Muốn trong top đầu cuộc đua radar, 5G và vệ tinh, Việt Nam cần có GaN

GaN là viết tắt của gallium nitride, một bán dẫn dải cấm rộng được nghiên cứu mạnh trong các linh kiện công suất cao và tần số cao. Điểm nổi bật của GaN nằm ở khả năng chịu điện trường lớn, hiệu suất tốt khi làm việc ở công suất cao và tốc độ điện tử cao hơn silicon.

Nếu gallium là “nguyên liệu đầu vào” thì GaN là “bộ máy tăng lực” của thế giới bán dẫn công suất cao. Từ radar quỹ đạo cao, vệ tinh viễn thông, trạm gốc 5G đến các bộ khuếch đại băng tần Ka cho liên lạc không gian, GaN đang trở thành vật liệu then chốt của hạ tầng truyền thông hiện đại.

GaN là gì và vì sao được xem là vật liệu chiến lược?

Một nghiên cứu công bố trên Scientific Reports cho thấy các cấu trúc AlGaN/GaN HEMT được theo đuổi cho ứng dụng công suất - tần số cao vì vật liệu GaN có độ bền nhiệt, độ bền hóa học tốt, điện trường đánh thủng lớn hơn 3 MV/cm và vận tốc bão hòa điện tử cao hơn silicon đáng kể.

Chính các đặc tính đó làm cho GaN trở thành vật liệu cực kì phù hợp với các hệ thống cần phát công suất lớn nhưng vẫn phải giữ kích thước gọn và hiệu suất cao. Trong ngành bán dẫn, đây là điểm khác biệt rất quan trọng: silicon phù hợp với rất nhiều ứng dụng phổ thông, nhưng khi bước sang miền công suất cao, tần số cao và môi trường khắc nghiệt, GaN bắt đầu vượt lên. Vì thế, GaN được xem là một trong những vật liệu bán dẫn chiến lược nhất của kỉ nguyên 5G, 6G, radar và không gian.

Điều cần tách bạch là GaN không phải gallium. Gallium là nguyên tố đầu vào, còn GaN là hợp chất bán dẫn được tạo từ gallium và nitơ. USGS cho biết Trung Quốc là nguồn sản xuất gallium sơ cấp gần như áp đảo trên thế giới; riêng năm 2024, Trung Quốc chiếm 99% sản lượng gallium sơ cấp toàn cầu. Cũng theo USGS, khoảng 79% gallium tiêu thụ tại Mỹ đi vào các tấm wafer GaAs, GaN và GaP, cho thấy GaN không chỉ là vật liệu phòng thí nghiệm mà là mắt xích thực sự của chuỗi công nghiệp điện tử hiện đại.

Vì thế, khi nói một quốc gia “thống trị GaN”, cần hiểu đúng hơn: nước đó có thể đang nắm lợi thế lớn ở chuỗi cung ứng gallium, năng lực chế tạo vật liệu epitaxy, hoặc hệ sinh thái sản xuất linh kiện GaN. Trong chuỗi ấy, lợi thế nguyên liệu đầu vào tạo ra lợi thế công nghệ phía sau, nhưng hai tầng này không giống nhau.

Thế giới đang ứng dụng GaN trong truyền thông như thế nào?

Trong truyền thông vệ tinh, GaN đang được xem là một trong những vật liệu có triển vọng nhất cho các bộ khuếch đại công suất. Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) nêu rõ rằng GaN là ứng viên sáng giá cho liên lạc vệ tinh băng tần Ka nhờ mật độ công suất cao và hiệu suất cao. ESA cũng cho biết các bộ khuếch đại GaN có công suất đầu ra lớn, độ tuyến tính tốt và kích thước nhỏ gọn, rất phù hợp cho cả thiết kế SSPA, BUC của trạm VSAT lẫn bộ phát cho liên lạc di động 5G mặt đất.

NASA/JPL cũng đang theo đuổi hướng này. Một poster nghiên cứu của JPL cho biết mục tiêu của dự án là dùng quy trình GaN tiên tiến để đạt công suất đầu ra càng cao càng tốt từ một chip duy nhất ở mức 32 GHz cho liên lạc không gian, đồng thời tối đa hóa hiệu suất tăng thêm của công suất. Điều đó cho thấy GaN không chỉ giúp tăng công suất, mà còn giúp hệ thống truyền dẫn tiết kiệm năng lượng hơn - một tiêu chí ngày càng quan trọng khi trung tâm dữ liệu, vệ tinh và trạm phát đều phải cạnh tranh về điện năng.

ESA còn ghi nhận trường hợp vệ tinh quan sát Trái Đất Proba-V đã dùng bộ khuếch đại GaN trong hệ thống liên lạc X-band để truyền ảnh về mặt đất và thiết bị này hoạt động ổn định hơn bảy năm. Đây là minh chứng rõ ràng rằng GaN không còn là công nghệ “mới thử nghiệm”, mà đã bước vào vùng ứng dụng thực tế trong các payload RF quan trọng của không gian.

