U svijetu u kojem tehnološki napredak nezaustavljivo juri naprijed, jedan se materijal ističe kao ključan za sljedeću generaciju elektronike visokih performansi – galijev nitrid (GaN). Ovaj napredni poluvodič obećava revoluciju u brzim komunikacijskim sustavima, energetskoj elektronici i podatkovnim centrima budućnosti. Međutim, unatoč svojim superiornim svojstvima, visoka cijena proizvodnje i složenost integracije s postojećom silicijskom tehnologijom dosad su značajno ograničavale njegovu komercijalnu primjenu. No, čini se da je ta prepreka sada prevladana zahvaljujući revolucionarnom iskoraku znanstvenika s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i njihovih suradnika.

Razvili su inovativan, jeftin i skalabilan proizvodni proces koji omogućuje besprijekornu integraciju tranzistora od galijevog nitrida visokih performansi izravno na standardne silicijske CMOS čipove. Ova hibridna tehnologija spaja najbolje od oba svijeta: dokazanu, sveprisutnu i cjenovno pristupačnu silicijsku platformu s izvanrednom brzinom i učinkovitošću galijevog nitrida. Potencijalne primjene su goleme, od značajnog produljenja trajanja baterije i poboljšanja kvalitete poziva na pametnim telefonima, do omogućavanja novih tehnologija pa čak i razvoja kvantnih računala.

Revolucija u proizvodnji: Spajanje nespojivog

Dosadašnje metode integracije galijevog nitrida i silicija bile su opterećene kompromisima. Jedan pristup uključivao je lemljenje GaN tranzistora na CMOS čip, što je ograničavalo njihovu minimalnu veličinu i, posljedično, maksimalnu radnu frekvenciju. Što je tranzistor manji, to brže može raditi. Drugi, izuzetno skup pristup, podrazumijevao je postavljanje cijele pločice galijevog nitrida na silicijsku pločicu. To je rezultiralo ogromnim rasipanjem skupog GaN materijala, s obzirom na to da je njegova funkcionalnost potrebna samo u nekoliko sićušnih tranzistora na cijelom čipu.

Novi proces, koji su osmislili istraživači, rješava oba problema na elegantan način. Umjesto da koriste cijelu GaN pločicu, oni na njezinoj površini prvo proizvedu gusto zbijeni niz minijaturnih tranzistora. Zatim, koristeći iznimno preciznu lasersku tehnologiju, izrezuju svaki pojedinačni tranzistor, stvarajući ono što nazivaju "dielet" – sićušnu pločicu dimenzija svega 240 sa 410 mikrometara. Ovi mikroskopski GaN "otoci" zatim se selektivno prenose i vežu samo na ona mjesta na silicijskom čipu gdje su zaista potrebni. Ovakav pristup drastično smanjuje troškove jer se koristi minimalna, strogo neophodna količina galijevog nitrida, dok čip dobiva značajno poboljšanje performansi.

Osim smanjenja troškova, ova metoda donosi još jednu ključnu prednost: poboljšano upravljanje toplinom. Razdvajanjem GaN sklopa na diskretne, male tranzistore koji se mogu rasporediti po površini silicijskog čipa, izbjegava se koncentracija topline na jednom mjestu, što smanjuje ukupnu radnu temperaturu sustava i povećava njegovu pouzdanost i dugovječnost.

Bakar kao ključ uspjeha: Hladnije, jeftinije i učinkovitije

Srž novog procesa integracije leži u inovativnoj tehnici spajanja koja koristi bakar. Svaki GaN tranzistor opremljen je sićušnim bakrenim stupićima na vrhu, koji se izravno vežu na odgovarajuće bakrene stupiće na površini silicijskog CMOS čipa. Ova veza bakra s bakrom može se ostvariti na temperaturama nižim od 400 Celzijevih stupnjeva. To je dovoljno niska temperatura da se izbjegnu bilo kakva oštećenja na osjetljivim strukturama silicijskog čipa ili samog GaN tranzistora, čuvajući njihovu punu funkcionalnost.

