Традиционные кремниевые полупроводники уже не первый год мирно сосуществуют на мировом рынке с полупроводниками нового поколения: на основе карбида кремния и нитрида галлия. Главной отличительной характеристикой этих новых полупроводниковых соединений является их широкая запрещённая зона.
Запрещённая зона: энергия, необходимая, чтобы электрон перескочил из валентной зоны, где он не может проводить электричество, в зону проводимости.
Широкая запрещённая зона SiC и GaN (примерно в три раза шире, чем у кремния) означает более высокое напряжение пробоя и более высокую термическую стабильность. Неудивительно, что новые материалы нашли самое широкое применение в силовой электронике электромобилей. При этом GaN обладает очень высокой подвижностью электронов (2000 см2/В·с у нитрида галлия по сравнению с 1500 см2/В·с у кремния). Это предопределило широкое использование GaN-полупроводников в радиочастотном оборудовании, в особенности — в базовых станциях мобильной связи. Более высокие частоты переключения, чем у кремния, — аргумент с большой буквы в пользу чипов на нитриде галлия.
И всё бы хорошо, но у GaN чипов есть свои недостатки, и главные — это их дороговизна по сравнению с кремниевыми и существенное отличие в производственных процессах. В общем, взять и просто произвести GaN чипы на стандартных кремниевых полупроводниковых фабриках без серьёзной доработки производственных линий не получится.
Оригинальное решение предложили исследователи американского института MIT (Массачусетский технологический институт): интеграцию высокоскоростных GaN-транзисторов в обычный кремниевый чип. На первом этапе на поверхности GaN-пластины формируется множество транзисторов. Потом эти транзисторы вырезаются и прикрепляются к кремниевому чипу. Таким образом в стандартный чип привносится функциональность GaN-транзисторов, а затраты дорогостоящего материалы при этом существенно снижаются.
Исследователи уже опробовали эту технологию при изготовлении усилителей мощности для мобильных телефонов. В результате: более высокая мощность сигнала и эффективность по сравнению с кремнием.
Как вырезаются транзисторы с GaN-пластины? При помощи лазера. При этом размер транзистора составляет 410х240 микрон. Каждый транзистор имеет медный столбик, который впоследствии соединяется с медным столбиком на поверхности кремниевого чипа. Для этой процедуры создан специальный инструмент, использующий вакуум для удержания транзистора и перемещения по кремниевой пластине к месту соединения при помощи нагрева.
Технология на первый взгляд выглядит несколько сложной. Однако учёные считают, что экономия такого дорогостоящего материала как нитрид галлия и возможность производить кремниевые пластины на стандартных полупроводниковых фабриках делает данную технологию очень перспективной.
К тому же дело не только в цене. Дело в том, что 98% мировых поставок сырого галлия обеспечивает Китай, который в 2023 году ввёл ограничениях на экспорт металлического галлия и его ключевых соединений, включая GaN (в качестве ответной меры на санкции западных государств в отношении китайской полупроводниковой промышленности). Поможет ли новая технология американской микроэлектронике, покажет время. Но то, что роль такого ключевого материала как нитрид галлия в эпоху бурного развития мобильных технологий будет только повышаться, особых сомнений нет.