Nové 3D čipy slibují rychlejší a energeticky úspornější elektroniku

Pokročilý polovodičový materiál nitrid galia (GaN) bude pravděpodobně klíčový pro příští generaci vysokorychlostních komunikačních systémů a výkonové elektroniky potřebné pro špičkové datová centra.

Bohužel, vysoká cena nitridu galia a specializace potřebná k zabudování tohoto polovodičového materiálu do konvenční elektroniky omezovaly jeho využití v komerčních aplikacích.

Nyní výzkumníci z MIT a dalších institucí vyvinuli nový výrobní proces, který integruje vysoce výkonné GaN tranzistory na standardní křemíkové CMOS čipy způsobem, který je levný, škálovatelný a kompatibilní s existujícími polovodičovými výrobními závody.

Metoda zahrnuje vytvoření mnoha malých tranzistorů na povrchu GaN čipu, vyříznutí každého jednotlivýho tranzistoru a následné spojení pouze potřebného počtu tranzistorů na křemíkový čip pomocí nízkoteplotního procesu, který zachovává funkčnost obou materiálů.

Náklady zůstávají minimální, protože na čip se přidá pouze nepatrné množství GaN materiálu, ale výsledné zařízení může získat značné zvýšení výkonu díky kompaktním, vysokorychlostním tranzistorům. Navíc oddělením GaN obvodu do diskrétních tranzistorů, které lze rozprostřít po křemíkovém čipu, je nová technologie schopna snížit teplotu celého systému.

Výzkumníci použili tento proces k výrobě výkonového zesilovače, základní součásti mobilních telefonů, který dosahuje vyšší síly signálu a účinnosti než zařízení s křemíkovými tranzistory. V chytrém telefonu by to mohlo zlepšit kvalitu hovorů, zvýšit šířku pásma bezdrátové sítě, zlepšit konektivitu a prodloužit výdrž baterie.

Protože jejich metoda zapadá do standardních postupů, mohla by zlepšit existující elektroniku i budoucí technologie. V budoucnu by nový integrační systém mohl umožnit i kvantové aplikace, jelikož GaN pracuje lépe než křemík při kryogenních teplotách nezbytných pro mnoho typů kvantového počítání.

„Pokud dokážeme snížit náklady, zlepšit škálovatelnost a zároveň zlepšit výkon elektronického zařízení, je jasné, že bychom měli tuto technologii přijmout. Spojili jsme to nejlepší, co existuje v křemíku, s nejlepší možnou elektronikou z nitridu galia. Tyto hybridní čipy mohou revolučně změnit mnoho komerčních trhů,“ říká Pradyot Yadav, postgraduální student MIT a hlavní autor článku o této metodě.

Na článku se podíleli také další postgraduální studenti MIT Jinchen Wang a Patrick Darmawi-Iskandar; postdoktorand MIT John Niroula; vedoucí autoři Ulrich L. Rohde, hostující vědec v Laboratořích mikrosystémové technologie (MTL), a Ruonan Han, docentka na katedře elektrotechniky a počítačové vědy (EECS) a členka MTL; a Tomás Palacios, profesor Clarence J. LeBel EECS a ředitel MTL; stejně jako spolupracovníci z Georgia Tech a letecké výzkumné laboratoře. Výzkum byl nedávno prezentován na sympoziu IEEE o integrovaných obvodech s rádiovou frekvencí.

Výměna tranzistorů

Nitrid galia je druhý nejrozšířenější polovodič na světě, hned po křemíku, a jeho jedinečné vlastnosti z něj činí ideální materiál pro aplikace, jako je osvětlení, radarové systémy a výkonová elektronika.

Materiál existuje již desítky let a pro dosažení maximálního výkonu je důležité, aby čipy vyrobené z GaN byly spojeny s digitálními čipy vyrobenými z křemíku, také zvanými CMOS čipy. Pro umožnění tohoto spojení některé integrační metody spojují GaN tranzistory na CMOS čip pájením kontaktů, ale to omezuje, jak malé mohou být GaN tranzistory. Čím menší tranzistory, tím vyšší frekvence, na které mohou pracovat.

Další metody integrují celou destičku nitridu galia na křemíkovou destičku, ale použití tolika materiálu je extrémně nákladné, zejména proto, že GaN je potřebný pouze v několika malých tranzistorech. Zbytek materiálu v GaN destičce se plýtvá.

