| +11 голос |
|
Передовий напівпровідниковий матеріал нітрид галію, ймовірно, стане ключовим елементом для наступного покоління високошвидкісних систем зв'язку та силової електроніки, необхідної для сучасних центрів обробки даних.
На жаль, висока вартість нітриду галію (GaN) і необхідність спеціальної підготовки для використання цього напівпровідникового матеріалу в традиційній електроніці обмежили його застосування в комерційних цілях.
Тепер дослідники з Массачусетського технологічного інституту та інших організацій розробили новий процес виробництва, який дозволяє інтегрувати високопродуктивні транзистори GaN в стандартні кремнієві чіпи CMOS з низькими витратами, масштабованістю і сумісністю з наявними напівпровідниковими фабриками.
Їхній метод полягає у створенні безлічі крихітних транзисторів на поверхні чіпа GaN, вирізанні кожного окремого транзистора, а потім з'єднанні необхідної кількості транзисторів з кремнієвим чіпом за допомогою низькотемпературного процесу, який зберігає функціональність обох матеріалів.
Вартість залишається мінімальною, оскільки до чіпа додається лише невелика кількість матеріалу GaN, але в результаті пристрій може отримати значне підвищення продуктивності внаслідок компактних високошвидкісних транзисторів. Крім того, завдяки розділенню схеми GaN на дискретні транзистори, які можна розподілити по кремнієвому чіпу, нова технологія дозволяє знизити температуру всієї системи.
Дослідники використовували цей процес для виготовлення підсилювача потужності, необхідного компонента мобільних телефонів, який забезпечує більш високу потужність сигналу та ефективність, ніж пристрої з кремнієвими транзисторами. У смартфоні це може поліпшити якість зв'язку, збільшити пропускну здатність бездротової мережі, поліпшити підключення і продовжити термін служби батареї.
Оскільки їх метод відповідає стандартним процедурам, він може поліпшити як наявну сьогодні електроніку, так і майбутні технології. У перспективі нова схема інтеграції може навіть зробити можливим застосування квантових технологій, оскільки GaN працює краще, ніж кремній, при кріогенних температурах, необхідних для багатьох типів квантових обчислень.
«Якщо ми зможемо знизити вартість, поліпшити масштабованість і водночас підвищити продуктивність електронного пристрою, то немає ніяких сумнівів, що ми повинні прийняти цю технологію. Ми об'єднали найкраще з того, що існує в кремнії, з найкращою можливою електронікою на основі нітриду галію. Ці гібридні чіпи можуть революціонізувати багато комерційних ринків», — каже Прадьот Ядав (Pradyot Yadav), аспірант MIT і провідний автор статті про цей метод.
До нього приєдналися інші аспіранти MIT Джинчен Ван (Jinchen Wang) і Патрік Дармаві-Іскандар (Patrick Darmawi-Iskandar); постдокторант MIT Джон Нірула (John Niroula); старші автори Ульріх Л. Роде (Ulrich L. Rohde), запрошений вчений в Microsystems Technology Laboratories (MTL), і Руонан Хан (Ruonan Han), доцент кафедри електротехніки та інформатики (EECS) і член MTL; а також Томас Паласіос (Tomás Palacios), професор EECS імені Кларенса Дж. ЛеБела і директор MTL; а також співробітники Georgia Tech і Air Force Research Laboratory. Результати дослідження були представлені на симпозіумі IEEE з радіочастотних інтегральних схем.
Нітрид галію є другим за популярністю напівпровідником у світі після кремнію, а його унікальні властивості роблять його ідеальним для таких застосувань, як освітлення, радіолокаційні системи та силова електроніка.
Цей матеріал існує вже кілька десятиліть, і для досягнення максимальної продуктивності важливо, щоб чіпи з GaN були підключені до цифрових чіпів з кремнію, також званих CMOS-чипами. Для цього деякі методи інтеграції з'єднують транзистори GaN з CMOS-чіпом шляхом пайки з'єднань, але це обмежує розмір транзисторів GaN. Чим менше транзистори, тим вища частота, на якій вони можуть працювати.
Інші методи інтегрують всю пластину з нітриду галію на кремнієву пластину, але використання такої великої кількості матеріалу є надзвичайно дорогим, особливо з урахуванням того, що GaN потрібно тільки для декількох крихітних транзисторів. Решта матеріалу в пластині GaN пропадає даремно.
