Νέα 3D chips: Ταχύτερη και πιο αποδοτική ηλεκτρονική

Η σημασία του γαλλίου νιτριδίου στην τεχνολογία

Το προχωρημένο ημιαγωγικό υλικό, το γαλλίο νιτρίδιο, αναμένεται να αποτελέσει κλειδί για την επόμενη γενιά συστημάτων υψηλής ταχύτητας επικοινωνίας και των ηλεκτρονικών ισχύος που απαιτούνται για τα σύγχρονα κέντρα δεδομένων. Ωστόσο, το υψηλό κόστος του γαλλίου νιτριδίου (GaN) και η εξειδίκευση που απαιτείται για την ενσωμάτωσή του σε συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα έχουν περιορίσει τη χρήση του σε εμπορικές εφαρμογές.

Καινοτόμος διαδικασία κατασκευής

Ερευνητές από το MIT και άλλους οργανισμούς ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία κατασκευής που ενσωματώνει υψηλής απόδοσης τρανζίστορ GaN σε τυπικά chips πυριτίου CMOS με τρόπο που είναι χαμηλού κόστους, επεκτάσιμος και συμβατός με τις υπάρχουσες βιομηχανίες ημιαγωγών. Η μέθοδος τους περιλαμβάνει την κατασκευή πολλών μικροσκοπικών τρανζίστορ στην επιφάνεια ενός chip GaN, την κοπή κάθε μεμονωμένου τρανζίστορ και στη συνέχεια τη συγκόλληση του απαραίτητου αριθμού τρανζίστορ σε ένα chip πυριτίου χρησιμοποιώντας μια διαδικασία χαμηλής θερμοκρασίας που διατηρεί τη λειτουργικότητα και των δύο υλικών.

Οικονομικά αποδοτική και υψηλής απόδοσης τεχνολογία

Το κόστος παραμένει ελάχιστο, καθώς προστίθεται μόνο μια μικρή ποσότητα υλικού GaN στο chip, αλλά η συσκευή που προκύπτει μπορεί να λάβει σημαντική ώθηση από τα συμπαγή, υψηλής ταχύτητας τρανζίστορ. Επιπλέον, διαχωρίζοντας το κύκλωμα GaN σε διακριτά τρανζίστορ που μπορούν να διανεμηθούν πάνω στο chip πυριτίου, η νέα τεχνολογία είναι σε θέση να μειώσει τη θερμοκρασία του συνολικού συστήματος.

Εφαρμογές και δυνατότητες

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτή τη διαδικασία για την κατασκευή ενός ενισχυτή ισχύος, ενός βασικού εξαρτήματος στα κινητά τηλέφωνα, που επιτυγχάνει μεγαλύτερη ισχύ σήματος και αποδοτικότητα από τις συσκευές με τρανζίστορ πυριτίου. Σε ένα smartphone, αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την ποιότητα κλήσης, να αυξήσει το εύρος ζώνης ασύρματης επικοινωνίας, να ενισχύσει τη συνδεσιμότητα και να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Μέλλον και προοπτικές

Επειδή η μέθοδος τους ενσωματώνεται σε τυπικές διαδικασίες, θα μπορούσε να βελτιώσει τα υπάρχοντα ηλεκτρονικά καθώς και τις μελλοντικές τεχνολογίες. Στο μέλλον, το νέο σχήμα ενσωμάτωσης θα μπορούσε ακόμη και να επιτρέψει κβαντικές εφαρμογές, καθώς το GaN αποδίδει καλύτερα από το πυρίτιο στις κρυογονικές θερμοκρασίες που είναι απαραίτητες για πολλούς τύπους κβαντικής υπολογιστικής.

