MIT: chip ibridi con nitruro di gallio e silicio per un'elettronica più efficiente

Un team del MIT, in collaborazione con Georgia Tech e l'Air Force Research Laboratory, ha sviluppato una nuova tecnica di integrazione eterogenea che consente di impilare transistor al nitruro di gallio (GaN) su chip CMOS al silicio con un approccio 3D, scalabile e compatibile con le attuali soluzioni produttive adottate dalle principali "fonderie".

L'obiettivo è coniugare la superiorità del GaN nell'ambito della radiofrequenza e dell'elettronica di potenza con la maturità produttiva del silicio, riducendo drasticamente i costi grazie a un uso minimo del costoso nitruro di gallio.

Il GaN è noto per l'elevata mobilità elettronica, l'ampia banda proibita e la capacità di operare ad alte tensioni e frequenze. Queste proprietà lo rendono ideale per applicazioni RF, amplificatori di potenza, convertitori DC-DC e persino sistemi radar. Tuttavia, la sua adozione è stata finora frenata da costi elevati e difficoltà d'integrazione su larga scala.

Tradizionalmente, l'integrazione del nitruro di gallio con il silicio richiedeva la saldatura, che limitava le dimensioni e le prestazioni dei transistor, oppure il bonding di interi wafer di GaN al silicio, un metodo che comportava lo spreco di grandi quantità di materiale.

L'approccio del team guidato dal MIT è diverso. Si comincia con la fabbricazione di migliaia di minuscoli transistor GaN, ciascuno di poche centinaia di micron, su un singolo wafer. Questi transistor vengono poi ritagliati con precisione e incollati singolarmente su un chip di silicio solo dove sono necessari, riducendo al minimo l'uso di materiale e i costi.

Il cuore tecnico del processo risiede nell'uso del bonding rame-rame. Ogni transistor GaN è dotato di microscopici "pilastri" di rame, che vengono allineati e pressati su strutture di rame corrispondenti sul chip di silicio. Il bonding avviene a temperature inferiori a 400 °C, abbastanza basse da non danneggiare i delicati materiali semiconduttori.

A differenza dei vecchi metodi che si basavano sull'oro, che è costoso e richiede temperature più elevate, il rame offre sia un prezzo accessibile che una conduttività elettrica superiore. I ricercatori hanno sviluppato uno strumento specializzato per gestire i minuscoli transistor, utilizzando l'aspirazione sottovuoto e la microscopia avanzata per posizionare ciascuno di essi con precisione nanometrica prima del bonding.

Questo metodo non solo preserva i vantaggi unici del nitruro di gallio e del silicio, ma consente anche di integrare transistor ad alta velocità e ad alta efficienza nei progetti di chip esistenti senza grandi cambiamenti nei processi produttivi.

Nei test dimostrativi, il team ha creato un amplificatore di potenza che ha superato i dispositivi tradizionali basati sul silicio sia in termini di larghezza di banda che di potenza del segnale. Il design compatto aiuta anche a ridurre il calore, da sempre un problema per l'elettronica ad alte prestazioni.

Oltre all'immediato impatto sulle comunicazioni mobili (5G/6G), questa tecnologia apre scenari per applicazioni nei sistemi di calcolo quantistico, dove il GaN mantiene performance superiori a temperature criogeniche. La possibilità di realizzare componenti eterogenei su substrato comune senza passaggi produttivi invasivi rappresenta un passo avanti verso architetture computing ibride.

Pradyot Yadav, studente laureato del MIT e autore principale dello studio, ha spiegato che l'obiettivo era quello di combinare le migliori caratteristiche del GaN e del silicio senza compromettere i costi o le prestazioni. Aggiungendo solo i transistor GaN necessari a un chip di silicio, il team ha raggiunto un equilibrio tra scalabilità ed efficienza che potrebbe rendere l'elettronica avanzata più accessibile e conveniente.