„Chtěli jsme spojit funkčnost GaN s výkonem digitálních čipů vyrobených z křemíku, ale aniž bychom museli dělat kompromisy v nákladech nebo šířce pásma. Toho jsme dosáhli přidáním super malých diskrétních tranzistorů z nitridu galia přímo na křemíkový čip,“ vysvětluje Yadav.

Nové čipy jsou výsledkem vícestupňového procesu.

Nejprve se na celém povrchu GaN destičky vyrobí hustě uspořádaná sbírka miniaturních tranzistorů. Pomocí velmi jemné laserové technologie je každý z nich oříznut na velikost tranzistoru, která je 240 x 410 mikronů, čímž vznikne to, co nazývají dielet. (Mikron je jedna miliontina metru.)

Každý tranzistor je vyroben s malými měděnými sloupky nahoře, které se používají k přímému spojení s měděnými sloupky na povrchu standardního křemíkového CMOS čipu. Spojení měď s mědí lze provádět při teplotách pod 400 stupňů Celsia, což je dostatečně nízké na to, aby se zabránilo poškození kteréhokoli z materiálů.

Současné techniky GaN integrace vyžadují spoje, které využívají zlato, drahý materiál, který vyžaduje mnohem vyšší teploty a silnější vazebné síly než měď. Jelikož zlato může kontaminovat nástroje používané ve většině polovodičových výrobních závodů, obvykle vyžaduje specializované zařízení.

„Chtěli jsme proces, který by byl levný, nízkoteplotní a nízkosilečný, a měď vyhrává ve všech těchto ohledech ve srovnání se zlatem. Zároveň má lepší vodivost,“ říká Yadav.

Nový nástroj

Pro umožnění integračního procesu vytvořili specializovaný nový nástroj, který dokáže pečlivě integrovat extrémně malý GaN tranzistor s křemíkovými čipy. Nástroj používá vakuum k udržení dieletu, když se pohybuje nad křemíkovým čipem, a zaměřuje se na rozhraní měděných spojů s nanometrovou přesností.

Použili pokročilou mikroskopii k monitorování rozhraní, a když je dielet ve správné poloze, aplikují teplo a tlak, aby spojili GaN tranzistor s čipem.

„Pro každý krok v procesu jsem musel najít nového spolupracovníka, který věděl, jak techniku, kterou jsem potřeboval, provést, učit se od něj a poté to začlenit do mé platformy. Byly to dva roky neustálého učení,“ říká Yadav.

Jakmile výzkumníci zdokonalili výrobní proces, prokázali ho vývojem výkonových zesilovačů, které jsou rádiofrekvenční obvody, které zesilují bezdrátové signály.

Jejich zařízení dosáhly vyšší šířky pásma a lepšího zesílení než zařízení vyrobená s tradičními křemíkovými tranzistory. Každý kompaktní čip má plochu menší než půl čtverečního milimetru.

Navíc, protože křemíkový čip použitý v jejich demonstraci je založen na špičkové metalizaci a pasivních možnostech Intel 16 22nm FinFET, byli schopni začlenit součásti často používané v křemíkových obvodech, jako jsou neutralizační kondenzátory. To výrazně zlepšilo zesílení zesilovače a přiblížilo ho k umožnění příští generace bezdrátových technologií.

„Pro řešení zpomalení Mooreova zákona v škálování tranzistorů se heterogenní integrace objevila jako slibné řešení pro pokračující škálování systémů, snížení rozměrů, zlepšení energetické účinnosti a optimalizaci nákladů. Zejména v bezdrátové technologii je těsná integrace složených polovodičů s křemíkovými destičkami kritická pro realizaci sjednocených systémů předních integrovaných obvodů, procesorů základních pásem, akcelerátorů a paměti pro platformy anténa-AI příští generace. Tato práce představuje významný pokrok, protože demonstruje 3D integraci více GaN čipů s křemíkovým CMOS a posouvá hranice současných technologických možností,“ říká Atom Watanabe, vědecký pracovník v IBM, který se na tomto článku nepodílel.

Tato práce je částečně podporována americkým ministerstvem obrany prostřednictvím Národního stipendijního programu pro vědu a inženýrství v obraně (NDSEG) a CHIMES, jednoho ze sedmi center v JUMP 2.0, programu výzkumu polovodičů Seminářského výzkumného sdružení ministerstva obrany a Agentury pro pokročilé výzkumné projekty v oblasti obrany (DARPA). Výroba byla provedena s využitím zařízení v MIT.Nano, letecké výzkumné laboratoři a Georgia Tech.