Pequeños transistores de nitruro de galio aumentan la velocidad y la eficiencia del chip en el nuevo diseño 3D

El material de galio de material semiconductor avanzado probablemente será clave para la próxima generación de sistemas de comunicación de alta velocidad y la electrónica de potencia necesaria para los centros de datos de última generación.

Desafortunadamente, el alto costo del nitruro de galio (GaN) y la especialización requerida para incorporar este material semiconductor en la electrónica convencional han limitado su uso en aplicaciones comerciales.

Ahora, los investigadores del MIT y en otros lugares han desarrollado un nuevo proceso de fabricación que integra transistores GaN de alto rendimiento en chips CMOS de silicio estándar de una manera de bajo costo y escalable, y compatible con las fundiciones semiconductores existentes.

Su método implica construir muchos pequeños transistores en la superficie de un chip de GaN, cortar cada transistor individual y luego unir solo el número necesario de transistores en un chip de silicio utilizando un proceso de baja temperatura que preserva la funcionalidad de ambos materiales.

El costo sigue siendo mínimo ya que solo se agrega una pequeña cantidad de material GaN al chip, pero el dispositivo resultante puede recibir un aumento significativo de rendimiento de los transistores compactos de alta velocidad. Además, al separar el circuito GaN en transistores discretos que se pueden extender sobre el chip de silicio, la nueva tecnología puede reducir la temperatura del sistema general.

Los investigadores utilizaron este proceso para fabricar un amplificador de potencia, un componente esencial en los teléfonos móviles, que logra una mayor resistencia y eficiencia de señal que los dispositivos con transistores de silicio. En un teléfono inteligente, esto podría mejorar la calidad de las llamadas, aumentar el ancho de banda inalámbrico, mejorar la conectividad y extender la duración de la batería.

Debido a que su método se ajusta a los procedimientos estándar, podría mejorar la electrónica que existen hoy en día, así como en futuras tecnologías. En el futuro, el nuevo esquema de integración podría incluso permitir aplicaciones cuánticas, ya que GaN funciona mejor que el silicio a las temperaturas criogénicas esenciales para muchos tipos de computación cuántica.

“Si podemos reducir el costo, mejorar la escalabilidad y, al mismo tiempo, mejorar el rendimiento del dispositivo electrónico, es obvio que debemos adoptar esta tecnología. Hemos combinado lo mejor de lo que existe en el silicio con la mejor electrónica de nitruro de galio posible.

“Estos chips híbridos pueden revolucionar muchos mercados comerciales”, dice Pradyot Yadav, estudiante graduado del MIT y autor principal de un artículo sobre este método. El documento se presentó en la sesión RTU2C del Simposio de circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC 2025) celebrado 15-17 de junio de 2025 en San Francisco, CA.

Transistores de intercambio

El nitruro de galio es el segundo semiconductor más utilizado del mundo, justo después del silicio, y sus propiedades únicas lo hacen ideal para aplicaciones como iluminación, sistemas de radar y electrónica de potencia.

El material ha existido durante décadas y, para obtener acceso a su máximo rendimiento, es importante que los chips hechos de GaN se conecten a chips digitales hechos de silicio, también llamados chips CMOS. Para habilitar esto, algunos métodos de integración unen los transistores de GaN en un chip CMOS soldando las conexiones, pero esto limita lo pequeños que pueden ser los transistores de GaN. Cuanto más pequeños son los transistores, mayor será la frecuencia a la que pueden trabajar.

Otros métodos integran una oblea de nitruro de galio completa sobre una oblea de silicio, pero usar tanto material es extremadamente costoso, especialmente porque el GaN solo se necesita en algunos pequeños transistores. Se desperdicia el resto del material en la oblea Gan.

“Queríamos combinar la funcionalidad de GaN con el poder de los chips digitales hecho de silicio, pero sin tener que comprometerse con cualquier costo del ancho de banda. Lo logramos al agregar transistores de nitruro de galio discretos súper pequeños justo en la parte superior del chip de silicio”, explica Yadav.

Los nuevos chips son el resultado de un proceso de varios pasos.

Primero, se fabrica una colección de transistores minúsculos bien empacados en toda la superficie de una oblea Gaan. Utilizando una tecnología láser muy fina, cortan cada uno al tamaño del transistor, que es de 240 por 410 micras, formando lo que llaman un dielet. (Un micrón es una millonésima de metro).

Cada transistor está fabricado con pequeños pilares de cobre en la parte superior, que usan para unirse directamente a los pilares de cobre en la superficie de un chip CMOS de silicio estándar. La unión de cobre a cobre se puede hacer a temperaturas inferiores a 400 grados Celsius, que es lo suficientemente bajo como para evitar dañar cualquier material.

Las técnicas actuales de integración de GaN requieren enlaces que utilizan el oro, un material costoso que necesita temperaturas mucho más altas y fuerzas de unión más fuertes que el cobre. Dado que el oro puede contaminar las herramientas utilizadas en la mayoría de las fundiciones de semiconductores, generalmente requiere instalaciones especializadas.

“Queríamos un proceso que fuera de bajo costo, de baja temperatura y baja fuerza y ​​cobre en todos los relacionados con el oro. Al mismo tiempo, tiene una mejor conductividad”, dice Yadav.

Una nueva herramienta

Para habilitar el proceso de integración, crearon una nueva herramienta especializada que puede integrar cuidadosamente el transistor GaN extremadamente pequeño con los chips de silicio. La herramienta utiliza un vacío para sostener el Dielet a medida que se mueve encima de un chip de silicio, concentrándose en la interfaz de unión de cobre con precisión nanómetro.

Usaron microscopía avanzada para monitorear la interfaz, y luego, cuando el dielet está en la posición correcta, aplican calor y presión para unir el transistor GaN al chip.

“Para cada paso del proceso, tuve que encontrar un nuevo colaborador que supiera cómo hacer la técnica que necesitaba, aprender de ellos y luego integrarlo en mi plataforma. Fueron dos años de aprendizaje constante”, dice Yadav.

Una vez que los investigadores habían perfeccionado el proceso de fabricación, lo demostraron desarrollando amplificadores de potencia, que son circuitos de radiofrecuencia que aumentan las señales inalámbricas.

Sus dispositivos lograron un mayor ancho de banda y una mejor ganancia que los dispositivos realizados con los transistores de silicio tradicionales. Cada chip compacto tiene un área de menos de medio milímetro cuadrado.

Además, debido a que el chip de silicio que utilizaron en su demostración se basa en la metalización de estado de arte del arte Intel 16 22 nm y las opciones pasivas, pudieron incorporar componentes a menudo utilizados en circuitos de silicio, como los condensadores de neutralización. Esto mejoró significativamente la ganancia del amplificador, acercándolo un paso más cerca de permitir la próxima generación de tecnologías inalámbricas.

“Para abordar la desaceleración de la ley de Moore en la escala de transistores, la integración heterogénea se ha convertido en una solución prometedora para la escala continua del sistema, el factor de forma reducido, la eficiencia energética mejorada y la optimización de costos.

“Particularmente en la tecnología inalámbrica, la estrecha integración de semiconductores compuestos con obleas basadas en silicio es fundamental para realizar sistemas unificados de circuitos integrados front-end, procesadores de banda base, aceleradores y memoria para las plataformas de antenas de próxima generación.

“Este trabajo realiza un avance significativo al demostrar la integración 3D de múltiples chips GaN con CMOS de silicio y empuja los límites de las capacidades tecnológicas actuales”, dice Atom Watanabe, un científico investigador de IBM que no participó en este documento.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.