Bahnbrechende Chip-Technologie: GaN-Transistoren treffen auf Silizium

Diese neue Methode könnte ein entscheidendes Hindernis für Hochgeschwindigkeitselektronikgeräte überwinden. Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Georgia Institute of Technology und des U.S. Air Force Research Laboratory ist es gelungen, Galliumnitrid-Transistoren (GaN) direkt auf herkömmlichen Siliziumchips zu platzieren. Diese Entwicklung reduziert die Wärmeentwicklung und erhöht die Signalstärke und ebnet so den Weg für Geräte der nächsten Generation.

Galliumnitrid ist ein Halbleiter, der für seine herausragende Leistung, insbesondere bei der Hochfrequenz-Datenübertragung und Energieeffizienz , bekannt ist. Bisher wurde dieses Material, das in vielen Bereichen von Mobilfunkbasisstationen bis hin zu Rechenzentren eingesetzt wird, aufgrund seiner hohen Kosten und Produktionsschwierigkeiten nicht weit verbreitet eingesetzt. Dieses neue Verfahren, das unter der Leitung des MIT entwickelt wurde, bietet eine praktische und wirtschaftliche Lösung für dieses Problem. Den Forschern gelang es, Materialabfall und Kosten zu reduzieren, indem sie GaN-Transistoren auf Siliziumchips nur dort platzierten, wo sie benötigt wurden.

Das neue Verfahren basiert darauf, GaN-Transistoren mit einer Größe von jeweils einigen hundert Mikrometern einzeln auf einem Siliziumchip zu platzieren. Dabei kommen mikroskopisch kleine Kupfersäulen zum Einsatz, die sich sowohl in den GaN-Transistoren als auch im Siliziumchip befinden. Diese Säulen werden in einem Bondprozess bei unter 400 °C zueinander ausgerichtet und zusammengeführt. Diese niedrige Temperatur verhindert zudem Schäden an den empfindlichen Halbleiterstrukturen.

Anstelle des bisher verwendeten teuren und hochtemperaturbeständigen Goldes wird hier Kupfer bevorzugt; es ist sowohl günstiger als auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit deutlich vorteilhafter. Das MIT-Team hat zudem ein spezielles Platzierungswerkzeug entwickelt, das mit einem Vakuumsaugsystem arbeitet, um diesen heiklen Prozess durchzuführen.

STÄRKER, KÜHLER

Erste Tests mit den aus dem neuen Produktionsverfahren hervorgegangenen Hybridchips zeigten eine größere Bandbreite und höhere Signalstärke im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumchips. Zudem ist die Wärmeableitung dank der kompakten Bauweise besser, was eine direkte Lösung für das in der Hochleistungselektronik häufig auftretende Erwärmungsproblem bietet.

Forscher gehen davon aus, dass diese Technologie nicht nur auf Mobilfunk und Rechenzentren beschränkt sein wird. Die überlegene Leistung von GaN bei niedrigen Temperaturen könnte künftig auch in Quantencomputersystemen eine wichtige Rolle spielen.