El nitruro de galio (GaN), un material semiconductor avanzado, probablemente se convierta en un componente clave para los dispositivos electrónicos de potencia necesarios en los sistemas de comunicación de alta velocidad de próxima generación y los centros de datos más avanzados.

Desafortunadamente, el alto costo del GaN y la especialización requerida para integrarlo en productos electrónicos tradicionales limitan su uso comercial.

Ahora, investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado un nuevo método de fabricación que integra transistores de GaN de alto rendimiento en chips CMOS de silicio estándar de manera de bajo costo y escalable, compatible con las fundiciones de semiconductores existentes.

Su método implica construir muchos transistores miniatura en la superficie de un chip de GaN, cortar cada transistor individual y luego unir la cantidad requerida de transistores a un chip de silicio mediante un proceso de baja temperatura, preservando la funcionalidad de ambos materiales.

Dado que solo se necesita agregar una pequeña cantidad de material GaN al chip, el costo se mantiene extremadamente bajo, pero el dispositivo final logra mejoras significativas en el rendimiento a través de transistores compactos y de alta velocidad. Además, al separar los circuitos de GaN en transistores discretos que se pueden distribuir en el chip de silicio, esta nueva tecnología reduce la temperatura del sistema completo.

Los investigadores utilizaron este proceso para fabricar un amplificador de potencia, un componente esencial en los teléfonos móviles, con mayor intensidad de señal y eficiencia que los dispositivos con transistores de silicio. En smartphones, esto podría mejorar la calidad de las llamadas, aumentar el ancho de banda inalámbrico, fortalecer la conectividad y extender la vida útil de la batería.

Dado que su método es compatible con procesos estándar, puede mejorar dispositivos electrónicos existentes y tecnologías futuras. En el futuro, este nuevo esquema de integración incluso podría habilitar aplicaciones cuánticas, ya que el rendimiento del GaN supera al del silicio en las condiciones de baja temperatura esenciales para muchos tipos de computación cuántica.

"Si podemos reducir costos, mejorar la escalabilidad y elevar el rendimiento de los dispositivos electrónicos, es lógico adoptar esta tecnología. Combinamos las mejores características existentes del material de silicio con los componentes electrónicos de GaN más excelentes".

"Estos chips híbridos pueden transformar radicalmente muchos mercados comerciales", dijo Pradyot Yadav, estudiante de posgrado del MIT y autor principal del artículo sobre este método. El artículo se presentó en la sesión RTu2C de la Conferencia sobre Circuitos Integrados de Radiofrecuencia (RFIC 2025), celebrada del 15 al 17 de junio de 2025 en San Francisco, California.

Intercambiando transistores

El nitruro de galio es el segundo semiconductor más utilizado en el mundo después del silicio, y sus propiedades únicas lo hacen ideal para aplicaciones como iluminación, sistemas de radar y electrónicos de potencia.

Este material ha existido durante décadas, y para maximizar su rendimiento, es crucial conectar chips de GaN a chips digitales de silicio (también conocidos como chips CMOS). Para lograrlo, algunos métodos de integración sueldan transistores de GaN a chips CMOS, pero esto limita el tamaño de los transistores de GaN. Cuanto más pequeños sean los transistores, mayor será su frecuencia de operación.

Otros métodos integran una oblea completa de nitruro de galio en una oblea de silicio, pero usar tanto material es extremadamente costoso, especialmente porque el GaN solo se usa para unos pocos transistores miniatura. El resto del material en la oblea de GaN se desperdicia.

"Queríamos combinar la funcionalidad del GaN con el potente rendimiento de los chips digitales basados en silicio sin sacrificar el costo de ancho de banda. Lo logramos agregando directamente transistores de GaN ultra-miniatura discretos al chip de silicio", explicó Yadav.

El nuevo chip se fabrica en múltiples pasos.

Primero, se fabrican transistores miniatura dispuestos estrechamente en toda la superficie de una oblea de GaN. Utilizan una tecnología láser muy fina para cortar cada transistor al tamaño del transistor, es decir, 240 x 410 micrómetros, formando lo que se llaman "pequeños chips" (dielets). (Un micrómetro es una millonésima de metro).

La parte superior de cada transistor está cubierta de diminutos pilares de cobre, que se usan para unir directamente a los pilares de cobre en la superficie de un chip CMOS de silicio estándar. La unión de cobre con cobre se puede realizar a temperaturas inferiores a 400 °C, lo suficientemente baja para no dañar ninguno de los materiales.

Las tecnologías actuales de integración de GaN requieren oro para la unión, un material costoso que necesita temperaturas más altas y una fuerza de unión más fuerte que el cobre. Dado que el oro contamina las herramientas utilizadas en la mayoría de las fundiciones de semiconductores, generalmente se necesitan equipos especializados.

"Queríamos un proceso de bajo costo, baja temperatura y bajo estrés, y el cobre supera al oro en todos los aspectos de rendimiento relacionados. Además, su conductividad es mejor", dijo Yadav.

Una nueva herramienta

Para lograr este proceso de integración, desarrollaron una herramienta especializada nueva que integra con precisión transistores de GaN extremadamente pequeños con chips de silicio. La herramienta utiliza succión al vacío para mover los pequeños chips sobre el chip de silicio y alinear las interfaces de unión de cobre con precisión nanométrica.

Utilizan microscopios avanzados para monitorear la interfaz y, cuando el pequeño chip está en la posición correcta, aplican calor y presión para unir el transistor de GaN al chip.

"En este proceso, en cada paso tuve que encontrar un nuevo socio que supiera la tecnología que necesitaba, aprender de ellos y luego incorporarla a mi plataforma. Pasé dos años aprendiendo continuamente", dijo Yadav.

Después de refinar el proceso de fabricación, los investigadores demostraron su efectividad desarrollando un amplificador de potencia (un circuito de radiofrecuencia que amplifica señales inalámbricas).

En comparación con dispositivos fabricados con transistores de silicio tradicionales, su dispositivo logra mayor ancho de banda y mejor ganancia. El área de cada chip compacto es inferior a medio milímetro cuadrado.

Además, dado que el chip de silicio utilizado en su demostración se basa en el proceso avanzado de metalización FinFET de 16/22 nm de Intel y opciones pasivas, pudieron integrar componentes comúnmente usados en circuitos de silicio, como capacitores de neutralización. Esto mejoró significativamente la ganancia del amplificador, acercándolo a la realización de tecnologías inalámbricas de próxima generación.

"Para abordar el ralentecimiento de la Ley de Moore en el escalado de transistores, la integración heterogénea se ha convertido en una solución prometedora para expandir continuamente los sistemas, reducir tamaños, mejorar la eficiencia de potencia y optimizar costos.

"En particular, en el campo de la tecnología inalámbrica, la integración estrecha de semiconductores compuestos con obleas basadas en silicio es crucial para lograr sistemas unificados de circuitos integrados front-end desde antenas hasta plataformas de IA, incluyendo procesadores de banda base, aceleradores y memorias".

Atom Watanabe, científico investigador de IBM (no involucrado en este trabajo), dijo: "Este trabajo logra un avance significativo al demostrar la integración 3D de múltiples chips de GaN con CMOS de silicio, rompiendo los límites de las capacidades tecnológicas actuales".