Монокристален диамант драстично ще подобри производителността на GaN транзисторите

07.07.2026   |   Начало»Новини

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Силицият, формиращ основата на повечето компютърни чипове, има фундаментални ограничения по отношение на мощността, която може да управлява. Това се отразява на скоростта и енергийната ефективност на безжичните комуникационни системи. Перспективно решение е бъдещите безжични електронни устройства да използват транзистори от галиев нитрид (GaN) – материал, способен да осигури необходимата скорост и мощност за взискателни приложения, като 6G и сателитните комуникации. Но дори и при най-добрите транзистори значителна част от енергията се превръща в топлина. При разполагането на по-голям брой GaN транзистори върху силициевите чипове възникват локални горещи точки, които намаляват надеждността и влошават производителността.

Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) и партньорски организации обявиха, че са намерили начин да се преодолее това ограничение, като интегрират GaN транзистори в свръхтънък слой диамант. Диамантът действа като топлинен разпределител, нормализира температурата и позволява на транзисторите да се доближат до максималната си производителност без компромис с надеждността.

С помощта на тази технология екипът разработва усилвател на мощност за безжични комуникации, който превъзхожда всички сходни усилватели, описани в научната литература. Макар производственият процес да изисква изключително висока прецизност и интегриране на различни материали, той може да бъде мащабиран до ниво, подходящо за търговско производство.

"Нито един материал сам по себе си не може да извършва всичко необходимо в едно безжично устройство, затова 3D хетерогенно интегрираните системи ще запазят мястото си. Основното предизвикателство досега беше надеждността и управлението на температурата, а ние може би направихме последната необходима стъпка, за да могат тези системи да се произвеждат в големи обеми", обясни Прадьот Ядав, докторант по електротехника и компютърни науки в MIT и водещ автор на публикацията.

Многоматериален подход

За създаването на по-бърза и по-енергийноефективна електроника учените разработват хетерогенно интегрирани системи, при които няколко различни материала се подреждат в един общ модул, така че да се използват най-добрите свойства на всеки от тях.

Специалисти от MIT вече демонстрираха чипове, при които галиев нитрид е интегриран върху силиций и върху стъкло, постигайки по-висока производителност. При подобни хетерогенни чипове обаче всеки материал работи при различна температура, което може да намали надеждността на електронното устройство.

"Ако използваме материал, който управлява топлината така, че GaN и силицият да работят при една и съща температура, надеждността на целия 3D чип значително се подобрява. Най-подходящият материал за това е диамантът", обяснява Ядав.

Учените използват лабораторно отгледан диамант с бижутерско качество – от същия тип, какъвто може да се срещне в годежни пръстени. Диамантът има най-висока топлопроводимост сред всички известни материали.

Напредъкът в технологиите за синтез значително е намалил цената на монокристалните диамантени пластини, което прави използването им в микроелектрониката все по-практично.

В предишни проекти свръхтънки монокристални слоеве диамант са синтезирани директно върху GaN транзистори за отвеждане на топлината. Този процес обаче трудно се мащабира и води до появата на нежелани паразитни капацитети. Те акумулират част от енергията, преминаваща през интегралната схема, отклоняват я от транзисторите и забавят тяхната работа.

Екипът на MIT разработва напълно различен подход, който свежда тези паразитни капацитети до минимум. Вместо да синтезират диамант върху транзисторите, те вграждат миниатюрни GaN транзистори, т. нар. dielets, в свръхтънък междинен слой (interposer) – субстрат, изграден от монокристален диамант. Именно този диамантен слой разпределя топлината, така че GaN и силицият работят при еднаква температура без нежеланите паразитни капацитети.

"Чрез интегрирането на GaN транзисторите в диамантен междинен слой реално подобряваме производителността на устройството, вместо да я влошаваме. Получаваме най-доброто от двата материала", казва Ядав.

Прецизен производствен процес

Производството започва с използването на свръхбърз фемтосекунден лазер, който изрязва предварително подготвените GaN транзистори от пластината. След това с лазера се оформят кухини с точно определени размери в диамантения субстрат. На дъното на всяка кухина внимателно се поставя свързващ термоинтерфейсен филм с дебелина едва 20 микрометра, върху който се позиционира GaN елементът.

След поставянето му се прилагат топлина и налягане, така че транзисторът да се свърже плътно както с филма, така и с диамантения субстрат. След това върху GaN транзисторите и диамантения слой се изграждат допълнителни диелектрични и метални слоеве, оформящи завършената интегрална схема.

Рекордни резултати

С тази технология учените изработват усилвател на мощност – един от основните градивни елементи на всяка безжична система. Усилвателят постига по-висока изходна мощност, по-добра ефективност и по-голям коефициент на усилване от всички сходни устройства, за които има налична информация, включително усилвател, разработен от самия екип в предишен проект.

Резултатите показват, че технологията е особено подходяща за приложения с високи изисквания като високомощни радарни системи, авиокосмически комуникационни системи и индустриални дронове. Тя може да намери приложение и в системите за преобразуване на електроенергия в центрове за данни, където по-ефективното управление на температурата ще повиши общата енергийна ефективност.

Ядав се надява, че други учени ще надградят тези постижения при разработването на още по-сложни хетерогенно интегрирани системи, които да разкрият нови възможности за електрониката от следващо поколение.

"Когато започнах докторантурата си, се питахме дали всичко това изобщо е възможно. Изглеждаше като научна фантастика. Днес вече показахме системи, които превъзхождат всичко, налично на пазара. Галиевият нитрид и триизмерните хетерогенно интегрирани системи ще бъдат в основата на множество бъдещи приложения", казва той.

Проектът е финансиран частично от Министерството на отбраната на САЩ, MIT и програмата Qualcomm Innovation Fellowships.

Ключови думи: MIT   транзистори   GaN  

Област: Електроника