Una nuova tecnologia sviluppata dal MIT consente di integrare microtransistor GaN su chip CMOS in silicio, migliorando prestazioni, efficienza e larghezza di banda a costi contenuti. Questa innovazione apre la strada a dispositivi più compatti e potenti per comunicazioni wireless e data center avanzati
Chip 3D di nuova generazione: prestazioni elevate con minori consumi.
Il nitruro di gallio (GaN), materiale semiconduttore avanzato, potrebbe diventare la chiave per la prossima generazione di sistemi di comunicazione ad alta velocità e per l’elettronica di potenza nei data center di ultima generazione. Tuttavia, il costo elevato del GaN e la complessità nell’integrarlo nei circuiti elettronici tradizionali ne hanno finora limitato l’adozione su larga scala.
Oggi, un team di ricercatori del MIT e di altri istituti ha sviluppato un nuovo processo produttivo che consente di integrare transistor GaN ad alte prestazioni direttamente su chip CMOS in silicio, in modo economico, scalabile e compatibile con le fonderie di semiconduttori esistenti.
La tecnica consiste nel costruire micro-transistor sulla superficie di un chip GaN, ritagliarli singolarmente e trasferirne solo il numero necessario su un chip in silicio, utilizzando un processo a bassa temperatura che preserva la funzionalità di entrambi i materiali. Il costo rimane contenuto, poiché viene utilizzata solo una piccola quantità di materiale GaN (nitruro di gallio) nel chip. Nonostante ciò, il dispositivo finale ottiene un notevole incremento di prestazioni grazie a transistor compatti e ad alta velocità.
Separando il circuito GaN in transistor discreti distribuiti sul chip in silicio, questa nuova tecnologia consente anche di ridurre la temperatura complessiva del sistema, migliorando l’efficienza termica.
I ricercatori hanno applicato questo processo per realizzare un amplificatore di potenza, componente fondamentale negli smartphone, che offre maggiore intensità del segnale e migliori prestazioni rispetto ai dispositivi basati su transistor in silicio. Nei telefoni cellulari, questo si traduce in chiamate più nitide, maggiore larghezza di banda wireless, connettività più stabile e durata della batteria estesa.
«Se riusciamo a ridurre i costi, migliorare la scalabilità e allo stesso tempo aumentare le prestazioni dei dispositivi elettronici, adottare questa tecnologia diventa una scelta ovvia. Abbiamo unito il meglio del silicio con il massimo potenziale del nitruro di gallio (GaN). Questi chip ibridi possono rivoluzionare numerosi settori commerciali», afferma Pradyot Yadav (1), dottorando al MIT e autore principale dello studio.
Il nitruro di gallio (GaN) è oggi il secondo semiconduttore più utilizzato al mondo, subito dopo il silicio. Grazie alle sue proprietà uniche, è ideale per applicazioni ad alte prestazioni come l’illuminazione LED, i sistemi radar e l’elettronica di potenza.
Pur essendo presente da decenni, per sfruttare al massimo le sue potenzialità è fondamentale collegare i chip GaN ai chip digitali in silicio, noti come chip CMOS. Alcuni metodi di integrazione prevedono la saldatura dei transistor GaN direttamente su chip CMOS, ma questo limita la miniaturizzazione dei transistor. Più piccoli sono i transistor, maggiore è la frequenza operativa che possono raggiungere.
Altri approcci prevedono l’integrazione di un’intera lastra di GaN sopra una lastra di silicio. Tuttavia, questo processo è estremamente costoso, soprattutto perché il GaN è necessario solo in pochi microtransistor. Il resto del materiale viene sprecato, aumentando i costi senza benefici reali.
«Volevamo unire la funzionalità del nitruro di gallio (GaN) con la potenza dei chip digitali in silicio, senza compromessi su costi o larghezza di banda. Ci siamo riusciti aggiungendo microtransistor GaN discreti direttamente sopra il chip in silicio», spiega Pradyot Yadav.
I nuovi chip nascono da un processo multistadio altamente innovativo.
Per prima cosa, una fitta rete di transistor microscopici viene realizzata sull’intera superficie di una lastra di GaN. Grazie a una tecnologia laser ultra-precisa, ogni transistor viene ritagliato fino a dimensioni di appena 240 x 410 micron, formando quelli che i ricercatori chiamano 'dielet'. (Un micron equivale a un milionesimo di metro.)
Ogni transistor è dotato di minuscoli pilastri in rame sulla parte superiore, utilizzati per il collegamento diretto con i pilastri in rame presenti su un chip CMOS in silicio standard. Il bonding rame su rame può avvenire a temperature inferiori ai 400 °C, sufficientemente basse da non danneggiare i materiali.
