W świecie, w którym postęp technologiczny niepowstrzymanie pędzi do przodu, jeden materiał wyróżnia się jako kluczowy dla następnej generacji wysokowydajnej elektroniki – azotek galu (GaN). Ten zaawansowany półprzewodnik obiecuje rewolucję w szybkich systemach komunikacyjnych, elektronice mocy i centrach danych przyszłości. Jednakże, pomimo jego doskonałych właściwości, wysoki koszt produkcji i złożoność integracji z istniejącą technologią krzemową do tej pory znacznie ograniczały jego komercyjne zastosowanie. Wydaje się jednak, że ta przeszkoda została teraz pokonana dzięki rewolucyjnemu przełomowi dokonanemu przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i ich współpracowników.

Opracowali oni innowacyjny, tani i skalowalny proces produkcyjny, który umożliwia bezproblemową integrację wysokowydajnych tranzystorów z azotku galu bezpośrednio na standardowych chipach krzemowych CMOS. Ta hybrydowa technologia łączy w sobie to, co najlepsze z obu światów: sprawdzoną, wszechobecną i przystępną cenowo platformę krzemową z niezwykłą szybkością i wydajnością azotku galu. Potencjalne zastosowania są ogromne, od znacznego wydłużenia czasu pracy baterii i poprawy jakości połączeń w smartfonach, po umożliwienie nowych technologii, a nawet rozwój komputerów kwantowych.

Rewolucja w produkcji: Łączenie niepołączalnego

Dotychczasowe metody integracji azotku galu i krzemu były obarczone kompromisami. Jedno z podejść polegało na lutowaniu tranzystorów GaN na chipie CMOS, co ograniczało ich minimalny rozmiar, a co za tym idzie, maksymalną częstotliwość pracy. Im mniejszy tranzystor, tym szybciej może działać. Drugie, niezwykle drogie podejście, polegało na umieszczaniu całej płytki z azotku galu na płytce krzemowej. Prowadziło to do ogromnego marnotrawstwa drogiego materiału GaN, biorąc pod uwagę, że jego funkcjonalność jest potrzebna tylko w kilku maleńkich tranzystorach na całym chipie.

Nowy proces, opracowany przez badaczy, w elegancki sposób rozwiązuje oba problemy. Zamiast używać całej płytki GaN, najpierw na jej powierzchni produkują gęsto upakowaną macierz miniaturowych tranzystorów. Następnie, używając niezwykle precyzyjnej technologii laserowej, wycinają każdy pojedynczy tranzystor, tworząc to, co nazywają "dieletem" – maleńką kostką o wymiarach zaledwie 240 na 410 mikrometrów. Te mikroskopijne "wyspy" GaN są następnie selektywnie przenoszone i łączone tylko w tych miejscach na chipie krzemowym, gdzie są naprawdę potrzebne. Takie podejście drastycznie obniża koszty, ponieważ zużywa się minimalną, ściśle niezbędną ilość azotku galu, podczas gdy chip zyskuje znaczną poprawę wydajności.

Oprócz obniżenia kosztów, metoda ta przynosi jeszcze jedną kluczową zaletę: ulepszone zarządzanie ciepłem. Rozdzielenie układu GaN na dyskretne, małe tranzystory, które można rozmieścić na powierzchni chipu krzemowego, pozwala uniknąć koncentracji ciepła w jednym miejscu, co obniża ogólną temperaturę pracy systemu i zwiększa jego niezawodność i długowieczność.

Miedź jako klucz do sukcesu: Chłodniej, taniej i wydajniej

Rdzeń nowego procesu integracji leży w innowacyjnej technice łączenia wykorzystującej miedź. Każdy tranzystor GaN jest wyposażony w maleńkie miedziane słupki na wierzchu, które bezpośrednio łączą się z odpowiednimi miedzianymi słupkami na powierzchni chipu krzemowego CMOS. To połączenie miedzi z miedzią można uzyskać w temperaturach niższych niż 400 stopni Celsjusza. Jest to wystarczająco niska temperatura, aby uniknąć jakichkolwiek uszkodzeń wrażliwych struktur chipu krzemowego lub samego tranzystora GaN, zachowując ich pełną funkcjonalność.

