Galliumnitrit-Transistoren Hochintegrierte 3D-Halbleiter für schnellere, energieeffizientere Elektronik

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Forschende des MIT haben einen skalierbaren und kostengünstigen Ansatz entwickelt, um Hochgeschwindigkeitstransitoren aus Galliumnitrit nahtlos in einen Standard-Siliziumchip zu integrieren.

Der anhaltende KI-Boom hat einen rapide steigenden Bedarf an Chips mit sich gebracht, der hohe Leistung, aber auch hohe Energieeffizienz abverlangt. Das Halbleitermaterial Galliumnitrid gilt als einer der möglichen Schlüssel für die nächste Generation von Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen und die Leistungselektronik, die für moderne Rechenzentren benötigt wird. Leider haben die hohen Kosten von Galliumnitrid (GaN) und die Spezialisierung, die erforderlich ist, um dieses Halbleitermaterial in herkömmliche Elektronik einzubauen, seine Verwendung in kommerziellen Anwendungen eingeschränkt.

Forschende des MIT und anderer Partner-Institute haben nun ein Herstellungsverfahren vorgestellt, das verspricht, hochleistungsfähige GaN-Transistoren kostengünstig und skalierbar in Standard-Silizium-CMOS-Chips zu integrieren. Die Technologie ist zudem mit bestehenden Halbleiter-Foundries kompatibel ist, wodurch sich aufwändige Neubauten neuer Fertigungsanlagen mit neuer Maschinerie vermeiden ließe.

Nachträgliches Bonding von GaN-Transistoren auf den Silizium-Chip

Die Methode besteht darin, viele winzige Transistoren auf der Oberfläche eines GaN-Chips zu bauen und jeden einzelnen Transistor auszuschneiden. Anschließend wird nur die benötigte Anzahl von Transistoren auf einen Siliziumchip integriert. Dies funktioniert in einem Niedrigtemperaturprozess, der die Funktionalität beider Materialien bewahrt.

Die dabei entstehenden Kosten bleibennach Angaben der Forschenden minimal, da dem Chip nur eine winzige Menge an GaN-Material hinzugefügt wird. Dennoch erhalte das resultierende Produkt durch die so integrierten, kompakten Hochgeschwindigkeitstransistoren einen erheblichen Leistungsschub. Durch die Aufteilung des GaN-Schaltkreises in diskrete Transistoren, die über den Siliziumchip verteilt werden können, sei die Technologie außerdem in der Lage, die Temperatur des Gesamtsystems zu senken.

Die Forscher demonstrierten das Verfahren anhand der Herstellung eines Leistungsverstärkers, der eine höhere Signalstärke und einen höheren Wirkungsgrad erzielt als Geräte mit Siliziumtransistoren. In einem Smartphone könnte dies die Gesprächsqualität verbessern, die drahtlose Bandbreite erhöhen, die Konnektivität verbessern und die Akkulaufzeit verlängern. Das Ergebnis wurde in der Studie „3D-Millimeterwellenintegrierte Schaltung (3D-mmWIC): A Gold-Free 3D-Integration Platform for Scaled RF GaN-on-Si Dielets with Intel 16 Si CMOS' auf dem IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (15. - 17. Juni) in San Fanscisco vorgestellt.

Da sich ihre Methode in Standardverfahren einfügt, könnte sie sowohl heutige als auch künftige Technologien verbessern. Die Forschenden sind der Überzeugung, dass das neue Integrationsschema sogar Quantenanwendungen ermöglichen, da GaN bei den für viele Arten von Quantencomputern erforderlichen kryogenen Temperaturen eine bessere Leistung als Silizium aufweist.

„Wenn es uns gelingt, die Kosten zu senken, die Skalierbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die Leistung des elektronischen Geräts zu steigern, dann ist es eine Selbstverständlichkeit, diese Technologie einzusetzen. Wir haben das Beste, was es an Silizium gibt, mit der bestmöglichen Galliumnitrid-Elektronik kombiniert. Diese Hybridchips können viele kommerzielle Märkte revolutionieren", sagt Pradyot Yadav, ein MIT-Diplomstudent und Hauptautor des Forschungsbeitrags zur vorgestellten Methode.

Austausch von Transistoren

Galliumnitrid ist nach Silizium der am zweithäufigsten verwendete Halbleiter der Welt. GaN-Chips kommen aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften derzeit in erster Linie in Anwendungen wie Beleuchtung, Radarsystemen und Leistungselektronik zum Einsatz. Um die Leistung von auf diesem Material basierenden Halbleitern maximal ausnutzen zu können ist es wichtig, dass Chips aus GaN mit digitalen Chips aus Silizium, auch CMOS-Chips genannt, verbunden werden. Um dies zu ermöglichen, werden bei einigen Integrationsverfahren GaN-Transistoren auf einen CMOS-Chip gelötet, was jedoch die Größe der GaN-Transistoren begrenzt. Je kleiner die Transistoren sind, desto höher ist die Frequenz, mit der sie arbeiten können.

Bei herkömmlichen Methoden wird meist ein ganzer Galliumnitrid-Wafer auf einem Silizium-Wafer integriert. Das ist allerdings Aufwändig und kostspielig, da Silizium als Rohstoff wesentlich kostengünstiger ist. Zudem wird das benötigte Galliumnitrit-Material meist nur in einigen wenigen winzigen Transistoren benötigt. Das hat zur Folge, dass der Rest des Materials auf dem GaN-Wafer in der Regel verschwendet wird.