Le tecniche attuali di integrazione GaN richiedono l’uso dell’oro, un materiale costoso che necessita di temperature elevate e forze di saldatura maggiori. Inoltre, l’oro può contaminare gli strumenti delle fonderie di semiconduttori, rendendo necessario l’uso di impianti specializzati.
«Cercavamo un processo economico, a bassa temperatura e con forze ridotte: il rame vince su tutti i fronti rispetto all’oro. E in più offre una conduttività superiore», conclude Yadav.
Nuovo strumento, massima produttività
Per rendere possibile il processo di integrazione, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo strumento altamente specializzato in grado di posizionare con estrema precisione i microtransistor in nitruro di gallio (GaN) sopra i chip in silicio. Il tool utilizza il vuoto per mantenere il dielet in posizione mentre lo sposta sul chip, centrando l’interfaccia di bonding in rame con precisione nanometrica.
Grazie alla microscopia avanzata, il team ha monitorato l’interfaccia in tempo reale. Una volta che il dielet è perfettamente allineato, viene applicato calore e pressione per saldare il transistor GaN al chip CMOS.
«Per ogni fase del processo ho dovuto trovare un esperto che conoscesse la tecnica necessaria, imparare da lui e integrare tutto nella mia piattaforma. Sono stati due anni di apprendimento continuo», racconta il dottor Pradyot Yadav.
Dopo aver perfezionato il metodo di fabbricazione, i ricercatori lo hanno dimostrato realizzando amplificatori di potenza, circuiti a radiofrequenza capaci di potenziare i segnali wireless. I nuovi dispositivi hanno ottenuto una larghezza di banda superiore e un guadagno migliore rispetto ai transistor tradizionali in silicio. Ogni chip compatto ha una superficie inferiore a mezzo millimetro quadrato.
Grazie all’utilizzo di chip in silicio basati su Intel 16 a 22nm FinFET, con metallizzazione avanzata e componenti passivi all’avanguardia, i ricercatori sono riusciti a integrare elementi tipici dei circuiti in silicio, come i condensatori di neutralizzazione. Questo ha migliorato significativamente il guadagno dell’amplificatore, avvicinando la tecnologia alla prossima generazione di sistemi wireless.
Per affrontare il rallentamento della Legge di Moore nella miniaturizzazione dei transistor, l’integrazione eterogenea si sta affermando come soluzione promettente per scalare i sistemi, ridurre le dimensioni, aumentare l’efficienza energetica e ottimizzare i costi. In particolare nel settore wireless, l’integrazione stretta tra semiconduttori composti e wafer in silicio è fondamentale per realizzare sistemi unificati che includano circuiti front-end, processori baseband, acceleratori e memoria, destinati alle piattaforme future che vanno dalle antenne intelligenti all’intelligenza artificiale.
«Questo lavoro rappresenta un progresso significativo, dimostrando l’integrazione tridimensionale di più chip GaN con tecnologia CMOS in silicio e spinge oltre i limiti delle capacità tecnologiche attuali», afferma Atom Watanabe (2), ricercatore IBM non coinvolto nello studio.
Alla ricerca hanno collaborato anche gli studenti del MIT Jinchen Wang e Patrick Darmawi-Iskandar, il postdoc John Niroula, e i professori senior Ulrich L. Rohde (Microsystems Technology Laboratories - MTL), Ruonan Han (Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica - EECS, MIT), e Tomás Palacios, docente Clarence J. LeBel e direttore del MTL. Il team include inoltre esperti del Georgia Tech e del laboratorio di ricerca dell’Aeronautica statunitense. Lo studio è stato recentemente presentato al prestigioso IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, confermando il potenziale dei chip GaN per applicazioni avanzate in elettronica, telecomunicazioni e sistemi ad alta frequenza. Questa ricerca è sostenuta, in parte, dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti attraverso il programma di borse di studio NDSEG (National Defense Science and Engineering Graduate) e da CHIMES, uno dei sette centri del programma JUMP 2.0, iniziativa della Semiconductor Research Corporation in collaborazione con DARPA. La fase di fabbricazione è stata realizzata utilizzando le strutture avanzate di MIT.Nano, del laboratorio di ricerca dell’Aeronautica statunitense (Air Force Research Laboratory) e del Georgia Tech.
Riferimenti:
(1) Pradyot Yadav
(2) Atom Watanabe
Descrizione foto: Un team di ricercatori ha sviluppato un innovativo processo di produzione che consente di integrare transistor al nitruro di gallio (GaN) ad alte prestazioni direttamente nei chip CMOS in silicio standard. Questa tecnologia promette una soluzione scalabile ed economica, aprendo nuove frontiere per l’elettronica di potenza, le comunicazioni ad alta frequenza e i dispositivi intelligenti di nuova generazione. - Credit: Massachusetts Institute of Technology.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New 3D chips could make electronics faster and more energy-efficient