In a world where technological progress relentlessly rushes forward, one material stands out as key for the next generation of high-performance electronics – gallium nitride (GaN). This advanced semiconductor promises to revolutionize high-speed communication systems, power electronics, and the data centers of the future. However, despite its superior properties, the high cost of production and the complexity of integration with existing silicon technology have so far significantly limited its commercial application. But it seems this obstacle has now been overcome thanks to a revolutionary breakthrough by scientists at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) and their collaborators.

They have developed an innovative, low-cost, and scalable manufacturing process that allows for the seamless integration of high-performance gallium nitride transistors directly onto standard silicon CMOS chips. This hybrid technology combines the best of both worlds: the proven, ubiquitous, and affordable silicon platform with the outstanding speed and efficiency of gallium nitride. The potential applications are vast, from significantly extending battery life and improving call quality on smartphones, to enabling new technologies and even the development of quantum computers.

A revolution in manufacturing: Joining the unjoinable

Previous methods of integrating gallium nitride and silicon were fraught with compromises. One approach involved soldering GaN transistors onto a CMOS chip, which limited their minimum size and, consequently, their maximum operating frequency. The smaller the transistor, the faster it can operate. Another, extremely expensive approach, involved placing an entire gallium nitride wafer on a silicon wafer. This resulted in a huge waste of expensive GaN material, given that its functionality is only needed in a few tiny transistors on the entire chip.

The new process, devised by the researchers, elegantly solves both problems. Instead of using a whole GaN wafer, they first produce a densely packed array of miniature transistors on its surface. Then, using extremely precise laser technology, they cut out each individual transistor, creating what they call a "dielet" – a tiny die measuring just 240 by 410 micrometers. These microscopic GaN "islands" are then selectively transferred and bonded only to the places on the silicon chip where they are truly needed. This approach drastically reduces costs because it uses the minimal, strictly necessary amount of gallium nitride, while the chip gains a significant performance boost.

Besides cost reduction, this method brings another key advantage: improved thermal management. By separating the GaN circuitry into discrete, small transistors that can be distributed across the surface of the silicon chip, heat concentration in one spot is avoided, which reduces the overall operating temperature of the system and increases its reliability and longevity.

Copper as the key to success: Cooler, cheaper, and more efficient

The core of the new integration process lies in an innovative bonding technique that uses copper. Each GaN transistor is equipped with tiny copper pillars on top, which directly bond to corresponding copper pillars on the surface of the silicon CMOS chip. This copper-to-copper bond can be achieved at temperatures below 400 degrees Celsius. This is a low enough temperature to avoid any damage to the sensitive structures of the silicon chip or the GaN transistor itself, preserving their full functionality.

This is a significant departure from existing techniques that often rely on gold for bonding. Gold is not only a considerably more expensive material, but it also requires much higher temperatures and greater forces to achieve a reliable bond. Additionally, gold can contaminate the tools used in most standard semiconductor foundries, which is why its use requires specialized and expensive facilities. "We were looking for a process that is cheap, low-temperature, and requires low force, and copper beats gold in all these categories. At the same time, it also offers better electrical conductivity," explains Pradyot Yadav, the lead author of the research.

What does this mean for the future of technology?

To demonstrate the practical applicability of their method, the research team fabricated a power amplifier, a key component in wireless communication devices like mobile phones. The results were impressive. Their hybrid chips, with a surface area of less than half a square millimeter, achieved significantly higher bandwidth and better signal amplification compared to devices that rely solely on silicon transistors. In a smartphone, this would directly translate to better call quality, higher wireless data transfer speeds, a more stable connection, and, most importantly to many, longer battery life.

