MIT Araştırmacıları, Daha Hızlı Yeni Nesil Kablosuz Cihazlar için Galyum Nitrür Transistörlerini Silikona Bağladı

MIT liderliğinde, Georgia Tech ve ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı iş birliğiyle yürütülen bir araştırmada, galyum nitrür (GaN) transistörlerini standart silikon çiplere entegre etmenin yeni bir yöntemi geliştirildi. Elektronik cihazlarda daha yüksek hız ve verimlilik talebi artarken, bu yenilik, ileri düzey malzemelerle yaygın teknolojiler arasındaki boşluğu kapatma yolunda önemli bir adım olarak değerlendiriliyor.

GaN, verimliliği ve yüksek hızlı performansıyla tanınan bir yarı iletken malzeme olarak uzun süredir mobil telefon sinyallerini taşıyan güç yükselteçlerinde ve veri merkezlerine yönelik yüksek frekanslı bileşenlerde kullanılmak üzere umut verici bir aday olarak görülüyordu. Ancak yüksek maliyeti ve geleneksel silikon tabanlı elektroniklerle entegrasyonundaki teknik zorluklar, GaN kullanımının yaygınlaşmasını engelleyen başlıca faktörler arasında yer alıyordu.

MIT tarafından IEEE Radyo Frekansı Entegre Devreler Sempozyumu’nda sunulan yeni yöntem, bu sorunlara ölçeklenebilir ve maliyet açısından etkin bir çözüm getiriyor. Geliştirilen yöntem sayesinde GaN transistörleri doğrudan silikon çiplere bağlanabiliyor. Geleneksel yöntemlerde ya transistörler lehimleniyor, bu da boyut ve performansı sınırlandırıyordu ya da tüm GaN gofretleri silikona yapıştırılıyor ve bu da pahalı malzemenin büyük kısmının israf edilmesine yol açıyordu.

MIT ekibi ise farklı bir yaklaşım benimsedi. Tek bir GaN gofreti üzerinde yüzlerce mikron çapında binlerce küçük GaN transistörü üretip, ardından yalnızca ihtiyaç duyulan bölgelere bu transistörleri kesip birebir silikon çip üzerine bağlamayı başardılar. Bu sayede hem malzeme kullanımı hem de maliyet önemli ölçüde azaltıldı.

Yöntemin teknik temelinde bakırdan bakıra bağlama işlemi yer alıyor. Her bir GaN transistörü, mikroskobik bakır sütunlarla donatılıyor ve bu sütunlar, silikon çip üzerindeki eşleşen bakır yapılarla hizalanarak sıkıştırılıyor. Tüm bağlama işlemi 400°C’nin altındaki sıcaklıklarda gerçekleşiyor, böylece hassas yarı iletken yapılar zarar görmüyor.

Daha önce kullanılan yöntemlerde genellikle pahalı ve yüksek sıcaklık gerektiren altın malzeme tercih ediliyordu. Buna karşın, bakır daha uygun maliyetli ve elektriksel iletkenliği daha yüksek bir seçenek sunuyor. Araştırmacılar, bu işlem sırasında transistörleri hassas şekilde konumlandırmak için vakumla çalışan özel bir yerleştirme aracı ve gelişmiş mikroskopi sistemleri geliştirdi. Bu sayede her bir transistör nanometre düzeyinde hassasiyetle yerleştirilebiliyor.

Yeni yöntem, GaN ile silikonun benzersiz avantajlarını korurken, aynı zamanda yüksek hızlı ve yüksek verimli transistörlerin mevcut çip tasarımlarına entegre edilmesini sağlıyor. Üstelik üretim süreçlerinde büyük değişiklikler gerektirmeden uygulanabiliyor.

Demonstrasyon testlerinde, araştırma ekibi yeni yöntemi kullanarak geliştirdiği hibrit çiplerle bir güç yükselteç üretti. Cihaz, hem bant genişliği hem de sinyal gücü açısından geleneksel silikon tabanlı cihazlardan daha iyi performans gösterdi. Ayrıca kompakt tasarım sayesinde ısı üretimi de azaltıldı; bu da yüksek performanslı elektroniklerde sürekli karşılaşılan temel zorluklardan biri.

Araştırmacılar, bu teknolojinin sadece kablosuz iletişim ve veri merkezlerinde değil, aynı zamanda gelecekteki kuantum hesaplama sistemlerinde de kullanılabileceğini öngörüyor. Zira GaN, çok düşük sıcaklıklarda gösterdiği üstün performans ile silikonun ötesine geçebilecek bir potansiyele sahip.

Çalışmanın baş yazarı ve MIT yüksek lisans öğrencisi Pradyot Yadav, projedeki temel hedefi şu sözlerle açıkladı: “Amacımız, GaN ve silikonun en iyi özelliklerini bir araya getirirken maliyet ya da performanstan ödün vermemekti.” Yadav sözlerine şöyle devam etti: “Silikon çipe yalnızca gerekli olan GaN transistörlerini ekleyerek, ölçeklenebilirlik ile verimlilik arasında bir denge kurduk ve ileri düzey elektroniği daha erişilebilir ve uygun maliyetli hale getirdik.”

Çalışma, ABD Savunma Bakanlığı ve Semiconductor Research Corporation tarafından desteklendi; üretim süreçleri ise MIT.nano, Air Force Research Laboratory ve Georgia Tech tesislerinde gerçekleştirildi.

‍

‍

‍

Kaynak: https://www.techspot.com/news/108441-mit-researchers-bond-gallium-nitride-transistors-silicon-chips.html