Phạm Thanh Bình
Writer
Các nhà khoa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Tây An (Trung Quốc) vừa công bố bước đột phá trong chế tạo chip cảm biến hồng ngoại, hứa hẹn mở ra ứng dụng đại trà trong điện thoại thông minh và xe tự lái.
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Hu Huiyong đã phát triển thành công chip điốt thác đơn photon (SPAD) dựa trên vật liệu silicon-germanium, tích hợp công nghệ phát hiện hồng ngoại sóng ngắn. Chi phí sản xuất loại chip này trước đây lên tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn USD mỗi con, nay có thể giảm xuống chỉ còn 1% so với mức đó.
Tại sao đột phá này quan trọng?
Cảm biến hồng ngoại sóng ngắn có khả năng xuyên sương mù, chụp ảnh trong bóng tối và nhận diện đặc tính vật liệu, rất cần thiết cho camera thiếu sáng, LiDAR ô tô và thiết bị kiểm tra công nghiệp. Tuy nhiên, các chip loại này trước đây phải dùng vật liệu indium gallium arsenide (InGaAs) trên nền indium phosphide đắt tiền, không tương thích với dây chuyền sản xuất chip silicon thông thường, khiến chi phí luôn ở mức cao.
Nhóm Hu Huiyong chọn hướng khác: dùng quy trình CMOS silicon tiêu chuẩn, tức cùng công nghệ sản xuất chip điện thoại phổ thông, để chế tạo cảm biến hồng ngoại. Nhà nghiên cứu Wang Liming tóm gọn: "Chúng tôi đang dùng chi phí sản xuất chip điện thoại để làm thiết bị phát hiện hồng ngoại vốn có giá trên trời."
Thách thức lớn nhất là sự sai lệch mạng tinh thể 4,2% giữa silicon và germanium, vốn gây ra khuyết tật vật liệu và rò rỉ tín hiệu, cản trở công nghệ này suốt hơn 20 năm qua. Nhóm nghiên cứu giải quyết bằng cách thiết kế các lớp đệm gradient nhiều tầng kết hợp kỹ thuật tăng trưởng ở nhiệt độ thấp, đồng thời tối ưu hóa phân bố điện trường để tăng độ rõ tín hiệu và giảm nhiễu.
Hiện nhóm đã hoàn thiện toàn bộ chuỗi nghiên cứu từ thiết kế đến chế tạo và kiểm chứng hệ thống. Dây chuyền sản xuất silicon-germanium chuyên dụng dự kiến hoàn thành cuối năm 2026.
Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Hu Huiyong đã phát triển thành công chip điốt thác đơn photon (SPAD) dựa trên vật liệu silicon-germanium, tích hợp công nghệ phát hiện hồng ngoại sóng ngắn. Chi phí sản xuất loại chip này trước đây lên tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn USD mỗi con, nay có thể giảm xuống chỉ còn 1% so với mức đó.
Tại sao đột phá này quan trọng?
Cảm biến hồng ngoại sóng ngắn có khả năng xuyên sương mù, chụp ảnh trong bóng tối và nhận diện đặc tính vật liệu, rất cần thiết cho camera thiếu sáng, LiDAR ô tô và thiết bị kiểm tra công nghiệp. Tuy nhiên, các chip loại này trước đây phải dùng vật liệu indium gallium arsenide (InGaAs) trên nền indium phosphide đắt tiền, không tương thích với dây chuyền sản xuất chip silicon thông thường, khiến chi phí luôn ở mức cao.
Nhóm Hu Huiyong chọn hướng khác: dùng quy trình CMOS silicon tiêu chuẩn, tức cùng công nghệ sản xuất chip điện thoại phổ thông, để chế tạo cảm biến hồng ngoại. Nhà nghiên cứu Wang Liming tóm gọn: "Chúng tôi đang dùng chi phí sản xuất chip điện thoại để làm thiết bị phát hiện hồng ngoại vốn có giá trên trời."
Thách thức lớn nhất là sự sai lệch mạng tinh thể 4,2% giữa silicon và germanium, vốn gây ra khuyết tật vật liệu và rò rỉ tín hiệu, cản trở công nghệ này suốt hơn 20 năm qua. Nhóm nghiên cứu giải quyết bằng cách thiết kế các lớp đệm gradient nhiều tầng kết hợp kỹ thuật tăng trưởng ở nhiệt độ thấp, đồng thời tối ưu hóa phân bố điện trường để tăng độ rõ tín hiệu và giảm nhiễu.
Hiện nhóm đã hoàn thiện toàn bộ chuỗi nghiên cứu từ thiết kế đến chế tạo và kiểm chứng hệ thống. Dây chuyền sản xuất silicon-germanium chuyên dụng dự kiến hoàn thành cuối năm 2026.