Ở mặt đất, GaN cũng đang len sâu vào hệ sinh thái 5G và các hệ thống vượt 5G. Một dự án của ESA cho biết công nghệ GaN được xem là hấp dẫn không chỉ cho các thiết bị vệ tinh mà còn cho thiết kế bộ phát của truyền thông di động 5G. Trong khi đó, Hải quân Mỹ từng công bố các linh kiện GaN có hiệu năng vượt kì vọng của 5G, cho thấy cộng đồng quốc tế nhìn GaN như một nền tảng vật liệu quan trọng cho cả 5G, 6G và các mạng vô tuyến thế hệ mới.

Lí do GaN có mặt ở nhiều hệ thống truyền thông như vậy là vì truyền thông hiện đại ngày càng đòi hỏi tần số cao hơn, công suất lớn hơn, dải động rộng hơn và khả năng hoạt động bền bỉ hơn. Từ vệ tinh VSAT, trạm gốc di động, backhaul vi ba cho tới liên lạc không gian sâu, mỗi ứng dụng đều cần bộ khuếch đại hiệu suất cao. GaN đáp ứng đúng “nút thắt” này: gọn hơn, mạnh hơn và mát hơn so với nhiều công nghệ thế hệ trước.

Với bài toán radar địa tĩnh hay quan sát quỹ đạo cao, vai trò của GaN càng rõ. Những hệ thống này phải phát tín hiệu mạnh từ khoảng cách rất xa, nên công suất phát, hiệu suất và độ ổn định nhiệt đều trở thành thách thức sống còn. GaN, nhờ mật độ công suất cao và độ bền tốt, giúp thu nhỏ phần phát mà vẫn giữ được lực “đẩy” đủ lớn cho radar và liên lạc băng rộng. Nói cách khác, GaN là vật liệu khiến các hệ thống truyền thông trên trời và dưới đất có thể “nói to hơn” mà không cần lớn hơn quá nhiều.

Việt Nam có gì trong chuỗi GaN?

Việt Nam chưa xuất hiện như một trung tâm sản xuất GaN hoàn chỉnh trên bản đồ thế giới, nhưng chúng ta có hai lợi thế quan trọng để tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị. Thứ nhất là tiềm năng nguyên liệu; thứ hai là động thái xây nền cho ngành bán dẫn và vật liệu tiên tiến. USGS cho biết gallium thường gắn với bauxite, còn một cơ sở dữ liệu của USGS đã tổng hợp hàm lượng gallium trong các mỏ bauxite trên toàn thế giới để phục vụ nghiên cứu nguồn tài nguyên này. Điều đó đặc biệt đáng chú ý với Việt Nam, quốc gia có nền tảng bauxite lớn ở Tây Nguyên.

Việt Nam hiện có tài nguyên bauxite dự báo khoảng 5,2 tỉ tấn, với hai tổ hợp khai thác bauxite - sản xuất alumina tại Tân Rai và Nhân Cơ, cùng một nhà máy điện phân nhôm sắp vận hành. Đây chưa phải là gallium, nhưng lại là nền nguyên liệu rất đáng chú ý vì gallium thường đi cùng chuỗi chế biến bauxite - alumina - nhôm. Nói cách khác, Việt Nam có cửa để nghĩ tới việc nâng cấp từ khai khoáng sang vật liệu chiến lược, nếu công nghệ chế biến và thu hồi được phát triển đủ sâu.

Ở tầng công nghiệp bán dẫn, Việt Nam đang đẩy mạnh rất nhanh với mục tiêu đến năm 2030 đào tạo tối thiểu 50.000 nhân lực ngành bán dẫn, trong đó Việt Nam sẽ tập trung mạnh vào thiết kế, đóng gói và kiểm thử, rồi từng bước làm chủ các khâu sản xuất. Đây là hướng đi thực dụng, vì với một nền công nghiệp còn non trẻ, việc bắt đầu từ khâu có giá trị gia tăng cao nhưng đòi hỏi đầu tư vừa phải sẽ khả thi hơn là nhảy thẳng vào toàn bộ chuỗi fab phức tạp.

Song song với đó, Đại học Quốc gia Hà Nội đã thành lập Viện Bán dẫn và Vật liệu tiên tiến vào năm 2025. Theo mô tả của VNU, viện này có nhiệm vụ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ bán dẫn, vật liệu mới; đồng thời xây dựng phòng thí nghiệm, trung tâm thử nghiệm và hỗ trợ phát triển sản phẩm. Việc một đại học lớn ở Việt Nam đặt vật liệu tiên tiến vào đúng tên gọi của một đơn vị nghiên cứu cho thấy xu hướng đầu tư đã chuyển từ “nói về bán dẫn” sang “xây hạ tầng tri thức cho bán dẫn”.

Với lợi thế về khoáng sản và nếu phát triển đúng hướng, Việt Nam có nhiều cơ hội để làm chủ công nghệ về GaN. Khi đó, chúng ta có thể đóng vai trò quan trọng trên bản đồ bán dẫn thế giới.