„Wir wollten die Funktionalität von GaN mit der Leistung von digitalen Chips aus Silizium kombinieren, ohne dabei Kompromisse bei den Kosten oder der Bandbreite eingehen zu müssen. Das haben wir erreicht, indem wir superwinzige diskrete Galliumnitrid-Transistoren direkt auf dem Siliziumchip angebracht haben", erklärt Yadav.

Die neuen Chips sind das Ergebnis eines mehrstufigen Prozesses. Zunächst wird eine dicht gepackte Ansammlung von winzigen Transistoren über die gesamte Oberfläche eines GaN-Wafers hergestellt. Mit Hilfe einer sehr feinen Lasertechnologie wird jeder einzelne auf die Größe des Transistors von 240 mal 410 Mikron zugeschnitten, wodurch ein so genanntes Dielet entsteht.

Jeder Transistor ist mit winzigen Kupfersäulen versehen, die direkt mit den Kupfersäulen auf der Oberfläche eines Standard-Silizium-CMOS-Chips verbunden werden. Das Verbinden von Kupfer mit Kupfer kann bei Temperaturen unter 400 Grad Celsius erfolgen, was niedrig genug ist, um beide Materialien nicht zu beschädigen.

Aktuelle GaN-Integrationstechniken erfordern Verbindungen mit Gold, einem teuren Material, das viel höhere Temperaturen und stärkere Bindungskräfte als Kupfer benötigt. Da Gold die in den meisten Halbleiter-Gießereien verwendeten Werkzeuge verunreinigen kann, sind in der Regel spezielle Anlagen erforderlich. „Wir wollten ein Verfahren, das kostengünstig ist, niedrige Temperaturen und geringe Kräfte erfordert, und Kupfer ist in all diesen Punkten besser als Gold. Gleichzeitig hat es eine bessere Leitfähigkeit", sagt Yadav.

Neue Werkzeuge kommen zum Einsatz

Um den Integrationsprozess zu ermöglichen, wurde ein neues Spezialwerkzeug entwickelt, mit dem der extrem winzige GaN-Transistor sorgfältig in die Siliziumchips integriert werden kann. Das Werkzeug verwendet ein Vakuum, um das Dielet zu halten, während es sich auf einem Siliziumchip bewegt, und stellt die Kupferverbindungsschnittstelle mit Nanometergenauigkeit ein.

Mit Hilfe fortschrittlicher Mikroskopie wird die Schnittstelle überwacht, und wenn sich das Dielet in der richtigen Position befindet, wird der GaN-Transistor mit Hilfe von Hitze und Druck mit dem Chip verbunden. „Für jeden Prozessschritt musste ich einen neuen Mitarbeiter finden, der die von mir benötigte Technik beherrschte, von ihm lernen und sie dann in meine Plattform integrieren. Es waren zwei Jahre des ständigen Lernens", sagt Yadav.

Nachdem die Forscher den Herstellungsprozess perfektioniert hatten, demonstrierten sie ihn durch die Entwicklung von Leistungsverstärkern, d. h. Hochfrequenzschaltungen, die drahtlose Signale verstärken. Die daraus resultierenden Halbleiterprodukte erreichten der Studie zufolge eine höhere Bandbreite und eine bessere Verstärkung als entsprechende Chips, die mit herkömmlichen Siliziumtransistoren hergestellt wurden. Jeder kompakte Halbleiter hat eine Fläche von weniger als einem halben Quadratmillimeter.

Da der für die Demonstration verwendete Siliziumchip auf dem hochmodernen Intel 16 22nm FinFET Metallisierungs- und Passivierungsoptionen basiert, konnten sie außerdem Komponenten einbeziehen, die häufig in Siliziumschaltungen verwendet werden, wie z. B. Neutralisierungskondensatoren. Dadurch konnte die Verstärkung des Verstärkers erheblich verbessert werden, was ihn einen Schritt näher an die nächste Generation von Drahtlostechnologien bringt.

Alternative Werkstoffe

Transistoren ohne Silizium

„Um der Verlangsamung des Moore'schen Gesetzes bei der Transistorskalierung entgegenzuwirken, hat sich die heterogene Integration als vielversprechende Lösung für die weitere Skalierung von Systemen, die Verringerung des Formfaktors, die Verbesserung der Leistungseffizienz und die Kostenoptimierung erwiesen. Insbesondere in der drahtlosen Technologie ist die enge Integration von Verbindungshalbleitern mit siliziumbasierten Wafern entscheidend für die Realisierung einheitlicher Systeme aus integrierten Front-End-Schaltungen, Basisbandprozessoren, Beschleunigern und Speichern für Antennen-zu-AI-Plattformen der nächsten Generation. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, indem sie die 3D-Integration mehrerer GaN-Chips mit Silizium-CMOS demonstriert und die Grenzen der derzeitigen technologischen Möglichkeiten verschiebt", sagt Atom Watanabe, ein Forscher bei IBM, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.(sg)

Analogtipp

Antriebselektronik auf GaN-Basis für effizientere Hausgeräte

*Originalpublikation auf MIT News vom 18.6.2025

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