Un equipo de expertos del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), en colaboración con diversas instituciones, ha desarrollado un nuevo método de fabricación que permite integrar transistores de nitruro de galio (GaN) de alto rendimiento en chips de silicio estándar, conocidos como CMOS, para hacer que los dispositivos electrónicos sean más rápidos y energéticamente eficientes. Esta nueva técnica es rentable y se adapta a los procesos estándar de fabricación que existen en la industria de semiconductores, facilitando su adopción a gran escala.
El nitruro de galio es un material semiconductor que destaca por su eficiencia y su potencial para transformar la electrónica de alta velocidad y los sistemas de potencia en centros de datos. Sin embargo, utilizar este material ha sido un desafío debido al coste elevado y a la complejidad del proceso necesario para incorporarlo en la electrónica tradicional.
Innovación en la integración de materiales
El proceso desarrollado consiste en construir numerosos transistores diminutos sobre la superficie de una oblea de GaN. Estos transistores se cortan de manera individual y posteriormente se adhieren, en la cantidad necesaria, al chip de silicio. Para realizar esta unión, se utiliza un procedimiento a baja temperatura, lo que ayuda a mantener el rendimiento de ambos materiales y minimiza el uso de GaN, lo que repercute positivamente en los costes.
Una de las ventajas de esta integración es que, al distribuir los transistores de GaN de forma discreta sobre el chip de silicio, se puede gestionar la generación de calor, mejorando la eficiencia térmica del sistema. Además, la tecnología puede aumentar significativamente el rendimiento del dispositivo final gracias a las propiedades superiores de los transistores de GaN, especialmente en aplicaciones donde la velocidad y la eficiencia energética son cruciales.
El método presentado evita desperdiciar material, ya que permite el uso exacto necesario de GaN al colocar únicamente los transistores requeridos en el chip de silicio. A diferencia de procesos previos, que implicaban unir una oblea completa de GaN con una de silicio o utilizar métodos costosos como la soldadura con oro, el sistema desarrollado emplea pilares de cobre, lo que resulta ser más económico, efectivo y compatible con las instalaciones industriales existentes.
Herramientas y perspectivas de la nueva tecnología
Para perfeccionar la integración, el equipo diseñó una herramienta especializada capaz de sujetar y posicionar transistores de GaN con exactitud, utilizando vacío para sujetar el dielet mientras se mueve sobre un chip de silicio, centrándose en la interfaz de enlace de cobre con precisión nanométrica, y la monitorización microscópica avanzada en el ensamblaje para monitorizar la interfaz, además de controlar temperatura y presión con precisión durante el proceso de unión con los chips de silicio.
La fabricación del amplificador de potencia demostró que estos nuevos dispositivos presentan un mayor ancho de banda y mejores niveles de ganancia que los fabricados con silicio convencional. El área total de cada componente se mantiene por debajo de medio milímetro cuadrado, permitiendo la miniaturización sin comprometer el rendimiento.
Asimismo, los investigadores aprovecharon las últimas tecnologías disponibles en el mercado, integrando componentes pasivos habituales —como condensadores— directamente en el silicio. Esto facilitó una mejora considerable en el rendimiento del amplificador, acercando la tecnología a próximos avances en comunicaciones inalámbricas y otras áreas.
Se espera que esta aproximación permita superar limitaciones actuales en el diseño de semiconductores y facilite el desarrollo de nuevas aplicaciones, incluidas plataformas de computación y comunicación para futuras generaciones.
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