ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของ MIT: การบูรณาการแกลเลียมไนไตรด์และชิปซิลิคอนต้นทุนต่ำ เปิดศักราชใหม่ของการสื่อสารความเร็วสูง

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของระบบสื่อสาร 5G และ 6G รวมถึงการประมวลผลปัญญาประดิษฐ์ ความต้องการด้านประสิทธิภาพและการประหยัดพลังงานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จึงเพิ่มสูงขึ้น ในขณะที่วัสดุซิลิคอนแบบดั้งเดิมนั้นมีความเสถียรและราคาไม่แพง แต่ก็เริ่มแสดงข้อจำกัดในแอปพลิเคชันความถี่สูงและกำลังสูง แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ด้วยความเร็วและประสิทธิภาพสูง จึงถือเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไปที่สำคัญ แต่การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์นั้นถูกขัดขวางมานานด้วยกระบวนการผลิตที่มีราคาแพงและความยากลำบากในการรวมเข้าด้วยกัน เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจาก MIT ได้เสนอวิธีการผลิตต้นทุนต่ำแบบใหม่ที่ประสบความสำเร็จในการรวมทรานซิสเตอร์ GaN เข้ากับชิป CMOS ซิลิคอนมาตรฐาน ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการสื่อสารความเร็วสูงและเทคโนโลยีการประมวลผลขั้นสูง

ความสำคัญและความท้าทายของแกลเลียมไนไตรด์

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้รับการยกย่องว่าเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมเป็นอันดับสองรองจากซิลิคอน โดยใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบแสงสว่าง ระบบเรดาร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และอุปกรณ์สื่อสารขั้นสูง เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม การรวมทรานซิสเตอร์ GaN ประสิทธิภาพสูงเข้ากับแผ่นเวเฟอร์ CMOS ซิลิคอนแบบดั้งเดิมนั้นเผชิญกับอุปสรรคมานานในแง่ของต้นทุนและกระบวนการผลิต วิธีการเชื่อมต่อแบบดั้งเดิมจำกัดการย่อขนาดและประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ GaN ในขณะที่การรวมแผ่นเวเฟอร์ GaN ทั้งหมดส่งผลให้เกิดการสิ้นเปลืองต้นทุนอย่างมหาศาล ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์

นวัตกรรมจาก MIT: เทคโนโลยีการซ้อนภาพแบบ 3 มิติ

วิธีการเชิงนวัตกรรมที่ทีมวิจัยจาก MIT นำเสนอได้ก้าวข้ามข้อจำกัดเดิมๆ ของการ “ย้ายแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมด” หรือ “การเชื่อมพันธะ” โดยหันมาใช้ เทคโนโลยีการรวมตัวแบบสามมิติที่มีต้นทุนต่ำและสามารถขยายขนาดได้ (3D Integration) แนวคิดหลักของมันคือการตัดฟังก์ชันของ GaN ออกเป็น “หน่วยทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก” จำนวนมาก แล้วจึงนำไปจัดวางแบบกระจายตัวลงบนชิปซิลิคอน

กลยุทธ์ “การบูรณาการแบบโมดูลาร์” นี้ช่วยหลีกเลี่ยงการสิ้นเปลืองวัสดุ GaN จำนวนมากในกระบวนการแบบดั้งเดิม และทำให้ GaN มีบทบาทเฉพาะในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดเท่านั้น เนื่องจากพื้นที่ของเซลล์ GaN มีขนาดเล็กมาก ความเครียด ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิ และต้นทุนในระหว่างกระบวนการบูรณาการจึงลดลงอย่างมาก ทำให้เทคโนโลยีนี้สามารถขยายขนาดเพื่อการผลิตจำนวนมากได้ง่ายขึ้น

ในขณะเดียวกัน วิธีการเรียงซ้อนแบบสามมิตินี้เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่เดิม โดยไม่จำเป็นต้องดัดแปลงอุปกรณ์ในสายการผลิตมากนัก และลดความยากในการนำไปใช้งาน ซึ่งหมายความว่าเทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่จะส่งเสริมการวิจัยทางวิชาการเท่านั้น แต่ยังสามารถเข้าสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ในทางปฏิบัติได้อีกด้วย ปูทางไปสู่สาขาต่างๆ เช่น 5G, 6G และแม้กระทั่งการคำนวณควอนตัม