Ovo je značajan odmak od postojećih tehnika koje se često oslanjaju na zlato za povezivanje. Zlato ne samo da je znatno skuplji materijal, već zahtijeva i puno više temperature i veće sile za ostvarivanje pouzdane veze. Dodatno, zlato može kontaminirati alate koji se koriste u većini standardnih ljevaonica poluvodiča, zbog čega su za njegovu upotrebu potrebni specijalizirani i skupi pogoni. "Tražili smo proces koji je jeftin, niskotemperaturan i koji zahtijeva malu silu, a bakar pobjeđuje zlato u svim tim kategorijama. Istovremeno, nudi i bolju električnu vodljivost", pojašnjava Pradyot Yadav, vodeći autor istraživanja.

Što to znači za budućnost tehnologije?

Kako bi demonstrirali praktičnu primjenjivost svoje metode, istraživački tim je izradio pojačalo snage, ključnu komponentu u bežičnim komunikacijskim uređajima poput mobilnih telefona. Rezultati su bili impresivni. Njihovi hibridni čipovi, površine manje od pola kvadratnog milimetra, postigli su znatno veću širinu pojasa i bolje pojačanje signala u usporedbi s uređajima koji se oslanjaju isključivo na silicijske tranzistore. U pametnom telefonu, to bi se izravno prevelo u bolju kvalitetu poziva, veće brzine bežičnog prijenosa podataka, stabilniju povezanost i, što je mnogima najvažnije, dulje trajanje baterije.

Budući da se cijeli proces može integrirati u standardne procedure proizvodnje poluvodiča, ova tehnologija ima potencijal poboljšati ne samo postojeću elektroniku, već i otvoriti vrata potpuno novim primjenama. Na primjer, u podatkovnim centrima, koji troše ogromne količine električne energije, energetski učinkovitiji čipovi mogli bi donijeti milijunske uštede i smanjiti ekološki otisak. U električnim vozilima, mogli bi omogućiti manje, lakše i učinkovitije sustave za upravljanje energijom. Dugoročno, ova integracijska shema mogla bi čak biti ključna za kvantne aplikacije, jer galijev nitrid pokazuje bolje performanse od silicija na kriogenim temperaturama neophodnim za rad mnogih tipova kvantnih računala.

Novi alati za novu eru

Da bi se ovaj složeni proces proveo u djelo, tim je morao stvoriti i specijalizirani novi alat. Taj uređaj koristi vakuum kako bi precizno uhvatio i pozicionirao sićušni GaN "dielet" iznad silicijskog čipa, ciljajući bakreno sučelje za vezivanje s nanometarskom preciznošću. Napredna mikroskopija koristi se za nadzor procesa u stvarnom vremenu. Jednom kada je tranzistor savršeno poravnat, alat primjenjuje toplinu i pritisak kako bi stvorio čvrstu i pouzdanu vezu.

"Za svaki korak u procesu, morao sam pronaći novog suradnika koji je znao kako izvesti tehniku koja mi je bila potrebna, učiti od njih i zatim to integrirati u svoju platformu. Bile su to dvije godine neprestanog učenja", ističe Yadav, naglašavajući interdisciplinarnu prirodu ovog proboja. Uspjeh projekta rezultat je suradnje stručnjaka s Georgia Tech i Istraživačkog laboratorija američkih zračnih snaga, uz korištenje naprednih postrojenja na MIT.nano.

Potvrda iz industrije i pogled unaprijed

Značaj ovog postignuća prepoznat je i izvan akademskih krugova. Atom Watanabe, znanstvenik iz tvrtke IBM koji nije bio uključen u istraživanje, komentirao je: "Kako bi se riješilo usporavanje Mooreovog zakona u skaliranju tranzistora, heterogena integracija se pojavila kao obećavajuće rješenje za kontinuirano skaliranje sustava, smanjenje faktora oblika, poboljšanu energetsku učinkovitost i optimizaciju troškova. Ovaj rad predstavlja značajan napredak demonstriranjem 3D integracije više GaN čipova sa silicijskim CMOS-om i pomiče granice trenutnih tehnoloških mogućnosti."

Kombiniranjem najboljih svojstava silicija s vrhunskim mogućnostima galijevog nitrida, ovi hibridni čipovi doista bi mogli revolucionirati brojna komercijalna tržišta. Predstavljaju logičan korak u evoluciji poluvodiča, nudeći put prema bržoj, manjoj i energetski učinkovitijoj elektronici koja će pokretati našu tehnološku budućnost, od 6G mreža do napredne umjetne inteligencije i svemirskih istraživanja.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology