GaN，商用大跨步

先进的半导体材料GaN很可能成为下一代高速通信系统和最先进数据中心所需的电力电子设备的关键。

不幸的是，GaN的高成本以及将这种半导体材料融入传统电子产品所需的专业化限制了其在商业应用中的使用。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员开发出一种新的制造方法，将高性能 GaN 晶体管以低成本、可扩展的方式集成到标准硅 CMOS 芯片上，并与现有的半导体代工厂兼容。

他们的方法包括在 GaN 芯片表面构建许多微型晶体管，切割出每个单独的晶体管，然后使用低温工艺将所需数量的晶体管粘合到硅芯片上，以保留两种材料的功能。

由于只需在芯片中添加少量GaN材料，因此成本保持极低，但最终器件却能通过紧凑、高速的晶体管获得显著的性能提升。此外，通过将GaN电路分离成可分布在硅芯片上的分立晶体管，这项新技术能够降低整个系统的温度。

研究人员利用这一工艺制造了功率放大器，这是手机中必不可少的组件，与采用硅晶体管的设备相比，它能够实现更高的信号强度和效率。在智能手机中，这可以改善通话质量、提升无线带宽、增强连接性并延长电池寿命。

由于他们的方法符合标准流程，因此可以改进现有的电子设备以及未来的技术。未来，这种新的集成方案甚至可以实现量子应用，因为在许多类型的量子计算所必需的低温条件下，GaN的性能优于硅。

“如果我们能够降低成本，提高可扩展性，同时提升电子设备的性能，那么采用这项技术是理所当然的。我们将硅材料中现有的最佳特性与最优秀的GaN电子元件完美结合。这些混合芯片可以彻底改变许多商业市场，”麻省理工学院研究生、该方法论文的主要作者 Pradyot Yadav 说道。

与他一起撰写该论文的还有麻省理工学院研究生王金辰和帕特里克·达马维-伊斯坎达尔、麻省理工学院博士后约翰·尼鲁拉、资深作者、微系统技术实验室 (MTL) 访问科学家乌尔里希·L·罗德 (Ulriche L. Rodhe) 和电气工程与计算机科学系 (EECS) 副教授兼 MTL 成员韩若楠、EECS 克拉伦斯·J·勒贝尔教授兼 MTL 主任托马斯·帕拉西奥斯 (Tomás Palacios)，以及佐治亚理工学院和空军研究实验室的合作者。这项研究最近在 IEEE 射频集成电路研讨会上进行了展示。

交换晶体管

GaN是世界上使用最广泛的半导体，仅次于硅，其独特的特性使其成为照明、雷达系统和电力电子等应用的理想选择。

这种材料已经存在了几十年，为了发挥其最大性能，将GaN芯片连接到硅数字芯片（也称为CMOS芯片）至关重要。为了实现这一点，一些集成方法通过焊接将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，它们的工作频率就越高。

其他方法将整个GaN晶片集成到硅晶片上，但使用如此多的材料成本极高，尤其是因为GaN仅用于几个微型晶体管。GaN晶片中的其余材料则被浪费了。

“我们希望将GaN的功能与硅基数字芯片的强大性能相结合，同时又不牺牲带宽成本。我们通过在硅芯片上直接添加超微型分立GaN晶体管来实现这一点。”Yadav解释道。

新芯片是经过多步加工制成的。

首先，在GaN晶圆的整个表面上制造出紧密排列的微型晶体管。他们使用非常精细的激光技术，将每个晶体管切割成晶体管的尺寸，即240 x 410微米，形成所谓的“小芯片”（dielet）。（一微米等于百万分之一米。）

每个晶体管的顶部都布满了微小的铜柱，它们被用来直接键合到标准硅CMOS芯片表面的铜柱上。铜与铜的键合可以在低于400摄氏度的温度下进行，这个温度足够低，不会损坏任何一种材料。

目前的GaN集成技术需要使用金来进行键合，而金是一种昂贵的材料，需要比铜更高的温度和更强的键合力。由于金会污染大多数半导体代工厂使用的工具，因此通常需要专门的设备。

“我们想要一种低成本、低温、低应力的工艺，而铜在所有与金相关的性能上都胜出。同时，它的导电性也更好。”Yadav说道。

为了实现这一集成过程，他们开发了一种专门的新工具，可以将极其微小的GaN晶体管与硅芯片精心集成。该工具利用真空吸附小芯片，使其在硅芯片顶部移动，并以纳米级精度对准铜键合界面。

他们使用先进的显微镜来监测界面，然后当小芯片处于正确位置时，他们施加热量和压力将 GaN 晶体管粘合到芯片上。

“在这个过程中，每一步我都必须找到一位懂得我所需技术的新合作伙伴，向他们学习，然后将其融入我的平台。我花了两年时间不断学习，”Yadav说道。

研究人员完善了制造工艺后，他们通过开发功率放大器（一种增强无线信号的射频电路）来证明这一点。

与传统硅晶体管制成的器件相比，他们的器件实现了更高的带宽和更好的增益。每个紧凑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 22 纳米 FinFET 先进金属化工艺和无源选项，因此他们能够集成硅电路中常用的元件，例如中和电容器。这显著提高了放大器的增益，使其距离实现下一代无线技术更近了一步。

IBM 研究科学家 Atom Watanabe表示：“为了应对摩尔定律在晶体管微缩方面放缓的趋势，异质集成已成为一种极具前景的解决方案，可实现持续的系统微缩、减小尺寸、提高功率效率并优化成本。尤其是在无线技术领域，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 (AI) 平台的前端集成电路、基带处理器、加速器和存储器的统一系统至关重要。这项工作通过展示多个 GaN 芯片与硅 CMOS 的 3D 集成，取得了重大进展，并突破了当前技术能力的界限。”

这项工作得到了美国国防部国防科学与工程研究生（NDSEG）奖学金项目和CHIMES（JUMP 2.0七个中心之一）的部分支持。JUMP 2.0是由美国国防部和国防高级研究计划局（DARPA）共同发起的半导体研究公司项目。制造过程使用了麻省理工学院纳米中心（MIT.Nano）、空军研究实验室和佐治亚理工学院的设备。