在2025年國際電子器件會議（IEDM）上，英特爾首次公開展示了基于300mm硅基氮化鎵（GaN）工藝的Chiplet技術(shù)。此項突破性技術(shù)有望革新高性能功率電子和射頻器件的未來，特別是在5G/6G通信、人工智能服務(wù)器和高效能計算領(lǐng)域的應(yīng)用。
英特爾展示的氮化鎵Chiplet采用了業(yè)界最薄的19μm硅襯底，并成功集成了GaN N-MOSHEMT與硅PMOS的單片CMOS數(shù)字電路庫。這一創(chuàng)新標(biāo)志著氮化鎵技術(shù)從分立器件邁向系統(tǒng)級集成，推動了氮化鎵在功率密度和效率要求日益提高的電子設(shè)備中的應(yīng)用。
與傳統(tǒng)的150mm硅晶圓相比，300mm硅基氮化鎵晶圓的應(yīng)用能夠顯著降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。該技術(shù)平臺兼容現(xiàn)有的CMOS工藝線，為氮化鎵的廣泛商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。
該氮化鎵Chiplet的硅襯底經(jīng)過完全加工、減薄和單晶化，厚度僅為19μm，較傳統(tǒng)方案減少了60%以上。這一超薄設(shè)計有助于更高效的三維集成，為功率密度和散熱性能提供了理想基礎(chǔ)。通過采用SDBG技術(shù)，晶圓在減薄和切割過程中能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，表面粗糙度控制在納米級別，確保了混合鍵合的高效進行。
此外，減薄設(shè)計大幅降低了硅通孔（TSV）的深寬比，減少了電阻損耗約40%，同時熱阻也下降了35%，大大提升了功率密度和散熱能力。
英特爾的氮化鎵Chiplet在電氣性能上表現(xiàn)卓越。30nm柵長的GaN MOSHEMT晶體管，導(dǎo)通電阻（RON）低于5mΩ·mm2，柵極和漏極漏電流低于3pA/μm，功耗控制優(yōu)秀。擊穿電壓（BVDS）達到78V@1μA/μm，滿足中壓應(yīng)用需求。在射頻性能方面，30nm晶體管的截止頻率（fT）為212GHz，最大振蕩頻率（fMAX）達到304GHz，適合毫米波通信等高頻應(yīng)用。
該Chiplet的電流密度接近10A/mm2，預(yù)計通過進一步縮小幾何尺寸，電流密度將進一步提升，推動高功率應(yīng)用的實現(xiàn)。
最具創(chuàng)新性的突破之一是該技術(shù)實現(xiàn)了GaN N-MOSHEMT與硅PMOS的單片集成，成功在300mm硅基氮化鎵晶圓上構(gòu)建了完整的CMOS數(shù)字電路庫。通過統(tǒng)一的工藝設(shè)計套件（PDK），英特爾實現(xiàn)了反相器、邏輯門、多路復(fù)用器、觸發(fā)器和環(huán)形振蕩器等基本數(shù)字電路的集成。
這一集成能力顯著減少了對外部硅芯片的依賴，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。
英特爾對該技術(shù)進行了嚴格的可靠性驗證，結(jié)果顯示其在高溫、時間相關(guān)介質(zhì)擊穿（TDDB）和熱載流子注入（HCI）測試中的表現(xiàn)均符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)。尤其是，在90°C下，柵極氧化層的預(yù)計壽命超過10年，保證了長期穩(wěn)定運行。
展望未來，英特爾計劃在2026-2027年間實現(xiàn)該技術(shù)的小批量量產(chǎn)。初期應(yīng)用將集中于數(shù)據(jù)中心的電源管理、5G基站功放模塊和新能源汽車的充電系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷成熟，預(yù)計氮化鎵Chiplet將在高效能計算、綠色能源和高速通信等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。
盡管技術(shù)前景廣闊，產(chǎn)業(yè)化仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，19μm超薄晶圓的處理和加工需要專用設(shè)備，設(shè)備投資成本較高。此外，GaN與硅的熱膨脹系數(shù)差異可能導(dǎo)致熱循環(huán)可靠性問題，需要開發(fā)新的界面材料。而CMOS與GaN工藝的協(xié)同優(yōu)化復(fù)雜度高，也對設(shè)計自動化工具鏈提出了更高要求。
未來，英特爾計劃繼續(xù)推進技術(shù)的經(jīng)濟性提升，擴展到8英寸晶圓，并開發(fā)適用于600V以上的高壓器件，以拓展更廣泛的工業(yè)應(yīng)用。預(yù)計到2028年，硅基氮化鎵市場規(guī)模將達到50億美元，年復(fù)合增長率超過30%。
