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麻省理工学院开发微型氮化镓晶体管在新型3D设计中提升芯片速度与效率

发布时间：2025-06-20 14:50:21 阅读数： 117

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研究人员开发了一种新的制造工艺，能够以低成本且可扩展的方式将高性能氮化镓晶体管集成到标准硅CMOS芯片上。

先进半导体材料氮化镓有望成为下一代高速通信系统及先进数据中心所需电力电子设备的关键材料。

遗憾的是，氮化镓（GaN）的高成本以及将其这种半导体材料集成到传统电子设备中所需要的专业技术，限制了其在商业应用中的使用。

如今，来自麻省理工学院（MIT）及其他机构的研究人员开发了一种新的制造工艺，能够以低成本、可扩展且与现有半导体代工厂兼容的方式，将高性能氮化镓晶体管集成到标准硅CMOS芯片上。

他们的方法是在GaN芯片表面制造大量微型晶体管，然后将每个晶体管单独切割出来，再通过一种低温工艺将所需数量的晶体管键合到硅芯片上，该工艺能保留两种材料的功能性。

由于仅向芯片添加了极少量GaN材料，成本仍保持在较低水平，但最终器件可通过紧凑型高速晶体管获得显著性能提升。此外，通过将GaN电路分解为可分布在硅芯片上的独立晶体管，新技术能够降低整个系统的温度。

研究人员利用该工艺制造了一款功率放大器，这是手机中的关键组件，其信号强度和效率均优于采用硅晶体管的设备。在智能手机中，这可提升通话质量、增强无线带宽、改善连接性并延长电池续航时间。

由于他们的方法符合标准流程，因此不仅能提升现有电子设备，还能推动未来技术的发展。未来，这种新的集成方案甚至可能实现量子应用，因为氮化镓（GaN）在低温环境下的性能优于硅，而低温正是许多类型量子计算所必需的条件。

“如果我们能降低成本、提升可扩展性，同时增强电子设备的性能，那么采用这项技术显然是明智之举。我们结合了硅材料的优势与氮化镓电子技术的最佳特性。

“这些混合芯片有望颠覆多个商业市场，”麻省理工学院研究生、该研究论文第一作者普拉迪奥特·亚达夫（Pradyot Yadav）表示。该论文于2025年6月15日至17日在加利福尼亚州旧金山举行的射频集成电路研讨会（RFIC 2025）的RTu2C分会场进行展示。

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晶体管互换

氮化镓是全球第二大应用最广泛的半导体材料，仅次于硅，其独特特性使其成为照明、雷达系统和电力电子等领域的理想选择。

这种材料已存在数十年，为了充分发挥其性能，将GaN制成的芯片与硅制成的数字芯片（即CMOS芯片）连接至关重要。为了实现这一点，一些集成方法通过焊接连接将GaN晶体管连接到CMOS芯片上，但这限制了GaN晶体管的尺寸。晶体管越小，其工作频率就越高。

其他方法则将整个氮化镓晶圆集成在硅晶圆上方，但这种方法耗材极多且成本极高，尤其是考虑到氮化镓仅用于少数几个微型晶体管。氮化镓晶圆中的其余材料均被浪费。

“我们希望将GaN的功能与硅制数字芯片的性能相结合，同时不牺牲成本或带宽。我们通过在硅芯片顶部直接添加超小型离散氮化镓晶体管实现了这一目标，”亚达夫解释道。

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新芯片是多步骤工艺的成果。

首先，在氮化镓（GaN）晶圆的整个表面上制造出密集排列的微型晶体管。利用非常精细的激光技术，将每个晶体管切割成仅包含器件本身的微型单元（尺寸为 240 × 410 微米），形成所谓的 “晶粒体”（dielet）。（1 微米等于百万分之一米。）

每个晶体管的顶部都预制了微型铜柱，用于直接键合到标准硅CMOS芯片表面的铜柱上。这种铜-铜键合工艺可在低于400°C的温度下完成，该温度足够低，能确保两种材料的结构完整性不受破坏。

当前氮化镓（GaN）集成技术需采用金作为键合材料——金不仅成本高昂，且键合过程需要比铜更高的温度和更强的压力。由于金会污染半导体代工厂的制造设备，该工艺通常需在专用设施中进行。

亚达夫（Yadav）表示：“我们需要一种低成本、低温且低压的工艺，而铜在所有这些方面都优于金。同时，铜还具有更优异的导电性能。”

一种新工具

为了实现集成过程，他们创建了一种专门的新工具，可以精确地将极小的GaN晶体管与硅芯片集成在一起。该工具利用真空固定二极管，使其在硅芯片上方移动，并以纳米级精度对准铜键合界面。

他们通过先进显微镜监测界面，当二极管处于正确位置时，施加热量和压力将GaN晶体管与芯片键合。

“在整个过程中，我不得不为每个步骤寻找一位掌握所需技术的合作者，向他们学习，然后将这些技术整合到我的平台中。这花了两年时间不断学习，”亚达夫说。

一旦研究人员完善了制造过程，他们通过开发功率放大器来展示这一技术，功率放大器是用于增强无线信号的射频电路。

他们的设备在带宽和增益方面均优于采用传统硅晶体管制造的设备。每个紧凑型芯片的面积不到半平方毫米。

此外，由于他们在演示中使用的硅芯片基于英特尔16纳米22纳米FinFET先进金属化工艺和被动元件选项，他们能够集成硅电路中常用的组件，如中和电容。这显著提升了放大器的增益，使其更接近实现下一代无线技术。

“为应对摩尔定律在晶体管缩放方面的放缓，异构集成技术已然成为实现系统持续缩放、缩小尺寸、提升能效及优化成本的有力解决方案。

尤其在无线技术领域，化合物半导体与硅基晶圆的紧密集成对于实现下一代天线到人工智能平台的统一系统至关重要，该系统涵盖前端集成电路、基带处理器、加速器和内存。