MIT công bố đột phá trong công nghệ quản lý nhiệt GaN trên kim cương đơn tinh thể

Ngày 8/6/2026, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) công bố nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tích hợp các transistor gallium nitride (GaN) vào một lớp kim cương đơn tinh thể siêu mỏng, giải quyết một trong những nút thắt lớn nhất về tản nhiệt của chip không dây công suất cao, đồng thời phát triển bộ khuếch đại công suất RF không dây đạt hiệu năng kỷ lục.

Nghiên cứu được công bố tại Hội nghị IEEE International Microwave Symposium 2026, giới thiệu một phương pháp quản lý nhiệt ở cấp độ chip hoàn toàn mới dành cho các hệ thống điện tử công suất cao như hạ tầng truyền thông 6G và Internet vệ tinh.

Các chip silicon truyền thống đang dần chạm tới giới hạn về khả năng xử lý công suất, khiến việc đáp ứng yêu cầu hiệu năng và hiệu quả năng lượng của các hệ thống truyền thông tốc độ cao thế hệ mới trở nên ngày càng khó khăn. Trong khi đó, GaN là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng (wide-bandgap semiconductor), nổi bật với mật độ công suất cao và khả năng hoạt động ở tần số lớn, trở thành lựa chọn lý tưởng cho mạng 6G, radar công suất cao và truyền thông vệ tinh.

Tuy nhiên, các thiết bị GaN thường xuất hiện các điểm nóng cục bộ (hotspot) trong quá trình hoạt động, làm giảm độ tin cậy và hạn chế hiệu năng. Các giải pháp hiện nay như phủ lớp kim cương lên bề mặt thiết bị cũng gặp khó khăn trong việc mở rộng quy mô sản xuất và tạo ra điện dung ký sinh (parasitic capacitance), ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động ở tần số cao.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu MIT đã phát triển quy trình tích hợp dị thể (heterogeneous integration), trong đó các transistor GaN kích thước micromet được nhúng trực tiếp vào một lớp trung gian (interposer) bằng kim cương đơn tinh thể siêu mỏng.

Kim cương, với độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các vật liệu đã biết, có khả năng tản nhiệt rất nhanh, giúp nhiệt độ của các transistor GaN và mạch silicon lân cận luôn duy trì ở mức gần tương đương. Điều này giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy của các hệ thống tích hợp ba chiều (3D integrated systems). Đồng thời, khác với các giải pháp phủ kim cương trên bề mặt, kiến trúc mới loại bỏ hoàn toàn hiện tượng điện dung ký sinh, giúp duy trì hiệu năng hoạt động ở tần số cao.

Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ khuếch đại công suất RF được chế tạo bằng công nghệ này vượt trội hơn tất cả các thiết bị tương đương từng được công bố trong các nghiên cứu trước đây, thiết lập một cột mốc mới về hiệu năng.

Theo tác giả chính Pradyot Yadav, nghiên cứu sinh tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính của MIT, không có một loại vật liệu đơn lẻ nào có thể đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai.

Vì vậy, tích hợp dị thể ba chiều đang trở thành xu hướng tất yếu của ngành bán dẫn, trong khi quản lý nhiệt và độ tin cậy vẫn là hai rào cản lớn nhất đối với việc triển khai trên quy mô lớn. Ông cho rằng bước đột phá này có thể mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi hơn các hệ thống điện tử công suất cao.

Quy trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác rất cao và phải tích hợp nhiều hệ vật liệu khác nhau, nhưng vẫn tương thích với các dây chuyền sản xuất thương mại có khả năng mở rộng quy mô.

Trong tương lai, công nghệ này được kỳ vọng sẽ hỗ trợ các ứng dụng hoạt động trên băng tần FR3 dành cho mạng 6G, thiết bị Internet vệ tinh, nền tảng radar công suất cao và trung tâm dữ liệu, đồng thời cung cấp một kiến trúc quản lý nhiệt có thể tái sử dụng cho thế hệ thiết bị RF công suất cao tiếp theo.