En un mundo donde el avance tecnológico avanza imparablemente, un material se destaca como clave para la próxima generación de electrónica de alto rendimiento: el nitruro de galio (GaN). Este semiconductor avanzado promete revolucionar los sistemas de comunicación de alta velocidad, la electrónica de potencia y los centros de datos del futuro. Sin embargo, a pesar de sus propiedades superiores, el alto costo de producción y la complejidad de la integración con la tecnología de silicio existente han limitado significativamente su aplicación comercial hasta ahora. Pero parece que ese obstáculo ha sido superado gracias a un avance revolucionario de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y sus colaboradores.

Han desarrollado un proceso de fabricación innovador, económico y escalable que permite la integración perfecta de transistores de nitruro de galio de alto rendimiento directamente en chips CMOS de silicio estándar. Esta tecnología híbrida combina lo mejor de ambos mundos: la plataforma de silicio probada, omnipresente y asequible con la velocidad y eficiencia extraordinarias del nitruro de galio. Las aplicaciones potenciales son enormes, desde prolongar significativamente la duración de la batería y mejorar la calidad de las llamadas en los teléfonos inteligentes, hasta habilitar nuevas tecnologías e incluso el desarrollo de computadoras cuánticas.

Revolución en la producción: Uniendo lo incompatible

Los métodos anteriores de integración de nitruro de galio y silicio estaban plagados de compromisos. Un enfoque implicaba soldar transistores de GaN a un chip CMOS, lo que limitaba su tamaño mínimo y, en consecuencia, su frecuencia máxima de operación. Cuanto más pequeño es el transistor, más rápido puede operar. Otro enfoque, extremadamente costoso, implicaba colocar una oblea completa de nitruro de galio sobre una oblea de silicio. Esto resultaba en un enorme desperdicio de costoso material de GaN, dado que su funcionalidad solo se necesita en unos pocos transistores diminutos en todo el chip.

El nuevo proceso, ideado por los investigadores, resuelve ambos problemas de manera elegante. En lugar de utilizar una oblea entera de GaN, primero producen una matriz densamente empaquetada de transistores en miniatura en su superficie. Luego, utilizando una tecnología láser de extrema precisión, cortan cada transistor individual, creando lo que llaman un "dielet", una diminuta pastilla que mide solo 240 por 410 micrómetros. Estas "islas" microscópicas de GaN se transfieren y unen selectivamente solo en aquellos lugares del chip de silicio donde realmente se necesitan. Este enfoque reduce drásticamente los costos porque se utiliza la cantidad mínima y estrictamente necesaria de nitruro de galio, mientras que el chip obtiene una mejora significativa en el rendimiento.

Además de la reducción de costos, este método aporta otra ventaja clave: una mejor gestión del calor. Al separar el circuito de GaN en transistores discretos y pequeños que se pueden distribuir por la superficie del chip de silicio, se evita la concentración de calor en un solo lugar, lo que reduce la temperatura de funcionamiento general del sistema y aumenta su fiabilidad y longevidad.

El cobre como clave del éxito: Más frío, más barato y más eficiente

El núcleo del nuevo proceso de integración reside en una innovadora técnica de unión que utiliza cobre. Cada transistor de GaN está equipado con diminutos pilares de cobre en la parte superior, que se unen directamente a los pilares de cobre correspondientes en la superficie del chip CMOS de silicio. Esta unión de cobre con cobre se puede lograr a temperaturas inferiores a los 400 grados Celsius. Esta es una temperatura lo suficientemente baja como para evitar cualquier daño a las sensibles estructuras del chip de silicio o del propio transistor de GaN, preservando su plena funcionalidad.

Esto supone un cambio significativo con respecto a las técnicas existentes que a menudo dependen del oro para la unión. El oro no solo es un material considerablemente más caro, sino que también requiere temperaturas mucho más altas y fuerzas mayores para lograr una unión fiable. Además, el oro puede contaminar las herramientas utilizadas en la mayoría de las fundiciones de semiconductores estándar, por lo que su uso requiere instalaciones especializadas y costosas. "Buscábamos un proceso que fuera barato, de baja temperatura y que requiriera poca fuerza, y el cobre supera al oro en todas esas categorías. Al mismo tiempo, también ofrece una mejor conductividad eléctrica", explica Pradyot Yadav, autor principal de la investigación.

