một nguyên tử silicon trước đây đã chiếm giữ. Bốn electron hóa trị của nó thay thế bốn electron hóa trị silicon. Cái thứ năm vẫn tự do và không liên kết với bất kỳ electron nào khác. Việc thay thế nhiều nguyên tử silicon bằng phốt pho sẽ giải phóng nhiều electron có thể di chuyển xung quanh tinh thể.
Cách phổ biến nhất để pha tạp chất bán dẫn trong vi mạch là phủ phốt pho lên trên lớp silicon và sau đó làm nóng bề mặt của lớp đó. Làm điều này cho phép phốt pho khuếch tán vào silicon. Sau đó, nhà sản xuất hạ nhiệt độ xuống để quá trình khuếch tán dừng lại. Các cách khác để pha tạp silicon với phốt pho bao gồm các quá trình phun chất lỏng, khuếch tán khí và đưa các nguyên tử phốt pho trực tiếp vào bề mặt silicon.
Lượng nguyên liệu thô hiện có trên trái đất có đủ đáp ứng ngành bán dẫn toàn cầu đang bùng nổ?
Với vai trò quan trọng của chip bán dẫn, song song với thời đại công nghệ cao bùng nổ và cuộc chạy đua chip siêu nhỏ đang ngày càng lan rộng, liệu lượng nguyên liệu thô ngành bán dẫn có sẵn trên trái đất có thể dùng trong bao lâu?
Trong số đó, silicon là nguyên liệu chủ yếu làm nên hình hài chip bán dẫn, là nguyên tố phổ biến thứ hai (28%) trong vỏ trái đất, nên nguồn cung silicon sẽ tương đối ổn định trong tương lai gần. Ngoài ra, các nguyên liệu bán dẫn khác bao gồm phốt pho (0,105% vỏ trái đất), asen (0,00018%) và bismuth (0,0000008%) cho chất dẫn loại n và boron (0,001%), gali (0,0019%) và indium (0,000025%) đối với dây dẫn loại p. Những nguyên lại này có thể bị hạn chế về nguồn cung và chịu sự biến động của thị trường, ảnh hưởng bởi các yếu tố địa chính trị, chính sách thương mại và hạn chế khai thác. Đặc biệt bismuth và indium là những nguyên liệu khan hiếm nhất và có nguy cơ hết đầu tiên. Vậy chúng ta có hướng đi nào tiếp theo?
Có nhiều giả định được đặt ra, có thể chúng ta sẽ cần khai thác nhiều hơn từ các tiểu hành tinh, hoặc nghiên cứu chế tạo ra vi mạch theo cách khác với những nguyên liệu thô phổ biến hơn,… Trên thực tế, thế giới cũng đang có những hoạt động nỗ lực nhằm phát triển các vật liệu thay thế, cải thiện quy trình tái chế và tìm kiếm các nguồn nguyên liệu thô bán dẫn bền vững hơn để giảm sự phụ thuộc vào các tài nguyên hạn chế.
Tiềm năng tăng trưởng thị phần nguyên liệu thô ngành bán dẫn giai đoạn 2024 – 2029
Quy mô thị trường vật liệu bán dẫn ước tính đạt 70,30 tỷ USD trong năm 2024. Dự kiến sẽ đạt 88,66 tỷ USD trong 5 năm tới, đạt tốc độ CAGR là 4,75% trong giai đoạn dự báo 2024 -2029, theo Báo cáo về Sự tăng trưởng của Thị trường Vật liệu thô ngành Bán dẫn Toàn cầu của Mordor Intelligence.
- Với xu hướng chạy đua thu nhỏ chip bán dẫn, nhu cầu về nguyên liệu thô ngành bán dẫn dự kiến cũng sẽ tăng do việc sản xuất IC nút tiên tiến, tích hợp không đồng nhất và kiến trúc bộ nhớ 3D đòi hỏi nhiều bước xử lý hơn; điều này thúc đẩy việc chế tạo tấm bán dẫn và tiêu thụ vật liệu đóng gói cao hơn.
- Chất bán dẫn đang có xu hướng chuyển từ chất nền cứng sang vật liệu nhựa và giấy dẻo hơn, nhằm khám phá những vật liệu và cách chế tạo mới. Xu hướng hướng tới các chất nền linh hoạt hơn đã dẫn tới nhiều thiết bị, từ điốt phát sáng đến pin mặt trời và bóng bán dẫn.
- Cuộc chiến Nga-Ukraine đang tác động đến chuỗi cung ứng chất bán dẫn, là nhà cung cấp nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất chất bán dẫn và linh kiện điện tử, bao gồm các thiết bị khác nhau. Tranh chấp đã làm gián đoạn chuỗi cung ứng, gây thiếu hụt và tăng giá các loại nguyên liệu này, ảnh hưởng đến nhà sản xuất và có khả năng dẫn đến chi phí cao hơn cho người dùng cuối.
- Hơn nữa, theo UkraineInvest, giá đồng đã tăng lên 10.845 USD/tấn vào đầu tháng 3 năm 2022. Cuộc chiến đang diễn ra giữa Nga và Ukraine, chi phí năng lượng cao và tiêu chuẩn khí thải khắt khe hơn ở châu Âu được coi là những nguyên nhân chính khiến tình trạng thiếu đồng tiếp tục diễn ra.
Nguyên liệu thô ngành bán dẫn là yếu tố không thể thiếu để hoàn thiện chuỗi cung ứng bán dẫn, nó góp mặt trong mọi quy trình từ thiết kế, chế tạo, đóng gói, đến sử dụng trong thiết bị điện tử – người tiêu dùng cuối. Bởi vậy, việc nhìn nhận đúng vai trò và có dự đoán về sản lượng nguyên liệu trong tương lai góp phần đưa ra giải pháp giúp ngành bán dẫn toàn cầu vận hành tối ưu và bền vững hơn.
>> Cùng FPT Semiconductor khám phá thêm các tin tức về ngành bán dẫn tại ĐÂY!
Nguồn tài liệu:
https://revolutionized.com/raw-materials-for-semiconductor-chips/
https://www.quora.com/How-long-will-we-have-enough-raw-material-for-semiconductor-chips
https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/semiconductor-materials-market