Since the entire process can be integrated into standard semiconductor manufacturing procedures, this technology has the potential to improve not only existing electronics but also to open the door to completely new applications. For example, in data centers, which consume vast amounts of electrical energy, more energy-efficient chips could bring millions in savings and reduce the environmental footprint. In electric vehicles, they could enable smaller, lighter, and more efficient power management systems. In the long term, this integration scheme could even be key for quantum applications, as gallium nitride shows better performance than silicon at the cryogenic temperatures necessary for the operation of many types of quantum computers.

New tools for a new era

To bring this complex process to fruition, the team also had to create a specialized new tool. This device uses a vacuum to precisely pick up and position the tiny GaN "dielet" above the silicon chip, targeting the copper bonding interface with nanometer precision. Advanced microscopy is used to monitor the process in real-time. Once the transistor is perfectly aligned, the tool applies heat and pressure to create a strong and reliable bond.

"For every step in the process, I had to find a new collaborator who knew how to perform the technique I needed, learn from them, and then integrate it into my platform. It was two years of constant learning," points out Yadav, emphasizing the interdisciplinary nature of this breakthrough. The project's success is the result of collaboration with experts from Georgia Tech and the US Air Force Research Laboratory, utilizing advanced facilities at MIT.nano.

Confirmation from the industry and a look ahead

The significance of this achievement has been recognized outside of academic circles as well. Atom Watanabe, a scientist from IBM who was not involved in the research, commented: "To address the slowdown of Moore's Law in transistor scaling, heterogeneous integration has emerged as a promising solution for continuous system scaling, form-factor reduction, improved power efficiency, and cost optimization. This work represents a significant advancement by demonstrating the 3D integration of multiple GaN chips with silicon CMOS and pushes the boundaries of current technological capabilities."

By combining the best properties of silicon with the superior capabilities of gallium nitride, these hybrid chips could truly revolutionize numerous commercial markets. They represent a logical step in the evolution of semiconductors, offering a path toward faster, smaller, and more energy-efficient electronics that will power our technological future, from 6G networks to advanced artificial intelligence and space exploration.

Source: Massachusetts Institute of Technology

In einer Welt, in der der technologische Fortschritt unaufhaltsam voranschreitet, sticht ein Material als Schlüssel für die nächste Generation von Hochleistungselektronik hervor – Galliumnitrid (GaN). Dieser fortschrittliche Halbleiter verspricht, Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme, Leistungselektronik und die Rechenzentren der Zukunft zu revolutionieren. Trotz seiner überlegenen Eigenschaften haben jedoch die hohen Herstellungskosten und die Komplexität der Integration in die bestehende Siliziumtechnologie seine kommerzielle Anwendung bisher erheblich eingeschränkt. Doch dieses Hindernis scheint nun dank eines revolutionären Durchbruchs von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und ihren Kollegen überwunden zu sein.

Sie haben einen innovativen, kostengünstigen und skalierbaren Herstellungsprozess entwickelt, der die nahtlose Integration von Hochleistungs-Galliumnitrid-Transistoren direkt auf Standard-Silizium-CMOS-Chips ermöglicht. Diese Hybridtechnologie vereint das Beste aus beiden Welten: die bewährte, allgegenwärtige und kostengünstige Siliziumplattform mit der außergewöhnlichen Geschwindigkeit und Effizienz von Galliumnitrid. Die potenziellen Anwendungen sind gewaltig und reichen von einer erheblichen Verlängerung der Akkulaufzeit und einer verbesserten Gesprächsqualität bei Smartphones bis hin zur Ermöglichung neuer Technologien und sogar der Entwicklung von Quantencomputern.

Revolution in der Fertigung: Das Unvereinbare verbinden

Bisherige Methoden zur Integration von Galliumnitrid und Silizium waren mit Kompromissen behaftet. Ein Ansatz bestand darin, GaN-Transistoren auf einen CMOS-Chip zu löten, was ihre minimale Größe und folglich ihre maximale Betriebsfrequenz begrenzte. Je kleiner der Transistor, desto schneller kann er arbeiten. Ein anderer, extrem teurer Ansatz, sah vor, eine ganze Galliumnitrid-Wafer auf eine Silizium-Wafer zu legen. Dies führte zu einer enormen Verschwendung von teurem GaN-Material, da seine Funktionalität nur in einigen winzigen Transistoren auf dem gesamten Chip benötigt wird.

