MIT
Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у США розробили відносно недорогу та масштабовану технологію поєднання високошвидкісних транзисторів з нітриду галію зі стандартними кремнієвими чипами.
Очікується, що такий перспективний напівпровідниковий матеріал, як нітрид галію, зіграє ключову роль у створенні високошвидкісних систем зв’язку та силової електроніки наступного покоління. Однак його широке використання досі буле обмежене високою вартістю та необхідністю застосування спеціальних технологій.
Прагнучи вирішити ці проблеми, дослідники з MIT розробили новий процес, що інтегрує високопродуктивні транзистори на основі нітриду галію зі стандартними кремнієвими чипами. Цей метод передбачає створення великої кількості крихітних транзисторів на поверхні чипу з нітриду галію. Кожен з них вирізається окремо і лише необхідні поєднуються з кремнієвим чипом. Це виконується із використанням низькотемпературної технології, яка не порушує продуктивності обох матеріалів.
Оскільки у кожен чип додається незначна кількість нітриду галію, витрати залишаються відносно низькими. У той же час такі чипи стають значно продуктивнішими за рахунок компактних високошвидкісних транзисторів. Розподілення транзисторів на основі нітриду галію по площі кремнієвого чипу також дозволяє знизити загальну температуру системи.
Використовуючи цей метод, дослідники MIT створили посилювач потужності, критично важливий для смартфонів, що забезпечує більш потужні сигнали і кращу ефективність, ніж традиційні аналоги на основі кремнію. У випадку зі смартфоном це означає більш стабільне з’єднання, надійніший бездротовий зв’язок та більш тривалий термін роботи акумулятора. Новий метод також може покращити квантові обчислення і призвести до появи квантових застосунків, оскільки нітрид галію стабільніший та ефективніший за кремній в умовах низьких температур.
«Якщо ми можемо знизити вартість, покращити масштабованість і водночас підвищити продуктивність електронного пристрою, то нам, без сумніву, слід ухвалити цю технологію. Ми об’єднали найкраще з того, що дає кремній, з найкращою можливою електронікою на основі нітриду галію. Ці гібридні чипи можуть зробити революцію на багатьох комерційних ринках», — переконує провідний автор дослідження, аспірант MIT Прадьот Ядав.
Науковці вже тривалий час працюють над тим, щоб об’єднати чипи на основі нітриду галію з кремнієвими. Деякі методи передбачають інтеграцію транзисторів з нітриду галію до кремнієвого чипу шляхом паяння з’єднань, що обмежує розмір транзисторів. Чим менші транзистори, тим вища частота, на якій вони можуть працювати.
Інші методи інтегрують цілу пластину нітриду галію поверх кремнієвої, однак це дуже витратно. При тому, що нітрид галію необхідний лише у невеликій кількості крихітних транзисторів.
У своєму методі науковці з MIT спочатку виготовляють щільно упакований набір транзисторів по всій поверхні пластини з нітриду галію. За допомогою дуже тонкого лазера вони обрізають кожен з транзисторів до розмірів 240 на 410 мікрон. Кожен транзистор зверху має крихітні мідні стовбці, що використовуються для з’єднання з мідними стовбчиками на поверхні кремнієвого чипу. Ці з’єднання можна виконати за температури нижче 400 С°, що дозволяє уникнути пошкодження матеріалів.
Для інтеграції транзисторів з нітриду галію з кремнієвими чипами науковці створили інноваційний інструмент, здатний обережно розмістити крихітні GaN-транзистори на поверхні кремнієвого чипу. У цьому процесі використовується вакуум для утримання транзисторів під час переміщення цього інструменту по поверхні кремнієвого чипу. Науковці використали розширену мікроскопію для контролю за процесами. Коли транзистори опиняються у необхідному положенні, за допомогою тепла та тиску їх кріплять до кремнієвого чипу.
Після того, як дослідники вдосконалили процес виготовлення, вони продемонстрували його, розробивши підсилювачі потужності, що являють собою радіочастотні схеми, які підсилюють бездротові сигнали. Їх пристрої досягли вищої пропускної спроможності та кращого посилення, ніж пристрої, виготовлені з використанням традиційних кремнієвих транзисторів. Кожен компактний чип має площу менше половини квадратного міліметра.
Джерело: SciTechDaily; MIT