นักวิจัย MIT ได้พัฒนากระบวนการผลิตที่สามารถบูรณาการตัวต้านทาน GaN เข้ากับชิป CMOS ซิลิคอนมาตรฐาน ในรูปแบบวิธีที่มีต้นทุนไม่สูงและรองรับการขยับขยาย ทั้งยังสามารถใช้งานได้กับโรงงานการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปได้อีกด้วย
Gallium Nitride (GaN) เป็นวัสดุในกลุ่มเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความทันสมัย นิยมใช้ในการสื่อสารความเร็วสูง และใช้ในกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับศูนย์ข้อมูล (Data Center) เทคโนโลยีระดับสูง น่าเสียดายที่ GaN นั้นมีต้นทุนที่ค่อนข้างสูง และยังมีความต้องการพิเศษหากจะใช้งานร่วมกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในการใช้งานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่มีข้อจำกัดในการใช้งานเชิงพาณิชย์
กรรมวิธีที่นักวิจัยใช้นั้นเกี่ยวข้องกับการสร้างทรานซิสเตอร์ขนาดจิ๋วจำนวนมากบนพื้นผิวของชิป GaN จากนั้นจึงตัดทรานซิสเตอร์แต่ละตัวออก และนำมายึดติดเ้ขากับชิปซิลิคอนโดยใช้กระบวนการอุณหภูมิต่ำในจำนวนที่จำเป็น เพื่อรักษาคุณสมบัติของวัสดุทั้งสองเอาไว้ นั่นทำให้ต้นทุนอยูในระดับต่ำ เนื่องจากวัสดุ GaN นั้นติดตั้งลงบนชิปในปริมาณเล็กน้อย แต่ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นนั้นแตกต่างด้านประสิทธิภาพอย่างชัดเจน ไม่ว่าจะขนาดที่กะทัดรัด และทรานซิสเตอร์ที่มีความเร็วสูง นอกจากนี้การแยกวงจร GaN เข้าสู่ทรานซิสเตอร์แบบ Discrete ที่สามารถกระจายตัวไปทั่วชิปซิลิคอน เทคโนโลยีใหม่นี้ทำให้สามารถลดอุณหภูมิรวมของระบบได้
นักวิจัยใช้กระบวนการนี้เพื่อผลิต Power Amplifier ซึ่งเป็นชิ้นส่วนสำคัญในโทรศัพท์มือถือ ทำให้ได้ความแข็งแรงของสัญญาณที่มากยิ่งขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนในสมาร์ทโฟน ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณภาพการสนทนา เพิ่ม Bandwidth สัญญาณไร้สาย ความสามารถในการเชื่อมต่อ และอายุของแบตเตอรี่
และเพราะว่ากรรมวิธีเหล่านี้สามารถใช้ได้กับขั้นตอนการผลิตมาตรฐาน ทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมเช่นเดียวกับเทคโนโลยีที่กำลังจะมาถึงในอนาคต ซึ่งหากมองไปยังเรื่องการบูรณาการ Scheme ใหม่ ๆ ก็ยังสามารถใช้งานได้กับแอปพลิเคชัน Quantum ได้ด้วยเช่นกัน เพราะ GaN ทำหน้าที่ได้ดีกว่าซิลิคอนในเรื่องอุณหภูมิ Cryogenic ซึ่งจำเป็นต่อการประมวลผล Quantum หลากหลายรูปแบบ
GaN + CMOS ยกระดับเซมิคอนดักเตอร์ยุคใหม่
GaN นั้นเป็นวัตถุดิบเซมิคอนดักเตอร์ที่นิยมใช้มากที่สุดทั่วโลกเป็นลำดับที่ 2 ต่อจากซิลิคอน และคุณสมบัติเฉพาะตัวเหล่านี้ทำให้เหมาะกับการใช้งานในกลุ่มผลิตภัณฑ์อย่าง แสงสว่าง, ระบบเรดาห์ และ Power Electronics
ตัววัสดุนั้นมีการใช้งานกันมนานแล้ว ทำให้สามารถเข้าถึงประสิทธิภาพสูงสุดได้ สิ่งสำคัญ คือ การที่ชิปซึ่งผลิตจาก GaN จะต้องเชื่อมต่อเข้ากับชิปดิจิทัลที่สร้างจากซิลิคอน หรือที่เรียกกันว่าชิป CMOS ทำได้โดยการเชื่อมการเชื่อมต่อ โดยข้อจำกัดอยู่ที่ว่าตัวทรานซิสเตอร์ GaN นั้นจะมีขนาดเล็กได้แค่ไหน ยิ่งทรานซิสเตอร์เล็กมาก ก็ยิ่งทำงานที่ความถี่สูงได้มากเช่นกัน