Der neue Prozess, den die Forscher entwickelt haben, löst beide Probleme auf elegante Weise. Anstatt eine ganze GaN-Wafer zu verwenden, stellen sie zunächst auf deren Oberfläche ein dicht gepacktes Array von Miniaturtransistoren her. Dann schneiden sie mit extrem präziser Lasertechnologie jeden einzelnen Transistor aus und erzeugen so, was sie als „Dielet“ bezeichnen – einen winzigen Chip mit den Maßen von nur 240 mal 410 Mikrometern. Diese mikroskopisch kleinen GaN-„Inseln“ werden dann selektiv nur an die Stellen auf dem Siliziumchip übertragen und gebunden, an denen sie wirklich benötigt werden. Dieser Ansatz senkt die Kosten drastisch, da die minimale, unbedingt notwendige Menge an Galliumnitrid verwendet wird, während der Chip eine deutliche Leistungssteigerung erfährt.

Neben der Kostensenkung bringt diese Methode einen weiteren entscheidenden Vorteil: ein verbessertes Wärmemanagement. Durch die Aufteilung der GaN-Schaltung in diskrete, kleine Transistoren, die über die Oberfläche des Siliziumchips verteilt werden können, wird eine Wärmekonzentration an einer Stelle vermieden, was die Gesamtbetriebstemperatur des Systems senkt und seine Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erhöht.

Kupfer als Schlüssel zum Erfolg: Kühler, billiger und effizienter

Der Kern des neuen Integrationsprozesses liegt in einer innovativen Verbindungstechnik, die Kupfer verwendet. Jeder GaN-Transistor ist an seiner Oberseite mit winzigen Kupfersäulen ausgestattet, die direkt mit entsprechenden Kupfersäulen auf der Oberfläche des Silizium-CMOS-Chips verbunden werden. Diese Kupfer-zu-Kupfer-Verbindung kann bei Temperaturen unter 400 Grad Celsius hergestellt werden. Das ist eine ausreichend niedrige Temperatur, um jegliche Beschädigung der empfindlichen Strukturen des Siliziumchips oder des GaN-Transistors selbst zu vermeiden und ihre volle Funktionalität zu erhalten.

Dies ist eine wesentliche Abkehr von bestehenden Techniken, die oft auf Gold zur Verbindung setzen. Gold ist nicht nur ein erheblich teureres Material, sondern erfordert auch viel höhere Temperaturen und größere Kräfte, um eine zuverlässige Verbindung herzustellen. Darüber hinaus kann Gold die Werkzeuge kontaminieren, die in den meisten Standard-Halbleiterfertigungsstätten verwendet werden, weshalb für seine Verwendung spezialisierte und teure Anlagen erforderlich sind. „Wir suchten nach einem Prozess, der billig ist, bei niedriger Temperatur abläuft und geringe Kraft erfordert, und Kupfer schlägt Gold in all diesen Kategorien. Gleichzeitig bietet es auch eine bessere elektrische Leitfähigkeit“, erklärt Pradyot Yadav, der Hauptautor der Studie.

Was bedeutet das für die Zukunft der Technologie?

Um die praktische Anwendbarkeit ihrer Methode zu demonstrieren, fertigte das Forschungsteam einen Leistungsverstärker, eine Schlüsselkomponente in drahtlosen Kommunikationsgeräten wie Mobiltelefonen. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Ihre Hybridchips mit einer Fläche von weniger als einem halben Quadratmillimeter erreichten eine deutlich höhere Bandbreite und eine bessere Signalverstärkung im Vergleich zu Geräten, die ausschließlich auf Siliziumtransistoren basieren. In einem Smartphone würde sich dies direkt in einer besseren Gesprächsqualität, höheren drahtlosen Datenübertragungsgeschwindigkeiten, einer stabileren Verbindung und, was für viele am wichtigsten ist, einer längeren Akkulaufzeit niederschlagen.

