Исследователи разработали новый производственный процесс, который позволяет интегрировать высокопроизводительные транзисторы из нитрида галлия в стандартные кремниевые микросхемы CMOS с минимальными затратами и масштабированием.
Эта недорогая масштабируемая технология позволяет легко интегрировать высокоскоростные транзисторы из нитрида галлия в стандартный кремниевый чип.
Нитрид галлия — это передовой полупроводниковый материал, который, как ожидается, будет играть ключевую роль в высокоскоростных системах связи следующего поколения и силовой электронике, поддерживающей современные центры обработки данных.
Однако широкое применение нитрида галлия (GaN) было ограничено его высокой стоимостью и необходимостью использования специальных технологий для его внедрения в стандартные электронные системы.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Массачусетского технологического института и сотрудничающих с ним организаций разработали новый производственный процесс, который позволяет интегрировать высокопроизводительные нитрид-галлиевые транзисторы в стандартные кремниевые КМОП-чипы. Этот подход является недорогим, масштабируемым и совместимым с современными процессами производства полупроводников.
Метод заключается в изготовлении множества крошечных транзисторов на поверхности нитрид-галлиевого чипа, их индивидуальном вырезании и соединении только необходимых транзисторов с кремниевым чипом. Это делается с помощью низкотемпературной технологии, которая сохраняет характеристики обоих материалов.
Поскольку в каждый чип добавляется лишь небольшое количество нитрида галлия, затраты остаются низкими. В то же время устройство значительно повышает производительность благодаря компактным высокоскоростным транзисторам. Распределение транзисторов из нитрида галлия по всему кремниевому чипу также помогает снизить общую температуру системы.
Используя этот метод, исследователи создали усилитель мощности — важнейший компонент мобильных телефонов, который обеспечивает более сильный сигнал и более высокую эффективность, чем традиционные версии на основе кремния. В смартфоне это может привести к более четким звонкам, более быстрому беспроводному подключению, улучшению общей связи и увеличению времени автономной работы.
Поскольку их метод вписывается в стандартные процедуры, он может улучшить как существующую сегодня электронику, так и технологии будущего. В перспективе новая схема интеграции может даже обеспечить квантовые приложения, поскольку нитрид галлия работает лучше, чем кремний, при криогенных температурах, необходимых для многих типов квантовых вычислений.
«Если мы сможем снизить стоимость, улучшить масштабируемость и в то же время повысить производительность электронного устройства, то, без сомнения, нам следует внедрить эту технологию. Мы объединили лучшее из того, что есть в кремнии, с лучшей из возможных нитрид-галлиевых электронных схем. Эти гибридные чипы могут произвести революцию на многих коммерческих рынках», — говорит Прадьот Ядав, аспирант Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи об этом методе.
В работе над статьей ему помогали аспиранты Массачусетского технологического института Цзиньчэнь Ван и Патрик Дармави-Искандар, постдок Массачусетского технологического института Джон Нирула, старшие авторы Ульрих Л. Роде, приглашенный ученый из Лаборатории микросистемных технологий (MTL), и Руонан Хан, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) и член MTL, а также Томас Паласиос, профессор EECS и директор MTL, а также коллеги из Технологического института Джорджии и Исследовательской лаборатории ВВС. Результаты исследования были недавно представлены на симпозиуме IEEE по радиочастотным интегральным схемам.
Замена транзисторов
Нитрид галлия — второй по распространённости полупроводник в мире после кремния, а его уникальные свойства делают его идеальным для таких областей применения, как освещение, радиолокационные системы и силовая электроника.
Этот материал существует уже несколько десятилетий, и для достижения максимальной производительности важно, чтобы микросхемы на основе нитрида галлия были соединены с цифровыми микросхемами на основе кремния, также называемыми КМОП-микросхемами. Для этого некоторые методы интеграции предполагают соединение транзисторов на основе нитрида галлия с КМОП-микросхемой путём пайки, но это ограничивает размер транзисторов на основе нитрида галлия. Чем меньше транзисторы, тем выше частота, на которой они могут работать.
В других методах целая пластина из нитрида галлия встраивается в кремниевую пластину, но использование такого количества материала крайне затратно, особенно с учётом того, что GaN нужен только в нескольких крошечных транзисторах. Остальной материал в пластине из GaN расходуется впустую.
«Мы хотели объединить функциональность нитрида галлия с мощностью цифровых микросхем из кремния, но без ущерба для стоимости или пропускной способности. Мы добились этого, добавив сверхтонкие дискретные транзисторы из нитрида галлия прямо поверх кремниевой микросхемы», — объясняет Ядав.
Новые микросхемы являются результатом многоэтапного процесса.
Во-первых, по всей поверхности пластины GaN изготавливается плотно упакованный набор миниатюрных транзисторов. Используя очень тонкую лазерную технологию, они обрезали каждый из них до размеров транзистора, который составляет 240 на 410 микрон, образуя то, что они называют дилетом.
Каждый транзистор изготавливается с крошечными медными выводами на верхней части, которые используются для непосредственного соединения с медными выводами на поверхности стандартного кремниевого КМОП-чипа. Соединение меди с медью может осуществляться при температуре ниже 400 градусов по Цельсию, что достаточно низко для предотвращения повреждения обоих материалов.
Современные методы интеграции GaN требуют использования золота — дорогостоящего материала, для которого требуются гораздо более высокие температуры и более сильное сцепление, чем для меди. Поскольку золото может загрязнять инструменты, используемые на большинстве полупроводниковых литейных заводов, для его обработки обычно требуются специализированные помещения.
«Нам нужен был недорогой, низкотемпературный и малозатратный процесс, и медь выигрывает по всем этим параметрам по сравнению с золотом. В то же время она обладает лучшей проводимостью», — говорит Ядав.
Новый инструмент
Чтобы обеспечить процесс интеграции, они создали новый специализированный инструмент, который позволяет аккуратно интегрировать чрезвычайно крошечный нитрид-галлиевый транзистор в кремниевые чипы. Инструмент использует вакуум для удержания подложки, которая перемещается поверх кремниевого чипа, с нанометровой точностью совмещаясь с медным интерфейсом.
Они использовали современную микроскопию для наблюдения за интерфейсом, а затем, когда пластина находилась в правильном положении, применяли тепло и давление, чтобы соединить нитрид галлия с чипом.
«На каждом этапе процесса мне приходилось искать нового сотрудника, который знал бы, как применить нужную мне технику, учиться у него, а затем интегрировать это в свою платформу. Это были два года постоянного обучения», — говорит Ядав.
Как только исследователи усовершенствовали процесс производства, они продемонстрировали его, разработав усилители мощности — радиочастотные схемы, усиливающие беспроводные сигналы.
Их устройства обеспечивали более высокую пропускную способность и коэффициент усиления, чем устройства, изготовленные с использованием традиционных кремниевых транзисторов. Площадь каждого компактного чипа составляет менее половины квадратного миллиметра.
Кроме того, поскольку кремниевый чип, который они использовали в своей демонстрации, основан на новейшей технологии Intel 16 22-нм FinFET с современной металлизацией и пассивными опциями, они смогли включить в него компоненты, часто используемые в кремниевых схемах, такие как нейтрализующие конденсаторы. Это значительно повысило коэффициент усиления усилителя, приблизив его на шаг к созданию беспроводных технологий следующего поколения.