«Ми хотіли об'єднати функціональність GaN з потужністю цифрових чіпів з кремнію, але без шкоди для вартості або пропускної здатності. Ми досягли цього, додавши надмалі дискретні транзистори з нітриду галію прямо на кремнієвий чіп», — пояснює Ядав.
Спочатку на всій поверхні GaN-пластини виготовляється щільно упакована колекція крихітних транзисторів. Використовуючи дуже точну лазерну технологію, вони розрізають кожен з них до розміру транзистора, який становить 240×410 мікронів, утворюючи те, що вони називають діелетом.
Кожен транзистор виготовляється з крихітними мідними стовпчиками на верхівці, які використовуються для прямого з'єднання з мідними стовпчиками на поверхні стандартного кремнієвого чіпа CMOS. З'єднання міді з міддю може здійснюватися при температурі нижче 400° C, що досить низько, щоб не пошкодити жоден з матеріалів.
Наявні технології інтеграції GaN вимагають використання золота, дорогого матеріалу, який вимагає набагато вищих температур і сильніших сил зчеплення, ніж мідь. Оскільки золото може забруднювати інструменти, що використовуються в більшості напівпровідникових заводів, для його використання зазвичай потрібні спеціальні приміщення.
«Ми хотіли знайти процес, який був би недорогим, низькотемпературним і не вимагав великих зусиль, і мідь перевершує золото за всіма цими параметрами. Водночас вона має кращу провідність», — повідомив Ядав.
Щоб забезпечити процес інтеграції, вони створили новий спеціалізований інструмент, який може акуратно інтегрувати надзвичайно маленький GaN-транзистор з кремнієвими чіпами. Інструмент використовує вакуум для утримання діелета, коли він переміщається по кремнієвому чіпу, з нанометровою точністю націлюючись на мідно-зв'язуючий інтерфейс.
Вони використовували сучасну мікроскопію для спостереження за інтерфейсом, а потім, коли діелектрик знаходиться в потрібному положенні, застосовують тепло і тиск, щоб з'єднати GaN-транзистор з чіпом.
«Для кожного етапу процесу мені доводилося знаходити нового співробітника, який знав, як виконати необхідну мені техніку, вчитися у нього, а потім інтегрувати це в мою платформу. Це були два роки постійного навчання», — підкреслив Ядав.
Після того як дослідники вдосконалили процес виготовлення, вони продемонстрували його, розробивши підсилювачі потужності.
Їхні пристрої досягли вищої пропускної здатності та кращого коефіцієнта підсилення, ніж пристрої, виготовлені з використанням традиційних кремнієвих транзисторів. Кожен компактний чіп має площу менше половини квадратного міліметра.
Крім того, оскільки кремнієвий чіп, який вони використовували у своїй демонстрації, заснований на передових технологіях металізації та пасивних опціях Intel 16 22-нм FinFET, вони змогли включити компоненти, часто використовувані в кремнієвих схемах, такі як нейтралізувальні конденсатори. Це значно поліпшило коефіцієнт підсилення, наблизивши його на один крок до створення бездротових технологій наступного покоління.
«Для розв'язання проблеми уповільнення закону Мура в області масштабування транзисторів гетерогенна інтеграція стала перспективним рішенням для продовження масштабування систем, зменшення формфактора, підвищення енергоефективності та оптимізації витрат. Зокрема, в області бездротових технологій тісна інтеграція складних напівпровідників з кремнієвими пластинами має вирішальне значення для реалізації уніфікованих систем інтегральних схем, процесорів базової смуги, прискорювачів і пам'яті для платформ наступного покоління від антен до штучного інтелекту. Ця робота є значним проривом, демонструючи 3D-інтеграцію декількох чіпів GaN з кремнієвими CMOS і розширюючи межі сучасних технологічних можливостей», — повідомив Атом Ватанабе (Atom Watanabe), науковий співробітник IBM, який не брав участі в написанні цієї статті.
Ця робота частково підтримується Міністерством оборони США через програму стипендій National Defense Science and Engineering Graduate (NDSEG) і CHIMES, один із семи центрів JUMP 2.0, програми Semiconductor Research Corporation, що здійснюється Міністерством оборони та Агентством перспективних досліджень Міністерства оборони (DARPA). Виготовлення було здійснено з використанням обладнання MIT.Nano, Дослідницької лабораторії ВПС і Технологічного інституту Джорджії.
| +11 голос |
|