¿Qué significa esto para el futuro de la tecnología?

Para demostrar la aplicabilidad práctica de su método, el equipo de investigación fabricó un amplificador de potencia, un componente clave en los dispositivos de comunicación inalámbrica como los teléfonos móviles. Los resultados fueron impresionantes. Sus chips híbridos, con una superficie de menos de medio milímetro cuadrado, lograron un ancho de banda significativamente mayor y una mejor amplificación de la señal en comparación con los dispositivos que dependen exclusivamente de transistores de silicio. En un teléfono inteligente, esto se traduciría directamente en una mejor calidad de llamada, mayores velocidades de transferencia de datos inalámbricos, una conexión más estable y, lo que es más importante para muchos, una mayor duración de la batería.

Dado que todo el proceso puede integrarse en los procedimientos estándar de fabricación de semiconductores, esta tecnología tiene el potencial no solo de mejorar la electrónica existente, sino también de abrir la puerta a aplicaciones completamente nuevas. Por ejemplo, en los centros de datos, que consumen enormes cantidades de energía eléctrica, los chips más eficientes energéticamente podrían suponer ahorros millonarios y reducir la huella ecológica. En los vehículos eléctricos, podrían permitir sistemas de gestión de energía más pequeños, ligeros y eficientes. A largo plazo, este esquema de integración podría incluso ser clave para aplicaciones cuánticas, ya que el nitruro de galio muestra un mejor rendimiento que el silicio a las temperaturas criogénicas necesarias para el funcionamiento de muchos tipos de ordenadores cuánticos.

Nuevas herramientas para una nueva era

Para llevar a cabo este complejo proceso, el equipo también tuvo que crear una nueva herramienta especializada. Este dispositivo utiliza un vacío para recoger y posicionar con precisión el diminuto "dielet" de GaN sobre el chip de silicio, apuntando a la interfaz de unión de cobre con una precisión nanométrica. Se utiliza microscopía avanzada para supervisar el proceso en tiempo real. Una vez que el transistor está perfectamente alineado, la herramienta aplica calor y presión para crear una unión fuerte y fiable.

"Para cada paso del proceso, tuve que encontrar un nuevo colaborador que supiera cómo realizar la técnica que necesitaba, aprender de ellos y luego integrarla en mi plataforma. Fueron dos años de aprendizaje constante", señala Yadav, destacando la naturaleza interdisciplinaria de este avance. El éxito del proyecto es el resultado de la colaboración con expertos de Georgia Tech y del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., utilizando las avanzadas instalaciones de MIT.nano.

Confirmación de la industria y una mirada hacia el futuro

La importancia de este logro ha sido reconocida también fuera de los círculos académicos. Atom Watanabe, un científico de IBM que no participó en la investigación, comentó: "Para abordar la desaceleración de la Ley de Moore en el escalado de transistores, la integración heterogénea ha surgido como una solución prometedora para el escalado continuo del sistema, la reducción del factor de forma, la mejora de la eficiencia energética y la optimización de costos. Este trabajo representa un avance significativo al demostrar la integración 3D de múltiples chips de GaN con CMOS de silicio y empuja los límites de las capacidades tecnológicas actuales".

Al combinar las mejores propiedades del silicio con las capacidades superiores del nitruro de galio, estos chips híbridos podrían realmente revolucionar numerosos mercados comerciales. Representan un paso lógico en la evolución de los semiconductores, ofreciendo un camino hacia una electrónica más rápida, más pequeña y más eficiente energéticamente que impulsará nuestro futuro tecnológico, desde las redes 6G hasta la inteligencia artificial avanzada y la exploración espacial.

Fuente: Instituto Tecnológico de Massachusetts