รายละเอียดกระบวนการผลิต: ไมโครทรานซิสเตอร์และการเชื่อมประสานที่อุณหภูมิต่ำ

วิธีการนี้เริ่มต้นด้วยการสร้างไมโครทรานซิสเตอร์จำนวนมากบนแผ่นเวเฟอร์ GaN จากนั้นใช้เลเซอร์ตัดเป็น “ไดเล็ต” ขนาดประมาณ 240 x 410 ไมโครเมตร แต่ละไดเล็ตจะมีเสาทองแดงอยู่ด้านบน ซึ่งสามารถเชื่อมติดกับเสาทองแดงบนพื้นผิวเวเฟอร์ซิลิคอนได้โดยตรงที่อุณหภูมิต่ำกว่า 400 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับกระบวนการเคลือบทองแบบดั้งเดิมที่ต้องใช้ต้นทุนสูงและอุณหภูมิสูง การใช้ทองแดงช่วยลดต้นทุน ความเครียด และความเสี่ยงจากการปนเปื้อน ในขณะเดียวกันก็ช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าได้ด้วย

ประสิทธิภาพของระบบที่ดีขึ้นและข้อดีด้านการระบายความร้อน

ข้อดีสำคัญอีกประการหนึ่งของวิธีการรวมวงจรนี้คือ วงจร GaN ซึ่งประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แบบแยกชิ้นที่กระจายอยู่ทั่วแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ช่วยลดอุณหภูมิโดยรวมของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยได้ใช้วิธีนี้ในการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณกำลังสูงที่แสดงความแรงของสัญญาณและประสิทธิภาพที่สูงกว่าทรานซิสเตอร์ซิลิคอนเพียงอย่างเดียว ในแอปพลิเคชันสมาร์ทโฟน สิ่งนี้หมายถึงคุณภาพการโทรที่ดีขึ้น แบนด์วิดธ์ไร้สายที่กว้างขึ้น การเชื่อมต่อที่เสถียรยิ่งขึ้น และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้น

ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

เนื่องจากวิธีการนี้เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน จึงสามารถนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่และการพัฒนาเทคโนโลยีรุ่นใหม่ได้โดยตรง สิ่งนี้ไม่เพียงแต่มีศักยภาพที่จะเร่งการใช้งานระบบสื่อสาร 5G และ 6G เท่านั้น แต่ยังอาจผลักดันการอัพเกรดด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานในด้านการคำนวณควอนตัม ตัวเร่งความเร็วปัญญาประดิษฐ์ และศูนย์ข้อมูล นักวิทยาศาสตร์วิจัยของ IBM ชี้ให้เห็นเพิ่มเติมว่า แนวทางการบูรณาการแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้เป็นวิธีแก้ปัญหาที่สำคัญในการแก้ไขปัญหาการชะลอตัวของกฎของมัวร์ ซึ่งจะช่วยให้สามารถลดขนาดระบบอย่างต่อเนื่องและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้

มองไปสู่อนาคต

“เราประสบความสำเร็จในการผสานกระบวนการผลิตซิลิคอนที่พัฒนาแล้วเข้ากับคุณลักษณะประสิทธิภาพสูงของ GaN” ปราดยอต ยาดาฟ นักศึกษาปริญญาโทจาก MIT กล่าว “ชิปไฮบริดเหล่านี้มีศักยภาพที่จะปฏิวัติอุตสาหกรรมมากมาย” งานวิจัยนี้ได้รับการนำเสนอในงานประชุม IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium ในอนาคต เมื่อกระบวนการต่างๆ พัฒนาขึ้น เทคโนโลยีการรวมวงจรต่างชนิดกันระหว่าง GaN และซิลิคอนจะผลักดันให้เกิดการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงและประหยัดพลังงานอย่างแพร่หลายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

แหล่งที่มา:

• เทคโนโลยีการผลิตชิป 3 มิติแบบใหม่ ทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้เร็วขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น
• ew 3D chips could make electronics faster and more energy-efficient

(首圖來源:麻省理工學院)

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

---

คุณอาจสนใจ…