Novi 3D čipovi za bržu i učinkovitiju elektroniku

Napredni poluvodički materijal galijev nitrid vjerojatno će biti ključan za sljedeću generaciju brzih komunikacijskih sustava i energetske elektronike potrebne za najsuvremenije podatkovne centre. 

Nažalost, visoka cijena galijevog nitrida (GaN) i specijalizacija potrebna za ugradnju ovog poluvodičkog materijala u konvencionalnu elektroniku ograničili su njegovu upotrebu u komercijalnim primjenama. 

Sada su istraživači s MIT-a razvili novi proces izrade koji integrira visokoučinkovite GaN tranzistore na standardne silicijske CMOS čipove na način koji je jeftin i skalabilan te kompatibilan s postojećim ljevaonicama poluvodiča. 

Njihova metoda uključuje izgradnju mnogih sićušnih tranzistora na površini GaN čipa, izrezivanje svakog pojedinog tranzistora, a zatim lijepljenje samo potrebnog broja tranzistora na silicijski čip korištenjem niskotemperaturnog procesa koji čuva funkcionalnost oba materijala. 

Trošak ostaje minimalan jer se čipu dodaje samo mala količina GaN materijala, ali rezultirajući uređaj može dobiti značajno poboljšanje performansi zahvaljujući kompaktnim, brzim tranzistorima. Osim toga, odvajanjem GaN kruga u diskretne tranzistore koji se mogu rasporediti po silicijskom čipu, nova tehnologija može smanjiti temperaturu cijelog sustava. 

Istraživači su koristili ovaj proces za izradu pojačala snage, bitne komponente u mobilnim telefonima, koje postiže veću jačinu signala i učinkovitost od uređaja sa silicijskim tranzistorima. U pametnom telefonu to bi moglo poboljšati kvalitetu poziva, povećati bežičnu propusnost, poboljšati povezivost i produžiti vijek trajanja baterije. 

Budući da se njihova metoda uklapa u standardne postupke, mogla bi poboljšati elektroniku koja danas postoji, kao i buduće tehnologije. U budućnosti bi nova shema integracije mogla omogućiti čak i kvantne primjene, budući da GaN postiže bolje rezultate od silicija na kriogenim temperaturama bitnim za mnoge vrste kvantnog računarstva. 

Novi čipovi rezultat su procesa koji se provodi u više faza. Prvo se po cijeloj površini GaN pločice izrađuje gusto zbijena skupina minijaturnih tranzistora. Koristeći vrlo finu lasersku tehnologiju, svaki od njih se reže na veličinu tranzistora, koja je 240 x 410 mikrona, formirajući ono što nazivaju 'dielet'. 

Svaki tranzistor je izrađen s malim bakrenim stupićima na vrhu, koji se koriste za izravno spajanje s bakrenim stupićima na površini standardnog silicijskog CMOS čipa. Spajanje bakra na bakar može se obaviti na temperaturama ispod 400 stupnjeva Celzija, što je dovoljno nisko da se izbjegne oštećenje bilo kojeg materijala. 

Kako bi omogućili proces integracije, istraživači su stvorili specijalizirani novi alat koji može pažljivo integrirati izuzetno sićušni GaN tranzistor sa silicijskim čipovima. Alat koristi vakuum za držanje dieleta dok se pomiče po vrhu silicijskog čipa, ciljajući na bakreno spojno sučelje s nanometarskom preciznošću. 

Koristili su naprednu mikroskopiju za praćenje sučelja, a zatim, kada je dielet u pravom položaju, primjenjuju toplinu i tlak kako bi spojili GaN tranzistor s čipom. 

Nakon što su istraživači usavršili proces izrade, demonstrirali su ga razvojem pojačala snage, odnosno radiofrekventnih sklopova koji pojačavaju bežične signale. 

Njihovi uređaji postigli su veću propusnost i bolje pojačanje od uređaja izrađenih s tradicionalnim silicijskim tranzistorima. Svaki kompaktni čip ima površinu manju od pola kvadratnog milimetra. 

Osim toga, budući da je silicijski čip koji su koristili u svojoj demonstraciji baziran na Intel 16 22nm FinFET najsuvremenijim metalizacijskim i pasivnim opcijama, mogli su uključiti komponente koje se često koriste u silicijskim krugovima, poput neutralizacijskih kondenzatora. To je značajno poboljšalo pojačanje pojačala, približavajući ga omogućavanju sljedeće generacije bežičnih tehnologija.