Da der gesamte Prozess in standardmäßige Halbleiterherstellungsverfahren integriert werden kann, hat diese Technologie das Potenzial, nicht nur die bestehende Elektronik zu verbessern, sondern auch die Tür zu völlig neuen Anwendungen zu öffnen. In Rechenzentren beispielsweise, die riesige Mengen an elektrischer Energie verbrauchen, könnten energieeffizientere Chips Einsparungen in Millionenhöhe bringen und den ökologischen Fußabdruck verringern. In Elektrofahrzeugen könnten sie kleinere, leichtere und effizientere Energiemanagementsysteme ermöglichen. Langfristig könnte dieses Integrationsschema sogar der Schlüssel für Quantenanwendungen sein, da Galliumnitrid bei den kryogenen Temperaturen, die für den Betrieb vieler Arten von Quantencomputern erforderlich sind, eine bessere Leistung als Silizium zeigt.

Neue Werkzeuge für eine neue Ära

Um diesen komplexen Prozess in die Tat umzusetzen, musste das Team auch ein spezialisiertes neues Werkzeug entwickeln. Dieses Gerät verwendet ein Vakuum, um das winzige GaN-„Dielet“ präzise aufzunehmen und über dem Siliziumchip zu positionieren, wobei die Kupferverbindungsschnittstelle mit Nanometerpräzision anvisiert wird. Eine fortschrittliche Mikroskopie wird verwendet, um den Prozess in Echtzeit zu überwachen. Sobald der Transistor perfekt ausgerichtet ist, wendet das Werkzeug Wärme und Druck an, um eine feste und zuverlässige Verbindung herzustellen.

„Für jeden Schritt des Prozesses musste ich einen neuen Mitarbeiter finden, der wusste, wie man die Technik durchführt, die ich brauchte, von ihnen lernen und es dann in meine Plattform integrieren. Es waren zwei Jahre ständigen Lernens“, betont Yadav und hebt die interdisziplinäre Natur dieses Durchbruchs hervor. Der Erfolg des Projekts ist das Ergebnis der Zusammenarbeit mit Experten von Georgia Tech und dem Forschungslabor der US-Luftwaffe, unter Nutzung fortschrittlicher Einrichtungen am MIT.nano.

Bestätigung aus der Industrie und ein Blick nach vorn

Die Bedeutung dieser Leistung wurde auch außerhalb akademischer Kreise anerkannt. Atom Watanabe, ein Wissenschaftler von IBM, der nicht an der Forschung beteiligt war, kommentierte: „Um die Verlangsamung des Mooreschen Gesetzes bei der Skalierung von Transistoren anzugehen, hat sich die heterogene Integration als vielversprechende Lösung für eine kontinuierliche Systemskalierung, eine Reduzierung des Formfaktors, eine verbesserte Energieeffizienz und eine Kostenoptimierung herauskristallisiert. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, indem sie die 3D-Integration mehrerer GaN-Chips mit Silizium-CMOS demonstriert und die Grenzen der derzeitigen technologischen Möglichkeiten verschiebt.“

Durch die Kombination der besten Eigenschaften von Silizium mit den überlegenen Fähigkeiten von Galliumnitrid könnten diese Hybridchips tatsächlich zahlreiche kommerzielle Märkte revolutionieren. Sie stellen einen logischen Schritt in der Evolution der Halbleiter dar und bieten einen Weg zu schnellerer, kleinerer und energieeffizienterer Elektronik, die unsere technologische Zukunft antreiben wird, von 6G-Netzen bis hin zu fortschrittlicher künstlicher Intelligenz und Weltraumforschung.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology