Нови 3D чипове обещават да направят електрониката по-бърза и по-енергийноефективна

08.08.2025   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Галиевият нитрид (GaN) вероятно ще бъде ключът към създаването високоскоростните комуникационни системи и силовата електроника от следващо поколение, необходими за най-модерните центрове за данни. За съжаление обаче високата му цена и специализацията, необходима за влагането на този материал в конвенционалната електроника, ограничават използването му в търговски приложения. Решение наскоро предложиха изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT).

В партньорство с колеги от други изследователски институти те са създали нов процес, който интегрира високопроизводителни GaN транзистори в стандартни силициеви CMOS чипове по начин, който е едновременно евтин и мащабируем и съвместим със съществуващите производствени технологии.

Методът включва изграждането на множество миниатюрни транзистори на повърхността на GaN чип, изрязвайки всеки отделен транзистор и след това прикрепването само на необходимия брой транзистори към силициев чип, използвайки нискотемпературен процес, който запазва функционалността и на двата материала.

Разходите са минимални, тъй като само малко количество GaN се добавя към чипа, но полученият модул може да подобри значително характеристиките си с помощта на компактните, високоскоростни транзистори. Освен това, чрез отделянето на GaN веригата в дискретни транзистори, които могат да бъдат разпръснати по силициевия чип, новата технология спомага за намаляване на температурата на цялата система, твърдят изследователите от MIT.

Те демонстрират ефективността на процеса като изработват усилвател на мощността – важен компонент в мобилните телефони, който постига по-голяма сила и ефективност на сигнала, отколкото устройствата със силициеви транзистори. В един смартфон това може да подобри качеството на разговорите, да увеличи безжичната честотна лента, да подобри свързаността и да удължи живота на батерията.

По-висока ефективност при по-ниски разходи

Тъй като методът се вмества в стандартните технологични процеси, той може да подобри както вече съществуващата електроника, така и бъдещи технологии. Новата схема за интеграция може да улесни квантови приложения, тъй като GaN работи по-добре от силиция при криогенни температури, което е от жизненоважно значение за много типове квантови изчисления.

"Ако можем да намалим разходите, да подобрим мащабируемостта и в същото време да подобрим характеристиките на електронното устройство, то тогава е очевидно, че трябва да възприемем тази технология. Комбинирахме най-доброто от силиция с най-добрата възможна електроника от галиев нитрид. Тези хибридни чипове могат да революционизират много пазари", коментира Прадьот Ядав, дипломант в MIT и водещ автор на публикацията за проучването.

Галиевият нитрид е вторият най-широко разпространен полупроводников материал в света, нареждащ се веднага след силиция, и заради уникалните си свойства е идеален за приложения като осветление, радарни системи и силова електроника.

Материалът съществува от десетилетия и, за да се възползваме максимално от възможностите му, е важно чиповете от GaN да са свързани към дигитални чипове от силиций, наречени CMOS чипове. За да стане това, някои методи за интеграция закрепят GaN транзистори в CMOS чип като запояват конекторите, но това ограничава колко малки могат да бъдат GaN транзисторите. Колкото по-малки са транзисторите, толкова висока е честотата, на която могат да работят.

Други методи интегрират цяла пластина от галиев нитрид върху силициева пластина, но използването на толкова много материал е изключително скъпо, особено когато GaN е необходим само за няколко миниатюрни транзистора. Останалият материал в GaN пластината се губи.

"Искахме да комбинираме функционалността на GaN с мощността на дигиталните чипове, изработени от силиций, но без да правим компромис с честотната лента. Постигнахме това, като добавихме суперминиатюрни дискретни транзистори от галиев нитрид директно върху силициевия чип", обяснява Ядав.

Новите чипове са резултат от многостъпален процес

Първо, плътно нареден набор от миниатюрни транзистори се изработват по цялата повърхност на GaN пластина. Използвайки много фина лазерна технология, всеки един от тях се изрязва до размери 240 на 410 микрона, като изследователите го наричат "диелет".

Всеки транзистор е изработен с малки медни стълбчета отгоре, които се използват за директно свързване с медните стълбчета на повърхността на стандартен силициев CMOS чип. Спояването мед към мед може да се направи при температури под 400°C, достатъчно ниски, за да се избегне повреждането на някой от материалите.

Съвременните техники за интеграция на GaN изискват връзки, за които се използва злато – скъп материал, който изисква по-високи температури и по-силни захващащи сили от медта. Тъй като златото замърсява инструментите, използвани в повечето съоръжения за полупроводникови компоненти, то обикновено изисква специализирано технологично оборудване.

"Искахме процес, който е евтин, при по-ниска температура и с прилагане на по-малка сила и медта спечели по всички показатели в сравнение със златото. В същото време, тя е с по-висока проводимост", казва Ядав.

Нов инструмент

За извършването на процеса, изследователският екип създава специализиран нов инструмент, който може внимателно да интегрира изключително миниатюрният GaN транзистор в силициевите чипове. Инструментът използва вакуум, за да държи диелета, докато се движи върху силициевия чип, фокусирайки се върху медния свързващ интерфейс с точност до нанометър.

Изследователите използват микроскоп, за да наблюдават интерфейса и когато диелетът е на точната позиция, те прилагат топлина и натиск, за да свържат GaN транзистора към чипа.

"За всяка стъпка от процеса трябваше да намеря нов сътрудник, който знае как да използва техниката, която ми трябваше, да се уча от него и след това да я интегрирам в моята платформа. Това бяха две години на постоянно учене", казва Ядав.

Ключови думи: MIT   GaN   CMOS   транзистори   чипове  

Област: Електроника