Gallium nitrid (GaN) je po křemíku druhý nejpoužívanější polovodič na světě. A není divu — nabízí totiž vlastnosti, které křemík nemá. Zvládá vyšší pracovní frekvence, umožňuje rychlejší spínání, snižuje energetické ztráty a funguje spolehlivě i při vyšších teplotách.

Proto se dnes GaN využívá v nejrůznějších oblastech — od napájecí elektroniky, přes radarové systémy, až po moderní mobilní sítě a špičkové LED osvětlení.

Jeho nevýhodou ale stále zůstává vysoká cena a komplikovaná integrace do běžných čipů na bázi křemíku.

Co přesně tým MIT vymyslel?

Cíl výzkumníků z MIT byl jasný: využít výhody GaN a spojit je s levnou a osvědčenou CMOS technologií — a to bez nutnosti zásadně měnit výrobní procesy nebo přinášet vyšší náklady.

V praxi vymysleli chytrou a elegantní metodu. Na destičce z GaN se nejprve vyrobí extrémně malé tranzistory. Každý z nich se poté pomocí laseru vyřeže do miniaturního čipu — tzv. dieletu. Tento dielet se následně pomocí měděných kontaktů připojí přímo na klasický křemíkový čip.

Zdroj: Shutterstock

Výhodou tohoto řešení je nejen nízká cena a výborná vodivost mědi, ale i samotný proces. Spojení probíhá při teplotách pod 400 °C, což je dostatečně nízko, aby se nepoškodily ani GaN tranzistory, ani samotný křemíkový čip.

Proč je nový způsob integrace tak důležitý?

Díky tomu, že stačí použít jen malé množství GaN, celková cena výsledného čipu výrazně klesá. Proces je navíc kompatibilní se stávajícími továrnami, takže není potřeba budovat nové výrobní linky.

Další výhodou je nižší zahřívání, protože malé GaN tranzistory rozkládají teplo rovnoměrně. A v neposlední řadě — tato technologie umožňuje snadnou integraci do již existujících produktů, takže výhody mohou brzy pocítit i běžní uživatelé.

První výsledky? Lepší zesilovače pro mobily

Aby vědci ověřili funkčnost svého přístupu, vytvořili výkonné zesilovače určené pro mobilní komunikaci — klíčové prvky pro kvalitu hovoru i rychlost připojení.

Hybridní 3D čipy z MIT dosáhly vyšší šířky pásma, nižší spotřeby energie a zároveň byly překvapivě malé — méně než 0,5 mm².

Pro mobilní telefony to může znamenat nejen rychlejší připojení a lepší kvalitu hovorů, ale i delší výdrž baterie — a to bez zásahu do stávajícího hardwaru.

Co může přijít v budoucnu?

Protože je nová metoda levná a snadno škálovatelná, otevírá široké možnosti použití. Výhody hybridních čipů založených na kombinaci GaN a křemíku můžeme brzy vidět nejen v chytrých telefonech, ale i v routerech a síťových prvcích, noteboocích, serverech nebo datacentrech.

A tím to nekončí. Gallium nitrid totiž skvěle funguje i při extrémně nízkých teplotách, takže má ideální předpoklady i pro použití v kvantových počítačích — technologii budoucnosti.

Vedoucí autor výzkumu Pradyot Yadav k tomu říká:
„Spojili jsme to nejlepší ze světa křemíku a gallium nitridu. Tyhle hybridní čipy by mohly změnit celé odvětví.“