Η σημασία της τεχνολογίας αυτής

Αν μπορούμε να μειώσουμε το κόστος, να βελτιώσουμε την επεκτασιμότητα και, ταυτόχρονα, να ενισχύσουμε την απόδοση της ηλεκτρονικής συσκευής, είναι αυτονόητο ότι πρέπει να υιοθετήσουμε αυτή την τεχνολογία. Έχουμε συνδυάσει το καλύτερο από αυτό που υπάρχει στο πυρίτιο με την καλύτερη δυνατή ηλεκτρονική του γαλλίου νιτριδίου. Αυτά τα υβριδικά chips μπορούν να φέρουν επανάσταση σε πολλές εμπορικές αγορές, δηλώνει ο Pradyot Yadav, φοιτητής του MIT και κύριος συγγραφέας μιας μελέτης για αυτή τη μέθοδο.

Η διαδικασία κατασκευής

Τα νέα chips είναι το αποτέλεσμα μιας πολυβήματης διαδικασίας. Αρχικά, μια συμπαγής συλλογή μικροσκοπικών τρανζίστορ κατασκευάζεται σε ολόκληρη την επιφάνεια ενός wafer GaN. Χρησιμοποιώντας πολύ λεπτή τεχνολογία λέιζερ, κόβουν το καθένα στο μέγεθος του τρανζίστορ, που είναι 240 επί 410 μικρόμετρα, σχηματίζοντας αυτό που αποκαλούν dielet. Κάθε τρανζίστορ κατασκευάζεται με μικροσκοπικούς πυλώνες χαλκού στην κορυφή, που χρησιμοποιούνται για άμεση συγκόλληση στους πυλώνες χαλκού στην επιφάνεια ενός τυπικού chip πυριτίου CMOS.

Προκλήσεις και λύσεις

Οι τρέχουσες τεχνικές ενσωμάτωσης GaN απαιτούν συνδέσεις που χρησιμοποιούν χρυσό, ένα ακριβό υλικό που χρειάζεται πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες και ισχυρότερες δυνάμεις συγκόλλησης από το χαλκό. Δεδομένου ότι ο χρυσός μπορεί να μολύνει τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες βιομηχανίες ημιαγωγών, συνήθως απαιτεί εξειδικευμένες εγκαταστάσεις. Θέλαμε μια διαδικασία που να είναι χαμηλού κόστους, χαμηλής θερμοκρασίας και χαμηλής δύναμης, και ο χαλκός υπερέχει σε όλα αυτά σε σχέση με το χρυσό. Ταυτόχρονα, έχει καλύτερη αγωγιμότητα, δηλώνει ο Yadav.

Ένα νέο εργαλείο

Για να επιτρέψουν τη διαδικασία ενσωμάτωσης, δημιούργησαν ένα εξειδικευμένο νέο εργαλείο που μπορεί να ενσωματώσει προσεκτικά το εξαιρετικά μικροσκοπικό τρανζίστορ GaN με τα chips πυριτίου. Το εργαλείο χρησιμοποιεί ένα κενό για να κρατήσει το dielet καθώς κινείται πάνω από ένα chip πυριτίου, εστιάζοντας στη διεπαφή συγκόλλησης χαλκού με ακρίβεια νανομέτρων.

Εφαρμογές στην ασύρματη τεχνολογία

Μόλις οι ερευνητές τελειοποίησαν τη διαδικασία κατασκευής, την παρουσίασαν αναπτύσσοντας ενισχυτές ισχύος, που είναι κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων που ενισχύουν ασύρματα σήματα. Οι συσκευές τους πέτυχαν μεγαλύτερο εύρος ζώνης και καλύτερο κέρδος από τις συσκευές που κατασκευάζονται με παραδοσιακά τρανζίστορ πυριτίου. Κάθε συμπαγές chip έχει εμβαδόν μικρότερο από μισό τετραγωνικό χιλιοστό.

Συμπεράσματα και προοπτικές

Για να αντιμετωπιστεί η επιβράδυνση του νόμου του Moore στην κλιμάκωση των τρανζίστορ, η ετερογενής ενσωμάτωση έχει αναδειχθεί ως μια υποσχόμενη λύση για τη συνεχιζόμενη κλιμάκωση των συστημάτων, τη μείωση του μεγέθους, τη βελτίωση της ενεργειακής