3D氮化鎵晶體管提升芯片性能

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氮化鎵：高性能通信的關鍵材料

在下一代高速通信系統與尖端數據中心的發展藍圖中，氮化鎵（GaN）無疑是至關重要的角色。它是一種復雜的半導體材料，憑借其獨特的特性，在電力電子領域展現出卓越的性能，適用于電力電子、雷達系統和照明等應用場景，成為全球第二大應用廣泛的半導體，僅次于硅。

然而，氮化鎵成本高昂，且將之集成到傳統電路中需要高水平的專業技術，這使得其在商業應用中的普及受到了較大的限制。長期以來，氮化鎵器件必須與硅數字芯片（CMOS 芯片）耦合才能達到最佳性能，但現有的集成技術不是限制了氮化鎵晶體管的尺寸，影響其工作頻率，就是因使用大量材料導致成本居高不下，造成資源浪費。

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麻省理工學院的創新突破

為了解決這些難題，麻省理工學院聯合其他機構的研究人員經過不懈努力，創造了一種新穎的制造技術，成功將高性能的氮化鎵晶體管以經濟實惠、可擴展且與當前半導體代工廠兼容的方式與傳統的硅 CMOS 器件相結合。

這項技術的核心在于一種低溫程序。首先，研究人員在氮化鎵芯片表面創建大量微型晶體管，然后切斷每個晶體管，將所需數量的晶體管精準地粘合到硅芯片上。這一過程不僅保持了兩種材料的功能，還通過只添加少量氮化鎵材料，有效降低了成本。同時，將氮化鎵電路分解成可分散在整個硅芯片上的單個晶體管，降低了系統的總溫度。

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創新技術的制造過程

整個制造過程經過了多步驟的精細操作。起初，氮化鎵晶圓的整個表面被密集排列的微型晶體管陣列所覆蓋。研究人員運用極其精確的激光技術，將每個晶體管修剪到恰好與晶體管大小相符的尺寸，即 240x410 微米，形成所謂的 “小芯片”（dielet）。

為了實現氮化鎵晶體管與硅芯片的鍵合，他們在每個晶體管頂部制作了微小銅柱，并將其與硅 CMOS 芯片表面的銅柱進行鍵合。由于鍵合過程在 400 攝氏度以下進行，銅與銅可以在足夠低的溫度下鍵合，從而防止兩種材料受損。

值得一提的是，在制造過程中，研究人員還開發了一種專用的新儀器。該設備利用真空吸附在硅芯片頂部移動的小芯片，以納米級精度對準銅鍵合觸點。在使用復雜的顯微鏡監測界面后，一旦小芯片處于正確的位置，他們就通過施加壓力和熱量將氮化鎵晶體管粘合到芯片上。

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技術成果與優勢

利用這種方法，研究人員成功制造出了一種功率放大器，這是手機的關鍵部件。與基于硅晶體管的器件相比，這種功率放大器在信號強度和效率方面均表現出色，能夠增加無線帶寬、改善連接性、延長電池壽命并提升智能手機的通話質量。

此外，由于該技術符合傳統方法，它還可以增強現有的電子器件以及未來的技術。特別是考慮到氮化鎵在許多量子計算所需的低溫下性能優于硅，這種新穎的集成方法最終甚至可能實現量子應用，展現出廣闊的應用前景。

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氮化鎵與硅 CMOS 集成的未來展望

隨著這項技術的不斷發展和成熟，它有望徹底改變許多商業市場。研究人員已經成功地將最先進的氮化鎵電子器件與最先進的硅技術相結合，為未來的電子設備發展開辟了新的道路。

異構集成作為一種可行的方法，有助于繼續擴展系統、降低尺寸、提高功率效率和優化成本，以抵消摩爾定律導致晶體管縮放速度放緩的影響。下一代天線到人工智能平臺，尤其是在無線技術領域的前端集成電路、基帶處理器加速器和存儲器等統一系統的實現，將更加依賴于化合物半導體與硅基晶圓的緊密結合。而這項氮化鎵與硅 CMOS 的集成技術，無疑為這一趨勢注入了強大的動力，讓我們期待它在未來通信領域及其他相關產業中發揮更加關鍵的作用。