การบูรณาการเวเฟอร์ GaN บนตัวของเวเฟอร์ซิลิคอนนั้นมีกรรมวิธีหลากหลาย แต่การใช้วัตถุดิบในรูปแบบนี้ใช้วัสดุจำนวนมาก และส่งผลให้ต้นทุนสูงเป็นพิเศษ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ GaN นั้นต้องการทรานซิสเตอร์จำนวนไม่มากเท่านั้น ทำให้ส่วนที่เหลือนั้นสูญเปล่า
ชิปรุ่นใหม่ที่จะเกิดขึ้นนั้นเป็นผลจากการแปรรูปหลายขั้นตอน เริ่มต้นด้วยการแพ็คชัดของทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กอย่างแน่นอนบนพื้นผิวของเวฟอร์ GaN การใช้เลเซอร์ที่มีความละเอียดสูงมาก จะทำให้สามารถตัดเวเฟอร์แต่ละตัวเหลือในขนาดของทรานซิสเตอร์ได้ ซึ่งจะมีขนาดประมาณ 240 – 410 ไมครอน เกิดเป็นสิ่งที่ถูกเรียกว่า Dielet
ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวถูกผลิตมาพร้อมกับเสาทองแดงขนาดเล็กด้านบน ซึ่งใช้ในการเชื่อมโดยตรงเข้ากับเสาทองแดงบนพื้นผิวของชิปซิลิคอน CMOS มาตรฐาน การเชื่อมทองแดงเข้าด้วยกันเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 400 องศาเศซลเซียส เรียกได้ว่าต่ำพอที่จะหลีกเลี่ยงความเสียหายให้กับวัสดุอื่น
‘ทอง’ วัสดุที่ปนเปื้อนได้ง่ายกับเครื่องมือพิเศษเพื่อการยึดติดกับชิปแห่งอนาคต
เทคนิคในการบูรณาการ GaN นั้นจำเป็นจะต้องใช้ ‘ทอง’ ซึ่งเป็นวัตถุดิบราคาสูง และยังต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่ามากรวมถึงแรงในการยึดที่แข็งแรงกว่าทองแดง นอกจากนี้ทองยังสามารถปนเปื้อนเครื่องมือที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ได้ ทำให้จำเป็นต้องมีสถานที่พิเศษในการจัดการ
เพื่อทำให้เกิดกระบวนการบูรณาการได้ นักวิจัยได้สร้างเครื่องมือพิเศษขึ้นมาใหม่ ที่สามารถบูรณการเข้ากับทรานซิสเตอร์ GaN ขนาดเล็กเป็นพิเศษเข้ากับชิปซิลิคอนได้อย่างระมัดระวังยิ่งขึ้น เครื่องมือใหม่นี้ใช้งานสุญญากาศเพื่อยึด Dielet ในขณะที่เคลื่อนย้ายไปไว้ด้านบนของชิปซิลิคอน ทำให้การยึดเชื่อม Interface ของทองแดงนั้นไม่เกิดข้อผิดพลาดด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร
ทีมวิจัยได้ใช้ Microscopy ที่ทันสมัยเพื่อติดตาม Interface และเมื่อ Dielet อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง พวกเขาจะให้ความร้อนและแรงดันเพื่อทำให้ทรานซิสเตอร์ GaN ติดกับชิป เมื่อกระบวนการผลิตเสร็จสิ้นสมบูรณ์แล้ว ทีมวิจัยได้สาธิตโดยใช้พัฒนา Power Amplifier ซึ่งเป็นวงจรความถี่วิทยุที่ขยายสัญญาณไร้สาย พบว่าอุปกรณ์ที่ถูกพัฒนาขึ้นมาใหมนี้มี Bandwidth ที่สูงกว่าและมี Gain ที่ดีกว่าอุปกรณ์ที่ผลิตจากทรานซิสเตอร์ซิลิคอนทั่วไป โดยชิปขนาดเล็กแต่ละตัวมีพื้นที่น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของตารางมิลลิเมตร
ชิปซิลิคอนที่ใช้ในการสาธิตนั้น มีพื้นฐานมาจาก Intel 16 22nm FinFET ที่มีทั้งการเคลือบโลหะ (Metallization) และตัวเลือกแบบ Passive ทำให้สามารถทำงานร่วมกับชิ้นส่วนทที่นิยมใช้ในวงจรซิลิคอน เช่น ตัวเก็บประจุหักล้างสัญญาณย้อนกลับ (Neutralization Capacitor) ทำให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่ชัดเจนสำหรับบ Gain ที่ใช้ใน Amplifier เปิดทางสู่ยุคถัดไปของเทคโนโลยีไร้สาย
ที่มา:
MIT