Jest to znaczące odejście od istniejących technik, które często opierają się na złocie do łączenia. Złoto jest nie tylko znacznie droższym materiałem, ale wymaga również znacznie wyższych temperatur i większych sił do uzyskania niezawodnego połączenia. Dodatkowo, złoto może zanieczyszczać narzędzia używane w większości standardowych odlewni półprzewodników, dlatego jego użycie wymaga specjalistycznych i drogich zakładów. "Szukaliśmy procesu, który jest tani, niskotemperaturowy i wymaga niewielkiej siły, a miedź wygrywa ze złotem we wszystkich tych kategoriach. Jednocześnie oferuje lepszą przewodność elektryczną", wyjaśnia Pradyot Yadav, główny autor badania.

Co to oznacza dla przyszłości technologii?

Aby zademonstrować praktyczną stosowalność swojej metody, zespół badawczy zbudował wzmacniacz mocy, kluczowy komponent w urządzeniach komunikacji bezprzewodowej, takich jak telefony komórkowe. Wyniki były imponujące. Ich hybrydowe chipy, o powierzchni mniejszej niż pół milimetra kwadratowego, osiągnęły znacznie większą szerokość pasma i lepsze wzmocnienie sygnału w porównaniu z urządzeniami opartymi wyłącznie na tranzystorach krzemowych. W smartfonie przełożyłoby się to bezpośrednio na lepszą jakość połączeń, większe prędkości bezprzewodowego transferu danych, stabilniejsze połączenie i, co dla wielu najważniejsze, dłuższy czas pracy baterii.

Ponieważ cały proces można zintegrować ze standardowymi procedurami produkcji półprzewodników, technologia ta ma potencjał nie tylko do ulepszenia istniejącej elektroniki, ale także do otwarcia drzwi do zupełnie nowych zastosowań. Na przykład w centrach danych, które zużywają ogromne ilości energii elektrycznej, bardziej energooszczędne chipy mogłyby przynieść milionowe oszczędności i zmniejszyć ślad ekologiczny. W pojazdach elektrycznych mogłyby umożliwić mniejsze, lżejsze i bardziej wydajne systemy zarządzania energią. W dłuższej perspektywie ten schemat integracji mógłby nawet być kluczowy dla zastosowań kwantowych, ponieważ azotek galu wykazuje lepszą wydajność niż krzem w temperaturach kriogenicznych niezbędnych do działania wielu typów komputerów kwantowych.

Nowe narzędzia dla nowej ery

Aby zrealizować ten złożony proces, zespół musiał również stworzyć specjalistyczne nowe narzędzie. Urządzenie to wykorzystuje próżnię do precyzyjnego chwytania i pozycjonowania maleńkiego "dieletu" GaN nad chipem krzemowym, celując w miedziany interfejs wiążący z nanometrową precyzją. Zaawansowana mikroskopia jest wykorzystywana do monitorowania procesu w czasie rzeczywistym. Gdy tranzystor jest idealnie wyrównany, narzędzie stosuje ciepło i ciśnienie, aby stworzyć mocne i niezawodne połączenie.

"Na każdym etapie procesu musiałem znaleźć nowego współpracownika, który wiedział, jak wykonać potrzebną mi technikę, uczyć się od nich, a następnie zintegrować to z moją platformą. To były dwa lata nieustannej nauki", podkreśla Yadav, akcentując interdyscyplinarny charakter tego przełomu. Sukces projektu jest wynikiem współpracy z ekspertami z Georgia Tech i Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych USA, z wykorzystaniem zaawansowanych obiektów w MIT.nano.

Potwierdzenie z branży i spojrzenie w przyszłość

Znaczenie tego osiągnięcia zostało docenione również poza kręgami akademickimi. Atom Watanabe, naukowiec z firmy IBM, który nie był zaangażowany w badania, skomentował: "Aby zaradzić spowolnieniu prawa Moore'a w skalowaniu tranzystorów, heterogeniczna integracja pojawiła się jako obiecujące rozwiązanie dla ciągłego skalowania systemów, zmniejszenia współczynnika kształtu, poprawy efektywności energetycznej i optymalizacji kosztów. Ta praca stanowi znaczący postęp, demonstrując integrację 3D wielu chipów GaN z krzemowym CMOS i przesuwa granice obecnych możliwości technologicznych."

Łącząc najlepsze właściwości krzemu z doskonałymi możliwościami azotku galu, te hybrydowe chipy mogą naprawdę zrewolucjonizować liczne rynki komercyjne. Stanowią one logiczny krok w ewolucji półprzewodników, oferując drogę do szybszej, mniejszej i bardziej energooszczędnej elektroniki, która będzie napędzać naszą technologiczną przyszłość, od sieci 6G po zaawansowaną sztuczną inteligencję i badania kosmiczne.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology